水下機(jī)器人路徑規(guī)劃

1、 目前，許多國家的大學(xué)和研究機(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)室研制的辛罕布什爾大學(xué)海洋系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)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(dá)大西洋大學(xué)與美國與美國派佛羅里達(dá)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(shí)驗(yàn)室開發(fā)了許多不同功能的實(shí)驗(yàn)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(jī)器

3、米自治水下機(jī)器人人 我國無人遙控潛水器及自主式水下機(jī)器人從六十年代中期就開始進(jìn)行了一些我國無人遙控潛水器及自主式水下機(jī)器人從六十年代中期就開始進(jìn)行了一些探索性研究，探索性研究，“七五七五”在在863863智能機(jī)器人主題下將水下機(jī)器人的開發(fā)研制列入國家智能機(jī)器人主題下將水下機(jī)器人的開發(fā)研制列入國家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，“八五八五”期間智能水下機(jī)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(jī)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(yàn)床等。水下試驗(yàn)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(jī)器人在太平洋的深海功能試驗(yàn)成功。此后，經(jīng)過一年半的改造，纜自治式水下機(jī)器人在太平洋的深海功能試驗(yàn)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(xiàng)海底調(diào)查任務(wù)月再一次在太平洋圓滿完成各項(xiàng)海底調(diào)查任務(wù)。這標(biāo)志著我國在。這標(biāo)志著我國在AUVAUV研究方面已進(jìn)入世界先進(jìn)水平。研究方面已進(jìn)入世界先進(jìn)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(jìn)行單元劃分進(jìn)行單元劃分根據(jù)海流方向根據(jù)海流方向水下機(jī)器人開始探測水下機(jī)器人開始探測水下機(jī)器人繼水下機(jī)器人繼 續(xù)續(xù) 前前 進(jìn)進(jìn)發(fā)現(xiàn)有效目標(biāo)發(fā)現(xiàn)有效目標(biāo)進(jìn)行目標(biāo)識別進(jìn)行目標(biāo)識別未發(fā)現(xiàn)有效目標(biāo)未發(fā)現(xiàn)有效目標(biāo)確定局部中斷點(diǎn)確定局部中斷點(diǎn)機(jī)器人運(yùn)動到減速區(qū)機(jī)器人運(yùn)動到減速區(qū)關(guān)鍵點(diǎn)并成像關(guān)鍵點(diǎn)并成像確定并運(yùn)動到第一個(gè)確定并運(yùn)動到第一個(gè)不可識別不可識別第三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)第三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)確定并運(yùn)動到確定并運(yùn)動到返回局部中斷點(diǎn)返回局部中斷點(diǎn) 對目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記對目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)記可可 識識 別別關(guān)鍵點(diǎn)并成像關(guān)

6、鍵點(diǎn)并成像確定并運(yùn)動到第二個(gè)確定并運(yùn)動到第二個(gè)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(jī)器人探測窗口內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)之間的運(yùn)動及機(jī)器人偏航、返航及單元間移動部水下機(jī)器人探測窗口內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)之間的運(yùn)動及機(jī)器人偏航、返航及單元間移動部分均屬機(jī)器人兩點(diǎn)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(jī)器人兩點(diǎn)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(yùn)算時(shí)間長的缺陷

7、，不適合本文中對信息存取實(shí)時(shí)確定柵格法存在信息存儲量大、運(yùn)算時(shí)間長的缺陷，不適合本文中對信息存取實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性及對誤差的不敏感性，可以避開傳統(tǒng)算法中對機(jī)器人定位精確性、環(huán)境信息依賴性的缺點(diǎn)。感性，可以避開傳統(tǒng)算法中對機(jī)器人定位精確性、環(huán)境信息依賴性的缺點(diǎn)。因此，因此，本文探討了基于模糊邏輯的兩點(diǎn)間路徑規(guī)劃方法。本文探討了基于模糊邏輯的兩點(diǎn)間路徑規(guī)劃方法。 傳統(tǒng)的水下機(jī)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(jī)器傳統(tǒng)的水下機(jī)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(jī)器人在可選擇性操作時(shí)目的性不強(qiáng)。為克服這一缺陷，本文將水下機(jī)器人與當(dāng)前目標(biāo)人在可選擇性操作時(shí)目的性不強(qiáng)。為克服這一缺陷，本文將水下機(jī)器人與當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)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(diǎn)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(fù)性，使水下機(jī)器人始終遵循與當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)夾角為零的趨勢運(yùn)動，從而可以了其正負(fù)性，使水下機(jī)器人始終遵循與當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)夾角為零的趨勢運(yùn)動，從而可以使得水下機(jī)器人運(yùn)動行程盡量短。此外，本文的算法中還把海流方向與機(jī)器人當(dāng)前使得水下機(jī)器人運(yùn)動行程盡量短。此外，本文的算法中還把海流方向與機(jī)器人當(dāng)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(dāng)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(dāng)水下機(jī)器人前方有障礙時(shí)，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(jī)器機(jī)器人前方有障礙時(shí)，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(jī)器人模糊推理進(jìn)一步智能化和合理化。人模糊推理進(jìn)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(jī)器人機(jī)器人環(huán)境信息環(huán)境信息說明：說明： 1. 1.水下機(jī)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(jī)器人的當(dāng)水下機(jī)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(jī)器人的當(dāng)

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(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。上述過程不斷被重復(fù)執(zhí)行，直到機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。 圖圖 7 7 水下機(jī)器人模糊規(guī)劃器水下機(jī)器人模糊規(guī)劃器 目標(biāo)方向信息目標(biāo)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(jī)器人前進(jìn)方向機(jī)器人前進(jìn)方向海流方向信息海流方向信息圖圖8 8 水下機(jī)器人模糊推理框圖水下機(jī)器人模糊推理框圖 進(jìn)行單元劃分進(jìn)行單元劃分根據(jù)海流方向根據(jù)海流方向水下機(jī)器人開始探測水下機(jī)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(biāo)發(fā)現(xiàn)有效目標(biāo)目標(biāo)識別目標(biāo)識別未發(fā)現(xiàn)有效目標(biāo)未發(fā)現(xiàn)有效目標(biāo)較近目標(biāo)較近目標(biāo)全局路徑規(guī)劃全局路徑規(guī)劃對未識別目標(biāo)進(jìn)行對未識別目標(biāo)進(jìn)行較遠(yuǎn)目標(biāo)較遠(yuǎn)目標(biāo) 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(jì)算各目標(biāo)之間