水下機器人路徑規(guī)劃

1、 目前，許多國家的大學(xué)和研究機構(gòu)都投入了大量的人力和物力用于目前，許多國家的大學(xué)和研究機構(gòu)都投入了大量的人力和物力用于AUVAUV系統(tǒng)的研系統(tǒng)的研究和開發(fā)。在該領(lǐng)域，美國技術(shù)力量比較雄厚，其中有代表性的究和開發(fā)。在該領(lǐng)域，美國技術(shù)力量比較雄厚，其中有代表性的AUVAUV系統(tǒng)有美國海軍系統(tǒng)有美國海軍研究生院研制的研究生院研制的“Phoenix”Phoenix”、辛罕布什爾大學(xué)海洋系統(tǒng)工程實驗室研制的辛罕布什爾大學(xué)海洋系統(tǒng)工程實驗室研制的“EAVE EAVE EAST”EAST”、麻省理工學(xué)院研制的麻省理工學(xué)院研制的“Odyssey”O(jiān)dyssey”、佛羅里達大西洋大學(xué)與美國與美國派佛羅里達大西洋

2、大學(xué)與美國與美國派瑞技術(shù)有限股份公司研制的瑞技術(shù)有限股份公司研制的“Ocean Voyager”O(jiān)cean Voyager”等。日本在等。日本在AUVAUV的研究也處于領(lǐng)先的研究也處于領(lǐng)先地位，東京大學(xué)的地位，東京大學(xué)的URAURA實驗室開發(fā)了許多不同功能的實驗室開發(fā)了許多不同功能的AUVAUV，如如“Twin Burger”Twin Burger”、“PTEROA150”“PTEROA150”等。圖等。圖1 1為美國海軍研制的為美國海軍研制的AUV-AUSSAUV-AUSS。圖圖 1 1 美國的美國的AUSSAUSS 圖圖 2 “ 2 “CR-01”6000CR-01”6000米自治水下機器

3、米自治水下機器人人 我國無人遙控潛水器及自主式水下機器人從六十年代中期就開始進行了一些我國無人遙控潛水器及自主式水下機器人從六十年代中期就開始進行了一些探索性研究，探索性研究，“七五七五”在在863863智能機器人主題下將水下機器人的開發(fā)研制列入國家智能機器人主題下將水下機器人的開發(fā)研制列入國家重點攻關(guān)項目，重點攻關(guān)項目，“八五八五”期間智能水下機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展。經(jīng)過我國工期間智能水下機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展。經(jīng)過我國工程技術(shù)人員長期努力，先后研制了程技術(shù)人員長期努力，先后研制了“海人一號海人一號”、“海人二號海人二號”水下試驗床等。水下試驗床等。19951995年年8 8月，作為我國

4、月，作為我國“八六三高科技發(fā)展戰(zhàn)略八六三高科技發(fā)展戰(zhàn)略”成果的成果的“探索者一號探索者一號”6000”6000米無米無纜自治式水下機器人在太平洋的深海功能試驗成功。此后，經(jīng)過一年半的改造，纜自治式水下機器人在太平洋的深海功能試驗成功。此后，經(jīng)過一年半的改造，命名為命名為CR-01CR-01（圖圖2 2），又于），又于19971997年年5 5月再一次在太平洋圓滿完成各項海底調(diào)查任務(wù)月再一次在太平洋圓滿完成各項海底調(diào)查任務(wù)。這標志著我國在。這標志著我國在AUVAUV研究方面已進入世界先進水平。研究方面已進入世界先進水平。AUVAUV路徑規(guī)劃及研究現(xiàn)狀路徑規(guī)劃及研究現(xiàn)狀 CoordinatedGu

5、aranteesEfficientStrong localization requirementsMore sensors進行單元劃分進行單元劃分根據(jù)海流方向根據(jù)海流方向水下機器人開始探測水下機器人開始探測水下機器人繼水下機器人繼 續(xù)續(xù) 前前 進進發(fā)現(xiàn)有效目標發(fā)現(xiàn)有效目標進行目標識別進行目標識別未發(fā)現(xiàn)有效目標未發(fā)現(xiàn)有效目標確定局部中斷點確定局部中斷點機器人運動到減速區(qū)機器人運動到減速區(qū)關(guān)鍵點并成像關(guān)鍵點并成像確定并運動到第一個確定并運動到第一個不可識別不可識別第三個關(guān)鍵點第三個關(guān)鍵點確定并運動到確定并運動到返回局部中斷點返回局部中斷點 對目標進行標記對目標進行標記可可 識識 別別關(guān)鍵點并成像關(guān)

6、鍵點并成像確定并運動到第二個確定并運動到第二個圖圖6 邊探測邊識別探測窗口內(nèi)探測算法原理框圖邊探測邊識別探測窗口內(nèi)探測算法原理框圖 水下機器人探測窗口內(nèi)關(guān)鍵點之間的運動及機器人偏航、返航及單元間移動部水下機器人探測窗口內(nèi)關(guān)鍵點之間的運動及機器人偏航、返航及單元間移動部分均屬機器人兩點間路徑規(guī)劃問題，解決這一問題的基本算法有人工勢場法、確定分均屬機器人兩點間路徑規(guī)劃問題，解決這一問題的基本算法有人工勢場法、確定柵格法、模糊邏輯法等，人工勢場法存在局部最優(yōu)解問題，容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，而柵格法、模糊邏輯法等，人工勢場法存在局部最優(yōu)解問題，容易產(chǎn)生死鎖現(xiàn)象，而確定柵格法存在信息存儲量大、運算時間長的缺陷

