一种用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法

本发明属于海洋无人航行器自主导航与路径规划，具体涉及一种用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法。

背景技术：

1、台风是一种强对流灾害性天气系统，常伴随强风、暴雨、巨浪和风暴潮等极端海洋气象现象，对沿海地区及海上活动具有显著影响。台风结构演变与强度变化与海气界面的能量、水汽及动量交换过程密切相关，而台风核心区域的原位观测数据对于揭示台风的生成及演化过程具有重要意义。然而受恶劣海况和观测条件的限制，现阶段针对上述关键区域的原位观测仍较为有限。

2、现有台风观测手段主要包括有人飞机侦察、下投式探空仪、系泊浮标、漂流浮标、剖面浮标、水下滑翔机及其他海洋观测平台。有人飞机侦察和下投式探空仪能够获取台风内部高时空分辨率观测数据，但存在连续跟踪能力和长期驻留能力不足的缺点；系泊浮标、漂流浮标和剖面浮标分别属于固定布放、随流漂移和预定水层漂移观测平台，均难以实现对目标区域的主动追踪；波浪滑翔机虽具备一定自主导航与水面机动能力，但其机动能力仍然有限；水下滑翔机适于长期海洋剖面观测和连续监测海洋特征，但不具备海气界面直接连续观测能力。因此，上述观测方式在连续追踪、主动追踪、水面机动以及海气界面协同观测等方面均存在一定局限。近年来，以风能驱动、太阳能供电的无人帆船为代表的无人海面观测平台，具有自主航行时间长、水面机动能力较强、可主动追踪目标、能够实现海气界面多参数连续观测且适于执行高风险海域观测任务等优点，能够有效克服部分传统观测手段在连续跟踪、主动跟踪、机动能力及海气界面观测等方面的局限，在台风核心区域观测领域展现出较好的应用前景。

3、然而，现有相关研究更多集中在无人帆船的部署策略与台风遭遇概率分析，主要通过历史台风路径、风圈范围、未来路径预测以及帆船航向能力来估计适宜的部署区域，尚缺少针对无人帆船主动进入目标台风区域过程的系统性路径规划方法。无人帆船进入台风任务并非传统静态航路规划问题，而是面向动态目标、受复杂海洋环境约束的全局路径规划问题。该任务中，台风核心区域位置及影响范围随时间动态变化，环境中同时存在风场、海流、波浪等多源扰动，无人帆船的航行能力又受到风速、风向、海流以及平台性能约束的共同影响，因此传统固定终点、静态环境下的路径规划方法难以直接适用。

4、因此，现有技术至少存在以下不足：缺少面向无人帆船进入台风任务的全局路径规划方法；缺少综合考虑台风预测信息、海洋环境扰动及无人帆船运动性能约束的统一建模方法；缺少兼顾目标接近效率、任务成功率和平台运行安全性的路径优化机制；同时，也缺少适用于动态目标条件下持续修正和更新的航迹规划技术。基于此，有必要提出一种适用于无人帆船进入台风核心区域任务的路径规划方法，以提高无人帆船接近目标区域的成功率、观测效率和运行安全性。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在上述问题，本发明的目的是提供一种用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法。

2、一种用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，包括以下步骤：

3、获取台风数据和无人帆船状态数据，构建台风预测风场和台风运动模型，并确定目标捕获区域；

4、以本轮规划时刻的台风中心为参考原点建立固定局部平面坐标系，并建立随台风中心运动的相对坐标系；

5、计算无人帆船起始位置至台风预测轨迹的最短距离e以及至本轮规划时刻台风中心的距离d，以e/d作为初始位置态势指标，并根据预设映射关系确定本轮规划的轨迹偏离惩罚权重；

6、在所述相对坐标系下构建由空间网格和时间桶组成的三维搜索空间，基于局部预测风场和无人帆船速度预测模型获得候选航向对应的无人帆船速度，并结合对应时刻的台风中心平移速度推演后继节点；

7、将所述后继节点映射至相应空间网格和时间桶，采用k-bucket机制在同一空间网格和时间桶内保留不超过k个候选状态，并基于累计航行代价、目标逼近代价、由轨迹偏离惩罚权重加权的节点轨迹偏离代价以及航向变化代价对候选状态进行评价和扩展，直至获得进入所述目标捕获区域的相对规划路径；

