水下机器人路径规划

欢迎各位老师和同学参加我的硕士论文答辩会 学生 韩志学导师 张铭钧教授专业 机械电子工程 海流作用下水下机器人区域探测规划方法 水下机器人也称作潜水器 UnderwaterVehicle 世界上第一台载人潜水器ArgonauttheFirst是由西蒙 莱克于1890年制造的 20世纪60年代到70年代中期是载人潜水器发展的鼎盛时期 其技术发展逐步成熟 在使用过程中人们发现并利用载人潜水器的优点 同时也暴露了其缺点和局限性 随着遥控技术与机械手技术的发展 人们开始进行无人潜水器的研究 1960年美国研制成功了世界上第一台系缆遥控式潜水器 RemotelyOperatedVehicles ROV CURV1 它与载人潜水器配合 在西班牙外海找到了一颗失落在海底的氢弹 由此引起轰动 但是 系缆式ROV的作业空间受到限制 系缆又经常与海底建筑 沉船 岩石等其它设施发生缠绕 不能在结构内部作业 同时 它要求母船具有良好的船位保持能力 这些缺点限制了它的应用 因此 在20世纪60年代 军事与工业部门开始注重无人无缆式潜水器 AutonomousUnderwaterVehicle AUV 的研究 与载人潜水器相比较 AUV具有安全 重量轻 尺寸小 造价低等优点 与ROV相比 AUV具有活动范围大 潜水深度深 可进入复杂结构中 不需要庞大水面支持等优点 AUV代表了未来潜水器的发展方向 是当今世界各国研究的热点 水下机器人国内外发展及研究现状 目前 许多国家的大学和研究机构都投入了大量的人力和物力用于AUV系统的研究和开发 在该领域 美国技术力量比较雄厚 其中有代表性的AUV系统有美国海军研究生院研制的 Phoenix 辛罕布什尔大学海洋系统工程实验室研制的 EAVEEAST 麻省理工学院研制的 Odyssey 佛罗里达大西洋大学与美国与美国派瑞技术有限股份公司研制的 OceanVoyager 等 日本在AUV的研究也处于领先地位 东京大学的URA实验室开发了许多不同功能的AUV 如 TwinBurger PTEROA150 等 图1为美国海军研制的AUV AUSS 图1美国的AUSS 图2 CR 01 6000米自治水下机器人 我国无人遥控潜水器及自主式水下机器人从六十年代中期就开始进行了一些探索性研究 七五 在863智能机器人主题下将水下机器人的开发研制列入国家重点攻关项目 八五 期间智能水下机器人技术得到了迅速发展 经过我国工程技术人员长期努力 先后研制了 海人一号 海人二号 水下试验床等 1995年8月 作为我国 八六三高科技发展战略 成果的 探索者一号 6000米无缆自治式水下机器人在太平洋的深海功能试验成功 此后 经过一年半的改造 命名为CR 01 图2 又于1997年5月再一次在太平洋圆满完成各项海底调查任务 这标志着我国在AUV研究方面已进入世界先进水平 Coordinatedvs RandomSearch withYangangZhang MarkSchervish StatisticsDept CarnegieMellon CoordinatedGuaranteesEfficientStronglocalizationrequirementsMoresensors RandomNoguaranteesInefficientNolocalizationrequirementsLowercomputerbudget 课题研究的目的与意义 区域探测是自主式水下机器人的主要应用之一 水下机器人区域探测是指在水下机器人对环境信息未知的情况下 根据给予的指令和探测到的信息 无遗漏的完成给定区域内所有目标的搜索 定位及识别 以往的水下机器人区域探测规划中一般不考虑海流的影响 这使得控制器在完成规划器输出轨迹及艏向实现上难以达到理想效果 且造成较大的附加能量消耗 由于工作环境的复杂性和不确定性 在水下机器人运动及作业过程中 海流对轨迹 航向控制等均有很大影响 单纯从控制方面改善和提高水下机器人的运动控制性能难以达到理想效果 本课题来源于总装备部跨部门预研项目 智能水下机器人 的研究课题 主要研究海流作用下的水下机器人区域探测规划方法 使水下机器人以尽可能短的时间和能量消耗来完成给定区域的探测任务 具有适复杂海洋环境的智能规划能力 论文主要研究内容 海流作用下边探测边识别区域探测规划方法设计海流作用下先探测后识别区域探测规划方法设计基于滚动窗口的探测区域内总体探测算法基于关键点的探测窗口内目标接近与识别基于模糊控制的两点间局部路径规划基于TSP最短路径问题的全局路径规划 作业环境与声呐配置 作业环境作业任务要求探测范围为2000 