技术领域本发明属于机器人路径规划技术领域，具体涉及一种基于热传导路径拓扑优化的水下滑翔机巡航路径规划方法。技术背景水下滑翔机作为机器人的一种，其常见的路径规划方法可以分为四大类，分别是：模板匹配法、人工势场法、地图构建法和人工智能规划法；其中模板匹配法过于依赖已有的模板，对于陌生环境适应能力很差；人工势场法容易陷入局部最优解，难以适应高低错落的复杂地形；地图构建法必须依靠精细的网格划分才能得到令人满意的结果，计算量大，无法保证实时性，尤其在三维空间中计算更加困难；人工智能规划法需要较长的前期学习过程，实时性差，尤其在陌生的环境中延迟明显。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于热传导路径拓扑优化的水下滑翔机巡航路径规划方法，将路径规划问题等效为热传导问题予以解决，提高了规划的速度和结果的质量。为达到上述目标，本发明采取的技术方案为：一种基于热传导路径拓扑优化的水下滑翔机巡航路径规划方法，包括以下步骤：1)确定热源、导热管起始生长点及出热口位置：将路径规划问题等效为热传导问题，设定机器人出发点为出热口和导热管起始生长点，终点为热源；2)确定导热管的生长方向：以生长点为起始点分别向周边各个方向生长出一段固定长度L的导热管，然后利用热刚度等效法计算导热管布置在不同方向时的散热弱度函数C，并将散热弱度取得最小值Cmin时的方向确定为导热管的最终生长方向，其它方向则全部剔除；具体步骤如下：2.1)建立传热结构有限元模型，并求解：首先按照路径规划空间的形状等效地建立传热结构有限元模型，这个模型称为基结构；对于二维及三维空间中的避障问题，在建模时，障碍物区域的导热系数定为ke10-2W/(m*K)，有阻碍作用的区域导热系数ke根据阻碍作用大小进行线性取值，阻碍作用越大，导热系数越小，可运动区域的导热系数ke取一个极大值；此外，对于有起伏落差的规划空间问题，将其等效为二维平面上的传热问题，取消高度维度，将高度变化等效为该区域的热传导难度系数，使用各向异性的导热材料建立基结构，并分别定义每个单元两个主方向上的导热系数；每个单元各个坐标方向上的导热系数ke由下式确定：ke=kxekye=1/dx1+(∂h/∂x)2001/dy1+(∂h/∂x)2·kx0ky0]]>上式中的单位为W/(m*K)；为考虑高度变化及该区域的通过难度后得到的各个单元在二维平面两个主方向上的导热系数；为各单元在二维平面两个主方向上的初始导热系数；dx、dy分别表征水下滑翔机沿二维平面两个主方向通过本区域的难度系数，由本区域的粗糙度、阻力自然因素决定；为本区域的高度h对两个主方向的偏导数；提取基结构的热传导刚度矩阵KKG，假设整个基结构有n个节点，则矩阵KKG为n阶矩阵；然后在基结构上按照步骤1)所述加载热源，并设定出热口的约束温度为0℃；求解基结构，提取出受载信息、约束信息、节点信息、单元信息，其中受载信息包括热源所在节点编号及坐标、热流量大小；约束信息包括出热口节点编号及坐标、出热口约束温度；节点信息包括所有节点的编号及坐标；单元信息包括每个单元的编号以及组成每个单元的节点编号；2.2)求解导热管的单元热传导刚度矩阵K：设定每次生长出的导热管长度L不超过基结构长度的1/10及基结构宽度的1/4；求解导热管在基结构所在坐标系下的单元热传导刚度矩阵K，K是2阶矩阵；2.3)进行热刚度等效处理，求解等效转换矩阵T：转换矩阵T由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵H0，即求解H：H=H1,1...H1,i...H1,nH2,1...H2,i...H2,n,]]>上式中：Hj,i＝max[0,(1-ri,j)4]×(4×ri,j+1)，ri,j=(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