8、将所述相对规划路径转换为地理坐标系下的绝对航迹并控制无人帆船航行；当下一重规划时刻到来时仍未进入所述目标捕获区域时，基于更新后的台风数据和无人帆船状态数据重新进行路径规划。

9、本发明的有益效果是：

10、本发明通过建立固定局部平面坐标系以及随台风中心运动的相对坐标系，将持续移动的台风目标转换为适用于路径搜索的动态目标模型；同时结合无人帆船速度预测模型以及台风中心平移速度，对候选航向下的无人帆船运动状态进行推演，使路径规划过程能够同时考虑台风运动趋势和无人帆船自身航行能力，提高无人帆船进入动态台风目标区域的路径可执行性。

11、本发明通过计算无人帆船起始位置与台风预测轨迹之间的偏离程度，并根据初始位置态势自适应调整轨迹偏离惩罚权重，使路径规划过程能够根据不同初始截击状态在接近当前台风中心和跟随台风未来运动趋势之间进行合理权衡，提高不同任务初始条件下的路径规划适应能力。同时，通过在三维时空搜索空间中引入k-bucket状态保留机制，对同一空间位置和时间状态下的多个候选路径状态进行筛选保留，并结合目标距离、路径偏离以及航向变化等因素进行综合评价，在保证搜索有效性的同时降低无效状态扩展，提高路径搜索稳定性。

12、本发明进一步结合迎风禁航约束、最小可航船速约束以及连续偏离步数限制，使无人帆船能够在换舷或绕开不可航区域时进行有限程度的路径调整；并通过周期性更新台风预测信息和无人帆船状态重新进行路径规划，持续修正预测误差和航行偏差对路径执行造成的影响，从而提高无人帆船进入动态台风核心区域任务的可靠性。

1.一种用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，在每一重规划时刻，根据当前台风最大风速以及各象限风圈半径反演本轮规划采用的台风最大风速半径和各象限风场径向衰减参数；所述台风最大风速半径和各象限风场径向衰减参数在本轮重规划周期内保持不变，并在下一重规划时刻根据更新后的台风数据重新反演；将所述台风最大风速半径作为本轮规划的目标捕获半径。

3.根据权利要求2所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，根据后续多个预测时效点的台风中心位置和最大风速进行时间插值，获得连续时间下的台风中心预测轨迹和最大风速变化关系，并将其与本轮反演得到的台风最大风速半径及各象限风场径向衰减参数结合，构建各预测时刻对应的二维台风预测风场。

4.根据权利要求1所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，所述无人帆船速度预测模型为vpp模型，以节点处的真风速以及候选航向与来流风向之间的相对风向角为输入，以相应候选航向下的无人帆船对水船速为输出；

5.根据权利要求1所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，所述固定局部平面坐标系用于统一表示无人帆船位置和台风预测中心轨迹；对于任一预测时刻，确定台风预测中心相对于本轮规划时刻台风中心的位移，并以无人帆船位置与对应时刻台风预测中心位置之差表示无人帆船的相对位置，使所述目标捕获区域的中心在所述相对坐标系中保持为坐标原点。

6.根据权利要求1所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，在本轮规划时刻之后的预设时间窗口内，对台风预测中心位置进行采样，并在所述固定局部平面坐标系中按时间顺序连接形成台风预测轨迹折线；

7.根据权利要求4所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，以当前节点指向目标捕获区域中心的方向为参考生成多个候选航向，并根据迎风禁航区、最小可航船速以及最大允许单步转向角筛选候选航向；

8.根据权利要求1所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，对于落入同一空间网格和时间桶内的候选状态，当第一候选状态的累计代价、剩余目标距离和路径偏离程度均不大于第二候选状态，且第一候选状态的闭合速度不小于第二候选状态，并至少一项评价指标严格优于第二候选状态时，判定第一候选状态支配第二候选状态并剔除第二候选状态；

9.根据权利要求6所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，对于后继节点，将其相对位置与该后继节点对应时刻的台风预测中心位移进行坐标合成，得到所述后继节点在固定局部平面坐标系中的位置，并将该位置至所述台风预测轨迹折线的最短距离作为节点轨迹偏离代价；

10.根据权利要求5所述的用于无人帆船进入台风核心区域的全局路径规划方法，其特征在于，当当前扩展节点至所述相对坐标系原点的距离不大于本轮目标捕获半径时，沿父节点关系回溯得到所述相对规划路径；