基于通視性分析的UUV目標測試航路快速規劃方法研究?

李金亮

（中國人民解放軍91404部隊93分隊 秦皇島 066001）

1 引言

水下無人航行器（UUV）是不需要由處于潛水器內的人員來操控的水下運載體［1］，它作為一種海上艦艇的輔助作戰武器有著廣泛而重要的軍事用途，如收集情報、對敵方軍情進行監視和偵查等［2］，美國海軍已配備了第一代潛射水下無人航行器，可以到達人類難以抵達的地方進行收集情報、攻擊目標等活動。此外在民用方面，水下無人航行器對人類有效開發海洋資源起到關鍵作用，如搜集海底高程，洋流氣象等環境數據、協助石油與天然氣開發、海底生物科學研究等等，不僅可以改善效能還能降低費用。因此，近年來水下無人航行器的研究受到各國越來越多的重視，現已成為各發達國家軍事海洋技術研究的前沿［3］。

2 水下航路規劃問題概述

航路規劃是綜合考慮威脅、地形、航行器性能和任務需求等多種因素，找到從發射點到目的地的最優航路，并要求生存概率最大和航行時間最短［4～5］。在水下無人航行器航路規劃過程中，通常需要考慮的影響因素有：航行器自身的物理性能、海洋的氣象條件、海洋的水文地理環境、戰場環境態勢和我方的戰略戰術要求等。它是一個綜合性很強，復雜程度很高的問題，本文簡要概括出四個主要需要考慮的要素，如表1所示。

表1 主要因素

3 復雜海洋環境水下規劃空間建模

在水下無人航行器航路規劃中，復雜海洋的環境我們可以看作是各種各樣的約束區域［6］，如島嶼，陸地，敵方監視區等等，因此我們需要對其進行建模。

1）限制區

限制區是指航行器航行時不能通過的區域，如島嶼、陸地、暗礁、禁航區等。如圖1所示，限制區用一個多邊形柱狀區域來表示，航路規劃時，規劃路徑不能從這個多邊形區域通過，當航路通過該區域的代價為無窮大，因此航路需要從限制區周圍繞過限制區。

圖1 限制區模型

2）威脅區

在真實的戰場環境下，敵方往往會在海洋中部署大量兵力（如軍艦、潛艇等），會對航行器的航行安全造成威脅，敵方兵力往往先會用聲吶探測我方航行器的存在，然后再發動攻擊，而聲吶的探測目標的范圍通常為一個橢球形的區域，因此用一個橢球來表示威脅區，航行器進入該區域時，有一定概率被威脅區摧毀。如圖2所示威脅區的作用區域為

其中，Sth是威脅區的作用域；(x0，o，y0) 是圓柱體底面的圓心坐標；a，b是橢球體的赤道半徑（沿著x和y軸），c是極半徑（沿著z軸）。

圖2 半橢球體模型

航行器經過威脅區的代價為經過橢球區域的時間再乘以威脅系數，公式如下：

其中 f代表經過威脅區的代價，l代表航行器經過威脅區的長度，vu代表航行器的航行速度，α代表敵方兵力威脅的威脅系數，根據威脅區威脅程度的不同，將威脅區分為九個等級，每個等級的威脅系數不同，等級越高，威脅系數就越大。

3）必達區

在完成戰術、戰略任務時，可能會指定航行器經過某片區域以完成特定的任務，這時航行路徑必須要經過的該區域，這個區域就是必達區，它的模型用多邊形柱狀來表示。此外還有海流區、匹配區、風浪區等模型就不依次列舉了。

4 基于通視性分析的快速航路規劃方法

4.1 通視性概念與模型

通視性分析本質上就是判斷觀測點與目標點之間的視線是否通達［7～8］，轉化到規劃空間中，就是判斷連接該兩點的視線是否與海洋環境中的各種約束區域相交，這個判斷過程叫通視性檢查，也就是線段與多邊形、圓、橢圓的碰撞檢測過程。給定矢量規劃空間中的約束區域集合C和兩個點P1、P2，對于任何一個約束區域 x(x∈C)，如果都有φ(lP1P2，x)=0 ，那么P1、P2可通視的，其中 lP1P2代表直線段P1P2，函數 y=φ(l ， x)是計算直線段l是否與約束區域x相交，這個函數的取值只可能是0和1，若取值為0則直線段l與約束區域x沒有相交，否則則表示直線段l與約束區域x相交。即規劃空間中任意兩點P1、P2可通視的條件是?x，x∈C，都有φ( )lP1P2，x =0。

如圖3所示，在規劃空間中，目標點A、B與觀測O點是否通視，主要判斷線段OA、OB是否與規劃空間中的約束區域相交，從圖中可以知道線段OA與約束區域C相交了，因此O、A兩點不能通視，而線段OB與所有約束區域都沒有相交，因此O、B兩點是通視的。