2/dsp,(i=1,2......n,j=1,2),]]>上式取基结构n个节点中的一个节点i，定义该点坐标为xi、yi、zi；取导热管上2个节点中的一个节点j，定义该点坐标为xj、yj、zj；dsp值为基结构两个相邻节点间距离的2-10倍；求解H0：其中：H0p,q=max[0,(1-rp,q)4]×(4×rp,q+1)]]>rp,q=(xp-xq)2+(yp-yq)2+(zp-zq)2/dsp,(p=1,2,......n,q=1,2......n)]]>上式取基结构n个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和xq、yq、zq；dsp值为基结构两个相邻节点间距离的2-10倍；2.4)求出总热传导刚度矩阵KBB：通过KBB＝TT·K·T+KKG得到总热传导刚度矩阵KBB；2.5)计算散热弱度函数C：利用总热传导刚度矩阵KBB以及受载信息求出每个节点的温度，并依次存入温度列向量UUG中，继而求出散热弱度函数，散热弱度函数J＝UUGT·KBB·UUG；2.6)确定生长方向：按照步骤2.1)-步骤2.5)，分别求出导热管在不同生长角度下的单元热传导刚度矩阵K，并进一步求出该生长角度下的散热弱度C，找出其中的最小的散热弱度Cmin，最小的散热弱度Cmin所代表的方向即为导热管应当生长的方向，导热管便沿该方向生长出长为L的一段；3)迭代生长：步骤2)最终生长出一段新的导热管，然后以新生导热管末端为下一次迭代生长点，重复步骤2)使导热管继续生长，直到导热管生长到距离出热口不足L为止，此时停止迭代并将导热管末端与出热口相连；4)平滑处理：对得到的导热管结构进行平滑处理，将折线状的导热管处理成平滑的曲线，这条曲线即为水下滑翔机的路径。上述的基结构建立方法适用于水下滑翔机以及类似的全地形无人小车、无人飞机、导弹、航班的路径规划问题。本发明的有益效果为：由于本方法使用散热弱度这一全局评价标准确定路径，所以最终结果可以有效避免局部最优解，防止水下滑翔机进入陷阱结构；由于本方法使用热在结构中的传导来模拟水下滑翔机路径规划，所以结果天然具有物理意义，规划出的路径必然为整个规划空间中受阻碍作用最小的路径；由于本方法可以使用导热系数模拟通过某区域的难易程度，所以本方法不仅适用于避障问题，还可用于解决地形高度起伏不定、水体或空气密度不均的连续空间路径规划问题，所以也同样适用于水下机器人、无人飞机、全地形车的路径规划；由于本方法利用生长式拓扑优化方法，所以提高了路径规划的速度和质量；由于本方法使用了热刚度等效法处理有限元网格，所以导热管两端不必如传统拓扑优化方法中一样固结在人为建立的节点上，如图1所示，热刚度等效法是将导热管的热刚度等效加入到基结构当中，从而帮助导热管两个端点脱离基结构节点，实现导热管的自由布置，因而得到的结果更接近最优。附图说明图1为热刚度等效法的原理示意图。图2为实施例中最终得到的规划路径示意图。图3为实施例中最终得到的规划路径俯视图。具体实施方式下面结合流体特性完全一致的8km*8km海底起伏地形上规划水下滑翔机路径的实施例对本发明作进一步说明。一种基于热传导路径拓扑优化的水下滑翔机巡航路径规划方法，包括以下步骤：1)确定热源、导热管起始生长点及出热口位置：将路径规划问题等效为热传导问题，设定机器人出发点为出热口和导热管起始生长点，终点为热源；2)确定导热管的生长方向：以生长点为起始点分别向周边各个方向生长出一段长为0.65km的导热管，然后利用热刚度等效法计算导热管布置在不同方向时的散热弱度C，并将散热弱度取得最小值Cmin时的方向确定为导热管的最终生长方向，其它方向则全部剔除；具体步骤如下：2.1)建立传热结构有限元模型，并求解：取水平面为XY平面，建立二维直角坐标系，使用各向异性导热材料建立8km*8km平面正方形有限元模型，模型选用0.2