專利名稱：一種智能水下機(jī)器人的自主避障方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種智能水下機(jī)器人避障方法，具體是一種將水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、障礙物和水下機(jī)器人控制性能進(jìn)行統(tǒng)一考慮來實(shí)現(xiàn)避障的方法。
背景技術(shù)：
智能水下機(jī)器人在海洋科學(xué)研究、海洋開發(fā)、水下工程以及軍事等方面都有廣泛的應(yīng)用前景。智能水下機(jī)器人一般工作在復(fù)雜海洋環(huán)境下，為了更好地完成各種作業(yè)使命和其自身生命安全，其需要具有自主避障的能力，能夠?qū)χ車h(huán)境障礙物可能造成碰撞危險(xiǎn)進(jìn)行感知并做出相應(yīng)響應(yīng)。水下機(jī)器人的自主避障方式有很多種，如勢場法、模糊避碰法等等。勢場法是一種虛擬力法，其基本思想是將機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為一種虛擬的受力場中的運(yùn)動(dòng)。障礙物對(duì)機(jī)器人產(chǎn)生斥力，目標(biāo)點(diǎn)產(chǎn)生引力，引力和斥力的合力作為機(jī)器人的加速力，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和機(jī)器人的位置。該方法結(jié)構(gòu)簡單，便于底層的實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)避障，但其僅僅根據(jù)一些相對(duì)距離來確定控制力的大小比較粗糙，并且存在局部最優(yōu)解的問題，容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象。近些年一些學(xué)者將模糊推理的思想引入水下機(jī)器人避障技術(shù)方法中，其原理就是基于實(shí)時(shí)傳感器信息的模糊邏輯參考人的經(jīng)驗(yàn)，通過查表得到規(guī)劃信息，實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃，該方法克服了勢場法易產(chǎn)生的局部極小問題，適用于時(shí)變未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃，實(shí)時(shí)性較好，取得了一些成果，其缺點(diǎn)是人的經(jīng)驗(yàn)不一定完備的，輸入量增多時(shí)，推理規(guī)則和模糊表會(huì)急劇膨脹。但大多都未能夠充分考慮水下機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型與運(yùn)動(dòng)控制能力，因此將這些因素引入其避障策略中使其能夠真實(shí)反映動(dòng)態(tài)避障能力使之安全可靠地執(zhí)行各種作業(yè)任務(wù)具有重要的意義。2001年5月《機(jī)器人》第23卷第3期的“基于運(yùn)動(dòng)平衡點(diǎn)的水下機(jī)器人自主避障方式”提出將水下機(jī)器人的自主避障規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制結(jié)合起來的自主避障規(guī)劃方法。但該方法在確定運(yùn)動(dòng)平衡點(diǎn)安全距離時(shí)雖然考慮了水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制性能等因素，但其設(shè)計(jì)的安全距離值是一個(gè)定值，尤其沒有考慮水下機(jī)器人速度對(duì)避障能力的影響，并且在考慮水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制能力時(shí)也認(rèn)為是一成不變的，這些其實(shí)并不能真實(shí)反應(yīng)水下機(jī)器人在實(shí)際工作中的動(dòng)態(tài)變化情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種考慮水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型與運(yùn)動(dòng)控制能力的智能水下機(jī)器人避障方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的智能水下機(jī)器人的自主避障方法，包括以下步驟(I)根據(jù)作業(yè)任務(wù)和海圖數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行全局路徑規(guī)劃；(2)讀取水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)傳感器信息、避碰聲納數(shù)據(jù)信息；(3)計(jì)算水下機(jī)器人警戒安全距離，建立水下機(jī)器人安全虛擬外殼；
