水下机器人路径规划

1、 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AUVAUV系统的研系统的研 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AUVAUV系统有美国海军系统有美国海军 研究生院研制的研究生院研制的“Phoenix”Phoenix”、辛罕布什尔大学海洋系统工程实验室研制的辛罕布什尔大学海洋系统工程实验室研制的“EAVE EAVE EAST”EAST”、麻省理工学院研制的麻省理工学院研制的“Odyssey”Odyssey”、佛罗里达大西洋大学与美国与美国派佛罗里达大

2、西洋大学与美国与美国派 瑞技术有限股份公司研制的瑞技术有限股份公司研制的“Ocean Voyager”Ocean Voyager”等。日本在等。日本在AUVAUV的研究也处于领先的研究也处于领先 地位，东京大学的地位，东京大学的URAURA实验室开发了许多不同功能的实验室开发了许多不同功能的AUVAUV，如如“Twin Burger”Twin Burger”、 “PTEROA150”“PTEROA150”等。图等。图1 1为美国海军研制的为美国海军研制的AUV-AUSSAUV-AUSS。 图图 1 1 美国的美国的AUSSAUSS 图图 2 “ 2 “CR-01”6000CR-01”6000米

3、自治水下机器米自治水下机器 人人 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，探索性研究，“七五七五”在在863863智能机器人主题下将水下机器人的开发研制列入国家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，重点攻关项目，“八五八五”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，先后研制了程技术人员长期努力，先后研制了“海人一号海人一号”、“海人二号海人二号”水下试验床等。水下试验床等。 19951995

4、年年8 8月，作为我国月，作为我国“八六三高科技发展战略八六三高科技发展战略”成果的成果的“探索者一号探索者一号”6000”6000米无米无 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，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， 命名为命名为CR-01CR-01（图图2 2），又于），又于19971997年年5 5月再一次在太平洋圆满完成各项海底调查任务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。这标志着我国在AUVAUV研究方面已进入世界先进水平。研究方面已进入世界先进水平。 AUVAUV路径规划及研究现状路径规划及研究现

5、状 Coordinated Guarantees Efficient Strong localization requirements More sensors 进行单元划分进行单元划分 根据海流方向根据海流方向 水下机器人开始探测水下机器人开始探测 水下机器人继水下机器人继 续续 前前 进进 发现有效目标发现有效目标 进行目标识别进行目标识别 未发现有效目标未发现有效目标 确定局部中断点确定局部中断点 机器人运动到减速区机器人运动到减速区 关键点并成像关键点并成像 确定并运动到第一个确定并运动到第一个 不可识别不可识别 第三个关键点第三个关键点 确定并运动到确定并运动到 返回局部中断点返回局

6、部中断点 对目标进行标记对目标进行标记 可可 识识 别别 关键点并成像关键点并成像 确定并运动到第二个确定并运动到第二个 图图6 边探测边识别探测窗口内探测算法原理框图边探测边识别探测窗口内探测算法原理框图 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，而栅格法、模糊逻辑法等，人工势场法存在

7、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。性要求。模糊模糊逻辑法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。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，因此， 本文探讨了基于模糊逻辑的两点间路径规划方法。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

8、有单纯的距离信息，这使得水下机器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

9、机器人当前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。人模糊推理进一步智能化和合理化。 模模 糊糊 化化 反反 模模 糊糊 化化 模糊推理模糊推理 模糊规则模糊规则 水下水下 机器人机器人 环境信息环境信息 说明：说明： 1. 1.水下机器人通过

10、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。前状态，两种传感器的信息作为模糊规划器的输入。 2. 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。出模糊输出量，经反模糊化后得到精确输出量。 3. 3.上述过程不断被重复执行，直到机器人到达目标点。上述过程不断被重复执行，直到机器人到达目标点。 图图 7 7 水下机器人模糊规划器水

11、下机器人模糊规划器 目标方向信息目标方向信息 前方障碍物信息前方障碍物信息 左方障碍物信息左方障碍物信息 右方障碍物信息右方障碍物信息 模模 糊糊 推推 理理 机器人前进方向机器人前进方向 海流方向信息海流方向信息 图图8 8 水下机器人模糊推理框图水下机器人模糊推理框图 进行单元划分进行单元划分 根据海流方向根据海流方向 水下机器人开始探测水下机器人开始探测 继续探测直到探测完毕继续探测直到探测完毕 发现有效目标发现有效目标 目标识别目标识别 未发现有效目标未发现有效目标 较近目标较近目标 全局路径规划全局路径规划 对未识别目标进行对未识别目标进行 较远目标较远目标 图图9 9 先探测后识别总体探测算法原理框图先探测后识别总体探测算法原理框图 计算各目标之间的当量行