圖3 點通視性示意圖

通視性問題按照輸出信息的維數可以分為點通視性、線通視性和區域通視性問題，但是在航路規劃中主要研究的是兩點之間的通視性算法問題。

4.2 基于通視性分析的快速航路規劃

基于通視性分析的快速航路規劃的主要策略就是先對航行器航行的起點和目標點進行通視性檢查，若這兩點可以通視，則可以從起點直線到達目標點，否則兩點之間不能通視，則選擇離航行器當前位置最近的環境約束區域進行通視性處理，不同類型的環境約束區域通視性處理方法也不盡相同，按照通視性處理后的路徑前進，比如限制區就是按照繞過限制區的最短切線路徑前進，到達下一觀測點再進行通視性檢查，處理，前進，然后循環往復，直到最終到達目標點。這里的觀測點指的是剛繞過（或通過）環境約束區域的節點，例如繞過限制區的下一個觀測點就是目標點與該限制區的切點，通過海流區的下一個觀測點就是航路穿過海流區的交點。

以圖4為例來進行說明。從起點S開始進行航路規劃，先對起點S和目標點T進行通視性檢查，發現直線路徑上存在限制區A，這兩點不能通視，因此對限制區A進行通視性處理，求取繞過限制區A的最短切線路徑，然后沿著切線前進，直到下一觀測點，下一觀測點為切點N，再對觀測點N和目標點T進行通視性檢測，發現直線路徑上還存在海流區B，因此在對海流區進行通視性處理，求取通過海流區的路徑，圖中求取出的路徑為直線通過海流區的路徑NT，因此沿著路徑NT前進，到達下一觀測點，下一個觀測點為交點J，再對觀測點J和目標點T進行通視性檢查，發現這兩點可以通視，因此，可以直線到達目標點。這樣通過多次對航行器的當前位置與目標點進行通視性檢查，處理，前進，可以快速規劃出比較滿意的航路SMNT。

圖4 基于通視性分析的快速航路規劃示意圖

基于通視性分析的快速航路規劃方法流程：

Step1：生成引導點P；

Step2：設起始點S為當前點，引導點為臨時目標點；

Step3：對當前點S和臨時目標點P之間進行通視性檢查；

Step4：若S和P能夠通視，則判斷P是否為最終目標點T，若是則得到最終航路，算法結束；否則將P設為當前點，切換下一個引導點為臨時目標點，重復Step3，直到得到最終航路；

Step5：若S和P不能夠通視，則選擇離當前點最近的環境約束區域進行通視性處理，獲取繞過（或穿過）該區域的路徑，并將繞過（或穿過）環境約束區域的切點（或交點）設為當前點，重復Step3，直到得到最終航路。

基于通視性分析的快速航路規劃方法的優點是規劃速度很快，針對非常廣闊的海洋環境非常適用，在通常情況下僅通過幾次通視性檢查處理，就可以迅速規劃出一條滿足約束條件的較優航路。

5 實驗與仿真

本實驗所用的規劃地圖為矢量電子海圖，地圖的范圍為東經116.2°～東經132.5°，北緯21.5°～北緯41.2°，約為1793×2167km2的矩形地理區域。航行器考慮的環境約束區域包括必達區、海流區、威脅區、風浪區和限制區。本文進行兩種類型的實驗：第一類是簡單環境下航路規劃實驗，簡單環境中從航路起點到終點的路徑上只存在少量的約束區域，主要是為了展示經過各種約束區域的規劃結果，第二類是復雜環境下航路規劃實驗，航路起點到終點之間的路徑上存在多個各種類型的約束區域。上述實驗任務都采用傳統 A*規劃算法［9～10］和基于通視性分析的規劃方法來進行實驗對比分析，以下為部分實驗結果。

圖5 基于通視性分析的航路規劃方法

表2 實驗任務的航程和規劃耗時

由實驗結果可以看出對于廣闊的海洋環境而言，無論海洋環境約束區域簡單或是復雜，基于通視性分析的航路規劃方法快速地規劃出比較滿意的航路。在簡單環境下，基于通視性分析的規劃方法與傳統A*算法規劃得到的結果相差不大，但是速度優于后者；而在很復雜的環境下，基于通視性分析的規劃方法明顯規劃耗時小，規劃速度快，但后者規劃出的航路距離短一些，航路更優一些。因此基于通視性分析的航路規劃方法規劃速度快，但航路的最優性打了折扣，適合于對速度要求較高但航路最優性要求不是太高的情況。

6 結語

本文首先對水下無人航行器航路規劃問題進行了簡單概述，然后對復雜的海洋環境水下規劃空間進行了建模，最后在該規劃空間下研究了基于通視性分析的快速航路規劃方法，給出了該方法的流程步驟，經過實驗與仿真得出結論。針對復雜廣闊的航洋環境，基于通視性分析的航路規劃方法能夠快速地規劃出滿足約束條件的較優航路，且較傳統A*規劃算法速度優勢明顯，給任務要求對速度要求較高但航路最優性要求不高的情況，如實時規劃［11～12］，快速規劃等，提供了一種有效地解決方法。