(4)判斷是否需要避障，若需要避障，執(zhí)行避障策略，重新執(zhí)行步驟(2)，若不需要避障，繼續(xù)執(zhí)行步驟(5);(5)判斷是否達(dá)到目標(biāo)，若未到達(dá)目標(biāo)重新執(zhí)行步驟(2)，若到達(dá)目標(biāo)，任務(wù)完成。將水下機(jī)器人的速度矢量信息引入所述的警戒安全距離，以安全警戒距離點(diǎn)構(gòu)建水下機(jī)器人安全虛擬外殼，水下機(jī)器人第i個(gè)自由度安全警戒距離Iii為hj = hi0+ a j · Vi其中，hi(l，為水下機(jī)器人第i個(gè)自由度的靜態(tài)避碰安全警戒距離，
代表機(jī)器人縱向、橫向和垂向，Vi為水下機(jī)器人第i個(gè)自由度方向上速度，
由度方向上速度敏感系數(shù)。所述的避障策略包括遠(yuǎn)距離制導(dǎo)和近距離逼近與定位兩部分I)障礙物和目標(biāo)點(diǎn)均在警戒距離以外，進(jìn)行遠(yuǎn)距離制導(dǎo) ex
i = 1,2,3 分別a i為第i個(gè)自
權(quán)利要求
1.一種智能水下機(jī)器人的自主避障方法，其特征在于包括以下步驟 (1)根據(jù)作業(yè)任務(wù)和海圖數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行全局路徑規(guī)劃； (2)讀取水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)傳感器信息、避碰聲納數(shù)據(jù)信息； (3)計(jì)算水下機(jī)器人警戒安全距離，建立水下機(jī)器人安全虛擬外殼； (4)判斷是否需要避障，若需要避障，執(zhí)行避障策略，重新執(zhí)行步驟(2)，若不需要避障，繼續(xù)執(zhí)行步驟(5)； (5)判斷是否達(dá)到目標(biāo)，若未到達(dá)目標(biāo)重新執(zhí)行步驟(2)，若到達(dá)目標(biāo)，任務(wù)完成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能水下機(jī)器人的自主避障方法，其特征在于將水下機(jī)器人的速度矢量信息引入所述的警戒安全距離，以安全警戒距離點(diǎn)構(gòu)建水下機(jī)器人安全虛擬外殼，水下機(jī)器人第i個(gè)自由度安全警戒距離Iii為 hi = hi0+ a j · Vi 其中，hi(l，為水下機(jī)器人第i個(gè)自由度的靜態(tài)避碰安全警戒距離，i = 1，2，3分別代表機(jī)器人縱向、橫向和垂向，Vi為水下機(jī)器人第i個(gè)自由度方向上速度，a i為第i個(gè)自由度方向上速度敏感系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種智能水下機(jī)器人的自主避障方法，其特征在于所述的避障策略包括遠(yuǎn)距離制導(dǎo)和近距離逼近與定位兩部分 O障礙物和目標(biāo)點(diǎn)均在警戒距離以外，進(jìn)行遠(yuǎn)距離制導(dǎo)
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種智能水下機(jī)器人的自主避障方法，其特征在于所述艏向角偏差ev的修正值為
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種智能水下機(jī)器人的自主避障方法，其特征在于所述艏向角偏差6￥的修正值為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種智能水下機(jī)器人避障方法，具體是一種將水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、障礙物和水下機(jī)器人控制性能進(jìn)行統(tǒng)一考慮來實(shí)現(xiàn)避障的方法。本發(fā)明包括以下步驟根據(jù)作業(yè)任務(wù)和海圖數(shù)據(jù)庫信息進(jìn)行全局路徑規(guī)劃；讀取水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)傳感器信息、避碰聲納數(shù)據(jù)信息；計(jì)算水下機(jī)器人警戒安全距離，建立水下機(jī)器人安全虛擬外殼；判斷是否需要避障；判斷是否達(dá)到目標(biāo)，若到達(dá)目標(biāo)，任務(wù)完成。本發(fā)明將水下機(jī)器人速度息的影響引入機(jī)器人避障策略中，將水下機(jī)器人局部避碰規(guī)劃與控制、水動(dòng)力性能相結(jié)合，制定的避障策略能夠反映智能水下機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障能力，提高了水下機(jī)器人的生存能力。
文檔編號(hào)G05D1/10GK102999050SQ20121053947
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者孫玉山, 萬磊, 龐永杰, 李岳明, 張國成, 張英浩, 李成濤 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)