500m 探测环境未知 水下障碍物及目标的类型 大小 形状 分布未知 海流的大小 方向按要求设定 声呐配置水下机器人上配有前视探测声呐和3维成像声呐两种类型的声呐 其中前视探测声呐水平方向的开角为90度 最大探测范围为200m 3维成像声呐水平方向的开角为15度 最佳成像距离为10m 海流对水下机器人运动影响分析 水下机器人在有海流环境中航行时 不可避免要受到海流产生的流压力 矩 作用 其结果使水下机器人运动或转向的阻力发生变化 并产生漂流运动 流压力是水下机器人受到的最主要的环境力 其数值大小直接影响推力分配 由船舶操纵性理论可知 当海流方向与机器人首尾线垂直时 机器人所受的横向力最大 此外 当海流力作用中心与水下机器人回转中心不一致时 海流作用将使水下机器人产生转艏力矩 另一方面 当水下机器人受到流压时 本体将向流向漂移 从而产生阻止其漂移的水的反作用力 其结果也给水下机器人以转艏力矩 这种海流产生的转艏作用 一般通过 压舵 的方法来抵抗来流以保持航向 而保向所需的操舵量与流速的平方成正比 与机器人速度的平方成反比 并且流向越是靠近横向所需操舵量越大 因此在水下机器人路径规划中就应考虑海流作用 以减少为抵抗海流力所需的控制推力 提高机器人运动控制精度和减少能量消耗 边探测边识别探测规划方法设计 一单元划分区域探测的关键是无遗漏的探测出给定区域内的所有目标 并在给定的误差范围内确定目标的位置 由于水下机器人事先不知道目标的分布 数量及环境信息 所以必须使其传感器扫过区域内的每个点 以实现完全覆盖式探测 水下机器人在有海流的水域中航行时 海流的影响使水下机器人偏离预定轨迹和航向 因此 在对水下机器人进行路径规划时必须考虑海流的影响 使海流对水下机器人的影响尽量小 基于区域探测方法中最优分解的原理 把总探测区域分成与探测边界平行的单元区域 为了减少海流对水下机器人运动的影响 当海流方向更接近X轴时 既海流在经度方向的分量大于在纬度方向的分量时 进行横向单元分解 当海流方向更接近Y轴时 既海流在纬度方向的分量大于在经度方向的分量时 进行纵向单元分解 两种类型的单元划分如图3 4所示 说明 1 根据水下机器人探测声呐响应范围 把探测区域分成如图C1与C2两个单元 两个单元的方向与横向边界方向平行 大小为250m 2000m 2 考虑到水下机器人定位误差 传感器本身测量误差 及运动过程中海流等干扰的影响 单元的上下 左右边界各超出探测区域20m 两单元重叠20m 3 起始点 A 各分目标点 B C 及终止点 D 已知 作为水下机器人运动过程中已知的关键点 图3横向单元分解 C1 C2 C1 图4纵向单元分解 说明 1 根据水下机器人探测声呐响应范围把探测区域范围分成如图所示C1 C8八个单元 各单元的方向与纵向边界方向平行 大小为280m 540m 2 考虑到水下机器人定位误差 传感器本身探测误差 及运动过程中海流等干扰的影响 单元的左右边界各超出探测区域20m 靠近左右的两单元重叠25m 中间的5个单元重叠30m 3 起始点 A 各分目标点 B O 及终止点 P 已知 作为水下机器人运动过程中已知的关键点 C8 A B C O P Start End 二基于滚动窗口的探测区域总体探测算法 进行单元划分根据海流方向 水下机器人开始探测 水下机器人继续前进 发现有效目标 进行目标识别 未发现有效目标 图5边探测边识别总体探测算法原理框图 水下机器人首先根据海流大小 方向把探测区域划分为横向或纵向单元 然后前进一步并刷新当前探测窗口内的环境信息 如果当前探测窗口内没有目标 则机器人继续前进 如果发现目标 则机器人首先根据数据库中已标记目标的特征信息 来确定该目标是否是已侦察过的目标 即是否为有效目标 如果不是有效目标 则不响应声呐的返回信息 机器人继续前进 如果是有效目标 则转入探测窗口内目标接近与识别探测算法 当机器人完成一个单元的探测时 转入两点间路径规划算法来完成单元间的移动 当完成全部单元探测时 整个区域探测结束 其原理框图如图5所示 三基于关键点的探测窗口内目标接近与识别 确定局部中断点机器人运动到减速区 关键点并成像确定并运动到第一个 不可识别 第三个关键点确定并运动到 返回局部中断点对目标进行标记 可识别 关键点并成像确定并运动到第二个 图6边探测边识别探测窗口内探测算法原理框图 水下机器人在当前探测窗口内发现有效目标时 首先根据当前位置与目标的距离判断是否已到达减速区 如尚未达到减速区 机器人继续前进直至到达减速区 然后记录当前点作为局部中断点 在对目标进行识别时 首先根据声呐返回信息确定目标轮廓关键点 即目标的轮廓变化趋势有突变的点 