7、，不適合本文中對信息存取實時確定柵格法存在信息存儲量大、運算時間長的缺陷，不適合本文中對信息存取實時性要求。性要求。模糊模糊邏輯法邏輯法不需要環(huán)境的解析模型，并具有良好的實時性及對誤差的不敏不需要環(huán)境的解析模型，并具有良好的實時性及對誤差的不敏感性，可以避開傳統(tǒng)算法中對機器人定位精確性、環(huán)境信息依賴性的缺點。感性，可以避開傳統(tǒng)算法中對機器人定位精確性、環(huán)境信息依賴性的缺點。因此，因此，本文探討了基于模糊邏輯的兩點間路徑規(guī)劃方法。本文探討了基于模糊邏輯的兩點間路徑規(guī)劃方法。 傳統(tǒng)的水下機器人模糊規(guī)劃器輸入量只有單純的距離信息，這使得水下機器傳統(tǒng)的水下機器人模糊規(guī)劃器輸入量只有單純的距離信息，這使

8、得水下機器人在可選擇性操作時目的性不強。為克服這一缺陷，本文將水下機器人與當前目標人在可選擇性操作時目的性不強。為克服這一缺陷，本文將水下機器人與當前目標點偏離的航向角也作為模糊規(guī)劃器的輸入變量之一，并在隸屬度函數(shù)確定上，考慮點偏離的航向角也作為模糊規(guī)劃器的輸入變量之一，并在隸屬度函數(shù)確定上，考慮了其正負性，使水下機器人始終遵循與當前目標點夾角為零的趨勢運動，從而可以了其正負性，使水下機器人始終遵循與當前目標點夾角為零的趨勢運動，從而可以使得水下機器人運動行程盡量短。此外，本文的算法中還把海流方向與機器人當前使得水下機器人運動行程盡量短。此外，本文的算法中還把海流方向與機器人當前方向的夾角也作

9、為模糊輸入量之一，來參與決策模糊規(guī)劃器的輸出，例如，當水下方向的夾角也作為模糊輸入量之一，來參與決策模糊規(guī)劃器的輸出，例如，當水下機器人前方有障礙時，根據(jù)海流方向信息來決定是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，從而使水下機器機器人前方有障礙時，根據(jù)海流方向信息來決定是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，從而使水下機器人模糊推理進一步智能化和合理化。人模糊推理進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規(guī)則模糊規(guī)則水下水下機器人機器人環(huán)境信息環(huán)境信息說明：說明： 1. 1.水下機器人通過外部傳感器獲得環(huán)境信息，通過內(nèi)部傳感器感知水下機器人的當水下機器人通過外部傳感器獲得環(huán)境信息，通過內(nèi)部傳感器感知水下機器人的當

10、前狀態(tài)，兩種傳感器的信息作為模糊規(guī)劃器的輸入。前狀態(tài)，兩種傳感器的信息作為模糊規(guī)劃器的輸入。 2. 2.將傳感器得到的精確量處理成模糊規(guī)劃器能接受的模糊量，根據(jù)模糊推理規(guī)則給將傳感器得到的精確量處理成模糊規(guī)劃器能接受的模糊量，根據(jù)模糊推理規(guī)則給出模糊輸出量，經(jīng)反模糊化后得到精確輸出量。出模糊輸出量，經(jīng)反模糊化后得到精確輸出量。 3. 3.上述過程不斷被重復(fù)執(zhí)行，直到機器人到達目標點。上述過程不斷被重復(fù)執(zhí)行，直到機器人到達目標點。 圖圖 7 7 水下機器人模糊規(guī)劃器水下機器人模糊規(guī)劃器 目標方向信息目標方向信息前方障礙物信息前方障礙物信息左方障礙物信息左方障礙物信息右方障礙物信息右方障礙物信息模模 糊糊 推推 理理 機器人前進方向機器人前進方向海流方向信息海流方向信息圖圖8 8 水下機器人模糊推理框圖水下機器人模糊推理框圖 進行單元劃分進行單元劃分根據(jù)海流方向根據(jù)海流方向水下機器人開始探測水下機器人開始探測繼續(xù)探測直到探測完畢繼續(xù)探測直到探測完畢發(fā)現(xiàn)有效目標發(fā)現(xiàn)有效目標目標識別目標識別未發(fā)現(xiàn)有效目標未發(fā)現(xiàn)有效目標較近目標較近目標全局路徑規(guī)劃全局路徑規(guī)劃對未識別目標進行對未識別目標進行較遠目標較遠目標 圖圖9 9 先探測后識別總體探測算法原理框圖先探測后識別總體探測算法原理框圖 計算各目標之間