一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法

摘要

本发明提供一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法，根据UUV指控系统下达的作业海区，调取相应区域的电子海图，构建禁航区；根据UUV指控系统下达的使命任务，结合构建禁航区，规划作业航路；根据UUV的规划航路，结合其机动特性，完成初始地理围栏的离线构建；根据UUV的运行状态，结合其机动特性，完成地理围栏的在线滚动更新。本发明通过结合UUV使命任务、机动特性、电子海图以及UUV运行状态构建离线初始地理围栏并在线滚动更新，有效提升其在威胁环境航行的适应性和生存力。

权利要求

1.一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法，其特征在于，具体的实现步骤为：

步骤1.根据UUV指控系统下达的作业海区，调取相应区域的电子海图，构建禁航区；

步骤2.根据UUV指控系统下达的使命任务，结合构建禁航区，规划作业航路；

步骤3.根据UUV的规划航路，结合其机动特性，完成初始地理围栏的离线构建；

步骤3.1.在水平面上，以规划航路的起始点为圆心，以UUV允许偏移航路的最大距离为半径作圆，将该圆由规划航路的起始点沿该航路移动至终止点，保留上述过程中该圆扫过的全部区域；

步骤3.2.在垂直面上，根据UUV指控系统设定的各航段超深阈值和过浅阈值确定初始地理围栏的上下边界；

步骤3.3.将水平面和垂直面的几何区域与上下边界相结合，共同围成的三维空间区域，即UUV初始地理围栏；

步骤4.根据UUV的运行状态，结合其机动特性，完成地理围栏的在线滚动更新；

以UUV实际航行位置为圆心，以所在航段期望速度所需的制动距离为半径，在水平面实时构建圆形区域，得到滚动更新的地理围栏；

当UUV进入作业海区后，立即启用初始地理围栏；当UUV开始沿规划航路执行使命任务时，立即触发滚动更新的地理围栏，当受海流影响超出滚动更新的地理围栏时，UUV调整航向返回地理围栏以内；当UUV滚动更新的地理围栏边界与初始地理围栏发生交界时，UUV紧急制动停车。

2.根据权利要求1所述的一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法，其特征在于：所述步骤1的禁航区由点状禁航区、规则形禁航区、复杂形禁航区三部分构成，点状禁航区为以浮标、锚船所在位置为圆心，以安全距离为半径的圆形区域；规则形禁航区为雷区、军事基地、海产养殖区各区边界顶点顺序连接围成的规则区域；复杂形禁航区为浅水区、岛屿、礁石区各区边界顶点顺序连接围成的不规则区域。

说明书

一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法

技术领域

[0001] 本发明属于水下无人航行器领域，具体涉及一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法。

背景技术

[0002] 水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)作为人类在海洋活动中的重要替代者和执行者，已被广泛应用于科学考察、深海作业、打捞救生等领域。随着UUV应用
领域扩展，其数量以及种类不断增加，需要提升其威胁环境适应性和生存力，限制航行区
域，对其水下航行加强监管。

[0003] UUV在水下执行任务时，由于海洋环境复杂,无线电、无线网络、北斗、GPS等通讯及导航设备均失效，且UUV为大惯性载体，极易因制动不及时而驶离设定的作业区域、进入无
法通过传感器识别的危险或禁航区域，如雷区、海产养殖区、军事基地等。因此，通过构建地
理围栏，划定UUV允许航行的安全区域，对提升UUV在威胁环境中航行与作业的安全性和生
存力十分重要。查阅国内外相关文献以及专利库，传统的地理围栏构建，如《用于移动地理
围栏的系统和方法》、《由多个分量形状构成的虚拟地理周界》，多集中于智能体静态禁行区
域的设定，并未结合智能体的规划作业任务将可行的动态作业区域考虑入内，且未实现对
地理围栏的实时更新，不利于UUV适应水下环境威胁，不能满足实际工程需求。本专利结合
UUV使命任务、机动特性、电子海图以及UUV运行状态构建离线初始地理围栏并在线滚动更
新，可以有效解决以上问题。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供了一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法，提升了UUV在威胁环境下航行的适应性和生存力，避免其因制动不及时而驶离设定的作
业区域、进入无法通过传感器识别的危险或禁航区域。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：