km*0.2km的正方形网格进行划分，将其作为基结构；分别定义每个单元X、Y两个主方向上的导热系数，其方法如下：每个单元各个主方向上的导热系数ke由下式确定：ke=kxekye=1/dx1+(∂h/∂x)2001/dy1+(∂h/∂x)2·kx0ky0]]>上式中的单位为W/(km*K)；为考虑高度变化及该区域的通过难度后得到的各个单元在二维平面两个主方向上的导热系数；为各单元在二维平面两个主方向上的初始导热系数，在本实施例中设为50W/(km*K)；dx、dy分别表征水下滑翔机沿二维平面两个主方向通过本区域的难度系数，由于本实施例中各区域的流体特性一致，但滑翔机需要躲避敌人的探测声呐，所以在敌方声呐区有dx＝dy＝15，其它地方dx＝dy＝1；为基结构有限元网格的高度值h对二维平面两个主方向的偏导数；提取基结构的热传导刚度矩阵KKG，因为基结构有1681个节点，则矩阵KKG为1681阶矩阵；然后在基结构上按照步骤1)所述加载热源，并设定出热口的约束温度为0℃；求解基结构，提取出受载信息、约束信息、节点信息、单元信息，其中受载信息包括热源所在节点编号及坐标、热流量大小；约束信息包括出热口节点编号及坐标、出热口约束温度；节点信息包括所有节点的编号及坐标；单元信息包括每个单元的编号以及组成每个单元的节点编号；2.2)求解导热管的单元热传导刚度矩阵K：设定每次生长出的导热管长度为0.65km；求解导热管在基结构所在坐标系下的单元热传导刚度矩阵K，K是2阶矩阵；2.3)进行热刚度等效处理，求解等效转换矩阵T：转换矩阵T由两个矩阵点乘得到，分别记为矩阵H和矩阵H0，即求解H：H=H1,1...H1,i...H1,1681H2,1...H2,i...H2,1681,]]>其中：Hj,i＝max[0,(1-ri,j)4]×(4×ri,j+1)，ri,j=(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zi-zj)2/dsp,(i=1,2......1681,j=1,2),]]>上式取基结构1681个节点中的一个节点i，定义该点坐标为xi、yi、zi；取导热管上2个节点中的一个节点j，定义该点坐标为xj、yj、zj；dsp值为1；求解H0：其中：H0p,q=max[0,(1-rp,q)4]×(4×rp,q+1),]]>rp,q=(xp-xq)2+(yp-yq)2+(zp-zq)2/dsp,(p=1,2......1681,q=1,2......1681),]]>上式取基结构1681个节点中的两个节点p和q，定义这两点坐标分别为xp、yp、zp和xq、yq、zq；dsp值为1；2.4)求出总热传导刚度矩阵KBB：通过KBB＝TT·K·T+KKG得到总热传导刚度矩阵KBB；2.5)计算散热弱度函数C：利用总热传导刚度矩阵KBB以及受载信息求每个节点的温度，并依次存入温度列向量UUG中，继而求出散热弱度函数，散热弱度函数J＝UUGT·KBB·UUG；2.6)确定生长方向：按照步骤2.1)-步骤2.5)，分别求出导热管在不同生长角度下的单元热传导刚度矩阵K，并进一步求出该生长角度下的散热弱度C，找出其中的最小的散热弱度Cmin，最小的散热弱度Cmin所代表的方向即为导热管应当生长的方向，导热管便沿该方向生长出长0.65km的一段；3)迭代生长：步骤2)最终生长出一段导热管，然后以新生导热管末端为下一次迭代生长点，重复步骤2)使导热管继续生长，直到导热管生长到距离出热口不足0.65km为止，此时停止迭代并将导热管末端与出热口相连；4)平滑处理：对得到的导热管结构进行平滑处理，将折线状的导热管处理成平滑的曲线，这条曲线即为水下滑翔机的路径。如图2、图3所示，利用本发明提出的方法，最终可以得到水下滑翔机的行进路线，从图中可以看到本方法得到了一条能够有效躲避障碍区域，且适应丘陵地带的最短路线。