再根据当前海流方向信息结合最佳3维成像距离确定目标探测关键点 然后水下机器人运动到探测关键点 调整好艏向 对目标进行成像 从而完成对目标的识别 其原理框图如图图6所示 四基于模糊控制的两点间局部路径规划 水下机器人探测窗口内关键点之间的运动及机器人偏航 返航及单元间移动部分均属机器人两点间路径规划问题 解决这一问题的基本算法有人工势场法 确定栅格法 模糊逻辑法等 人工势场法存在局部最优解问题 容易产生死锁现象 而确定栅格法存在信息存储量大 运算时间长的缺陷 不适合本文中对信息存取实时性要求 模糊逻辑法不需要环境的解析模型 并具有良好的实时性及对误差的不敏感性 可以避开传统算法中对机器人定位精确性 环境信息依赖性的缺点 因此 本文探讨了基于模糊逻辑的两点间路径规划方法 传统的水下机器人模糊规划器输入量只有单纯的距离信息 这使得水下机器人在可选择性操作时目的性不强 为克服这一缺陷 本文将水下机器人与当前目标点偏离的航向角也作为模糊规划器的输入变量之一 并在隶属度函数确定上 考虑了其正负性 使水下机器人始终遵循与当前目标点夹角为零的趋势运动 从而可以使得水下机器人运动行程尽量短 此外 本文的算法中还把海流方向与机器人当前方向的夹角也作为模糊输入量之一 来参与决策模糊规划器的输出 例如 当水下机器人前方有障碍时 根据海流方向信息来决定是左转还是右转 从而使水下机器人模糊推理进一步智能化和合理化 模糊化 反模糊化 模糊推理 模糊规则 水下机器人 环境信息 说明 1 水下机器人通过外部传感器获得环境信息 通过内部传感器感知水下机器人的当前状态 两种传感器的信息作为模糊规划器的输入 2 将传感器得到的精确量处理成模糊规划器能接受的模糊量 根据模糊推理规则给出模糊输出量 经反模糊化后得到精确输出量 3 上述过程不断被重复执行 直到机器人到达目标点 图7水下机器人模糊规划器 图8水下机器人模糊推理框图 先探测后识别规划方法设计 进行单元划分根据海流方向 水下机器人开始探测 继续探测直到探测完毕 发现有效目标 目标识别 未发现有效目标 较近目标 全局路径规划对未识别目标进行 较远目标 一基于滚动窗口的探测区域总体探测算法 水下机器人首先根据海流大小 方向划分探测区间 然后机器人前进一步并刷新当前探测窗口内的环境信息 如果当前探测窗口内没有有效目标 则机器人继续前进 如果发现有效目标 且目标与机器人当前距离在 较近 范围内 则机器人对目标进行接近和识别 否则 机器人只记下目标的位置 不对目标进行接近和识别 待区域全部探测完毕后 再采用全局路经规划算法来完成对所有未探测目标的识别 算法的原理框图如图9 图9先探测后识别总体探测算法原理框图 二基于TSP问题的全局路径规划算法 TSP问题是指给定一个城市集合和城市间的距离 求经过所有城市恰好一次的最短回路 目前对于该类问题的研究主要有两个方向 完全算法能保证得到最优解 但是运行时间是指数复杂度的 因而难以适应大规模的实例 近似算法则只要求找到近似解 而在多项式时间内结束 在水下机器人区域探测中 时间最少与能量最省是我们追求的目标 因此 综合评价函数要对应机器人实际行程以及行程与海流方向夹角两个参数 为了使水下机器人在路径规划中充分考虑海流影响 使水下机器人在探测时间和能量消耗上尽量减少 本文提出了当量行程的概念 在TSP问题中以当量行程代替实际行程 实际行程到当量行程的转化 主要是根据当前路径与海流方向的夹角来对实际行程赋予不同的权重 其总体原则是顶流走权重被赋为最小 横向来流时机器人权重被赋为最大 不同海流角的权重W 通过试验测定 在本文研究的具体问题中 由于目标数目比较少 为追求精确解 且试验证明求解时间不影响机器人信息处理实时性的情况下 采用如下方法来计算本文中的TSP问题 图10基于TSP问题的全局路径规划算法程序流程图 实验仿真 图11仿真程序界面 为了检验本文设计的区域探测规划方法的有效性和可行性 在计算机上进行了仿真研究 仿真程序采用基于Windows2000操作系统的VisualC 编程环境 仿真程序启动后 界面如图11所示 图12海流方向23度时边探测边识别方法的仿真结果 图13海流方向117度时边探测边识别方法的仿真结果 图14海流方向23度时先探测后识别方法的仿真结果 图15海流方向117度时先探测后识别方法的仿真结果 图16海流方向23度时目标接近与识别的仿真结果 图17海流方向67度时目标接近与识别的仿真结果 结论 对海流作用下水下机器人区域探测规划方法进行了探讨 提出了在规划阶段即考虑海流影响的思想 设计了边探测边识别和先探测后识别两种探测方法 提出了根据海流方向划分探测区间的单元划分方法 以尽