[0006] 一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法，具体的实现步骤为：

[0007] 步骤1.根据UUV指控系统下达的作业海区，调取相应区域的电子海图，构建禁航区；

[0008] 步骤2.根据UUV指控系统下达的使命任务，结合构建禁航区，规划作业航路；

[0009] 步骤3.根据UUV的规划航路，结合其机动特性，完成初始地理围栏的离线构建；

[0010] 步骤4.根据UUV的运行状态，结合其机动特性，完成地理围栏的在线滚动更新。

[0011] 所述步骤1的禁航区由点状禁航区、规则形禁航区、复杂形禁航区三部分构成，点状禁航区为以浮标、锚船所在位置为圆心，以安全距离为半径的圆形区域；规则形禁航区为
雷区、军事基地、海产养殖区各区边界顶点顺序连接围成的规则区域；复杂形禁航区为浅水
区、岛屿、礁石区各区边界顶点顺序连接围成的不规则区域。

[0012] 所述步骤3的具体内容为：

[0013] 步骤3.1.在水平面上，以规划航路的起始点为圆心，以UUV允许偏移航路的最大距离为半径作圆，将该圆由规划航路的起始点沿该航路移动至终止点，保留上述过程中该圆
扫过的全部区域；

[0014] 步骤3.2.在垂直面上，根据UUV指控系统设定的各航段超深阈值和过浅阈值确定初始地理围栏的上下边界；

[0015] 步骤3.3.将水平面和垂直面的几何区域与上下边界相结合，共同围成的三维空间区域，即UUV初始地理围栏。

[0016] 所述步骤4的具体内容为以UUV实际航行位置为圆心，以所在航段期望速度所需的制动距离为半径，在水平面实时构建圆形区域，得到滚动更新的地理围栏。

[0017] 所述的UUV地理围栏对UUV航行区域进行约束限制的具体内容为：当UUV进入作业海区后，立即启用初始地理围栏；当UUV开始沿规划航路执行使命任务时，立即触发滚动更
新的地理围栏，当受海流影响超出上述地理围栏时，UUV调整航向返回地理围栏以内；当UUV
滚动更新的地理围栏边界与初始地理围栏发生交界时，UUV紧急制动停车。

[0018] 本发明的有益效果在于：考虑到UUV为大惯性载体，极易因制动不及时而驶离设定的作业区域、进入无法通过传感器识别的危险或禁航区域，本发明通过结合UUV使命任务、
机动特性、电子海图以及UUV运行状态构建离线初始地理围栏并在线滚动更新，有效提升其
在威胁环境航行的适应性和生存力。

附图说明

[0019] 图1为本发明更新流程图。

[0020] 图2为本发明更新示意图。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图对本发明做进一步的描述：

[0022] 实施例1

[0023] 本发明提供一种UUV地理围栏的离线初始构建与在线滚动更新方法。

[0024] 一种UUV地理围栏的离线构建初始构建与在线滚动更新方法，以计算机程序的方式嵌入到UUV的导航与控制计算机中，具体包括如下步骤：根据UUV指控系统下达的作业海
区，调取相应区域的电子海图，构建禁航区；根据UUV指控系统下达的使命任务，结合构建禁
航区，规划作业航路；根据UUV的规划航路，结合其机动特性，完成初始地理围栏的离线构
建；根据UUV的运行状态，结合其机动特性，完成地理围栏的在线滚动更新。本发明可避免
UUV驶离设定的地理围栏、进入危险或禁航区域，提升UUV在威胁环境航行与作业的安全性
和生存力。

[0025] 所述方法以计算机程序的方式嵌入到UUV的导航与控制计算机中，具体包括如下步骤：根据UUV指控系统下达的作业海区，调取相应区域的电子海图，构建禁航区；根据UUV
指控系统下达的使命任务，结合构建禁航区，规划作业航路；根据UUV的规划航路，结合其机
动特性，完成初始地理围栏的离线构建；根据UUV的运行状态，结合其机动特性，完成地理围
栏的在线滚动更新。

[0026] 所述禁航区由点状禁航区、规则形禁航区、复杂形禁航区三部分构成。点状禁航区为以浮标、锚船所在位置为圆心，以安全距离为半径的圆形区域；规则形禁航区为雷区、军
事基地、海产养殖区各区边界顶点顺序连接围成的规则区域；复杂形禁航区为浅水区、岛
屿、礁石区各区边界顶点顺序连接围成的不规则区域。

[0027] 所述根据UUV的规划航路，结合其机动特性，完成初始地理围栏的离线构建方法为:

[0028] 在水平面上，以规划航路的起始点为圆心，以UUV允许偏移航路的最大距离为半径作圆，将该圆由规划航路的起始点沿该航路移动至终止点，保留上述过程中该圆扫过的全
部区域；在垂直面上，根据UUV指控系统设定的各航段超深阈值和过浅阈值确定初始地理围
栏的上下边界；将水平面和垂直面的几何区域与上下边界相结合，共同围成一三维空间区
域，即UUV初始地理围栏。

[0029] 所述根据UUV的运行状态，结合其机动特性，完成地理围栏的在线滚动更新方法为：

[0030] 以UUV实际航行位置为圆心，以所在航段期望速度所需的制动距离为半径，在水平面实

[0031] 时构建圆形区域，得到滚动更新的地理围栏。

[0032] 根据UUV地理围栏对UUV航行区域进行约束限制的具体方法为：当UUV进入作业海区后，立即启用初始地理围栏；当UUV开始沿规划航路执行使命任务时，立即触发滚动更新
的地理围栏，当受海流影响超出上述地理围栏时，UUV调整航向返回地理围栏以内；当UUV滚
动更新的地理围栏边界与初始地理围栏发生交界时，UUV紧急制动停车

[0033] 实施例2

[0034] UUV执行任务前，由指控系统规划UUV作业海区，调取作业海区对应电子海图。通过电子海图获取作业海区内的浮标、锚船、雷区、军事基地、海产养殖、浅水区、岛屿、礁石区等
区域信息，将以上区域信息根据形状特性对应生成点状禁航区、规则形禁航区和复杂形禁
航区。

[0035] 点状禁航区为以浮标、锚船所在位置为圆心，以安全距离为半径的圆形区域；雷区、军事基地、海产养殖区形状规则，边界顶点少，规则形禁航区为雷区、军事基地、海产养
殖区边界顶点顺序连接围成的规则区域；浅水区、岛屿、礁石区形状复杂，首先采用凸壳算
法简化边界，复杂形禁航区为简化后的浅水区、岛屿、礁石边界顶点顺序连接围成的不规则
区域。

[0036] 根据生成的禁航区，在作业海区内，规划UUV作业航路。UUV作业航路规划采用分航段的方式，每个航段包括起点终点坐标、航行深度、航行速度，且前一航段起点即为后一航
段终点。UUV指控系统发送规划航路给UUV任务计算机，任务计算机接收并存储规划航路。

[0037] 任务计算机根据UUV的规划航路，构建三维空间的UUV初始地理围栏。在水平面上，分别以规划航路的起点和终点为圆心，以水面指控系统预先设置的偏移航路最大允许距离
为半径作圆，将该圆由规划航路的起点沿该航路移动至终点，水平面上的区域为该圆扫过
的全部区域；在垂直面上，为UUV指控系统设定的各航段超深阈值和过浅阈值确定初始地理
围栏的上下边界；将水平面和垂直面的几何区域与上下边界相结合，共同围成一三维空间
区域，即UUV初始地理围栏。UUV未进入作业区域时，其初始地理围栏为禁用状态，当其驶入
作业区域，激活初始地理围栏。

[0038] UUV沿规划航路执行使命任务时，任务计算机立即触发滚动更新的地理围栏，以其实际的航行位置为圆心，以预先设定的航段期望速度所需的制动距离为半径，实时构建水
平的圆形区域，不断滚动更新地理围栏。当受海流影响超出上述地理围栏时，UUV调整航向
返回地理围栏以内；当UUV滚动更新的地理围栏边界与初始地理围栏发生交界时，UUV紧急
制动停车。

[0039] 一种UUV地理围栏的离线构建初始构建与在线滚动更新方法，以计算机程序的方式嵌入到UUV的导航与控制计算机中，具体包括如下步骤：根据UUV指控系统下达的作业海
区，调取相应区域的电子海图，构建禁航区；根据UUV指控系统下达的使命任务，结合构建禁
航区，规划作业航路；根据UUV的规划航路，结合其机动特性，完成初始地理围栏的离线构
建；根据UUV的运行状态，结合其机动特性，完成地理围栏的在线滚动更新。本发明可避免
UUV驶离设定的地理围栏、进入危险或禁航区域，提升UUV在威胁环境航行与作业的安全性
和生存力。