基于改进人工势场法的水下自主航行器路径规划

针对水下自主航行器(AUV)在水下复杂环境下的路径规划问题,提出改进人工势场法的路径规划算法.在传统人工势场法的基础上,提出考虑避障半径的斥力场函数方法,进一步优化规划路径.通过设置子目标点法和距离比较法,有效解决二维和三维空间下的局部最小值点问题和目标不可达问题.通过仿真对比验证提出的基于改进人工势场法的水下自主航行器路径规划算法的有效性.     

AUV cluster path planning based on improved RRT* algorithm北大核心CSCD

[目的]针对微小型欠驱动自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle,AUV)集群控制问题,设计一种基于改进RRT^(*)算法的编队控制策略。[方法]RRT^(*)算法规划的路径陡变难以跟踪且收敛速度较慢,针对该问题提出改进方法。首先加入偏置函数使随机采样点靠近目标点,然后采用Dubins曲线平滑连接采样点,通过在可变半径范围内重新布线,并设计有关曲线长度与避障的代价函数,选择最优路径。依据代价和最小值为多AUV分配集结点,协调多AUV速度完成最小集结时间约束,随后设计基于Dubins路径的分段向量场构造方法,使得多AUV跟踪规划路径,到达目标集结点时速度与方向保持一致。[结果]仿真结果表明,多AUV编队平均路径长度缩短26.6%,平均集结时间缩短21.7%。[结论]该算法路径规划质量高,可顺利完成编队集结任务。     

基于改进人工势场法的水下滑翔机路径规划

研究了水下滑翔机在单个运动周期下躲避障碍物的路径规划问题,针对水下滑翔机运动特点,采用改进的人工势场法,规划出避障路径。首先,对传统的人工势场法进行改进,以克服局部极值与目标不可达问题,并引入速度势场函数,将静态势场转变为动态势场;然后,将水下滑翔机的运动特性及约束考虑进来,提出障碍物影响半径确定方法;之后,分析了定常海流对路径规划的影响。最后,以HUST-2号水下滑翔机为例在不同情况下进行仿真试验。结果表明,所用方法能使水下滑翔机成功避开水中静态与动态障碍物。     

Obstacle avoidance of unmanned ship swarm based on virtual navigator and improved Hooke's law北大核心CSCD

[目的]针对无人船集群规避障碍物的问题,提出一种基于虚拟领航者和改进胡克定律的弹性集群编队控制方法。[方法]首先,根据障碍物的长和宽得到其外接椭圆,按照长宽比向外扩展出虚拟碰障区、避障反应区、自由航行区,实现水面避障物模型的简化;其次,基于虚拟领航者和改进胡克定律,对编队各成员之间、各成员虚拟领航者之间的相对距离和速度予以约束,采用坐标形式设置编队队形,构建弹性编队模型,并基于障碍物的环形斥力场来实现单无人船的避障,以及在弹性集群编队的组织下实现无人船集群的避障;然后,通过优化处理无人船的航行过程,消除编队及避障过程中的“徘徊”和“振荡”等现象,使各无人船的运动更加平滑;最后,运用Matlab软件对由4艘无人船组成的集群编队进行仿真实验。[结果]实验结果表明,编队可成功绕过设置的所有障碍物,验证了所提方法的有效性和可行性。[结论]该方法可实现无人船集群对水面障碍物的规避,具备在一定复杂环境下的通过能力,可为无人船集群避障的应用及研究提供参考。     

面向AUV水下移动对接的实时路径规划方法

自主水下机器人(AUV)与移动对接平台之间的实时路径规划,是AUV与移动对接平台进行自主对接的使能技术之一。针对复杂动态环境下AUV与水下移动平台对接的实时性和终端姿态需求,研究了一种基于混合整数线性规划(Mixed Integer Linear Programming,MILP)的AUV与水下移动平台对接的实时路径规划方法。利用对障碍物约束、AUV本体约束进行相应的分析和线性化,根据多个对接阶段的需求设计了距离收敛、时间最优和姿态最优等不同的目标优化函数,建立了移动对接目标函数,形成相应的多约束线性规划模型,实现对AUV加速度优化,得到满足所有约束且目标函数最优的实时优化路径。最后,在充分考虑AUV实际的动力学模型下的仿真实验分析,验证了此方法的有效性。     

基于改进人工势场的避障路径规划策略研究

随着战争形势的无人化、多样化和跨域化发展,水下无人航行器作为各军事强国抢占水下作战域和海洋不对称作战优势的主要抓手,在未来战争中发挥着越来越重要的作用。由于海洋非结构化环境的复杂性,水下无人航行器在执行任务过程中,需能够在无人干预情况下进行系列操作和任务决策。本文针对水下无人航行器局部路径规划,提出基于速度矢量判断的改进人工势场法的避障航路规划策略,通过增加障碍物斥力场范围,强化目标点附近的引力场,优化障碍物斥力系数,并通过速度矢量判断旋转方向,使得水下无人航行器能够结合环境感知信息进行路径实时调整,最终能够达到安全快速避障。最后结合航行器流体动力与运动控制一体化仿真模型进行仿真分析,验证提出算法的有效性。     

重于水型AUV模糊路径规划与优化

为了实现重于水型自治潜器(Heavier-Than-Water Autonomous Underwater Vehicle,AUV)在未知水下环境中的局部路径规划。首先根据AUV的运动方程和机翼升力特性,在Matlab中建立动力学模型。设计模糊控制器,以声呐对障碍物探测得到的距离和方位信息作为输入量,实现了AUV在水下障碍物环境中的路径规划。最后,为提高AUV的能量利用效率,用遗传算法对模糊控制器的隶属度函数进行优化,并通过仿真试验证明了优化后AUV在避障期间能源消耗更少,说明该路径规划方法具有实际应用价值。     

多自主水下航行器区域搜索与协同围捕方法研究

针对多个自主水下航行器(AUVs)执行区域搜索和协同围捕入侵对象的任务案例,设计了多航行器混合分层式体系结构,提出了分区域随机搜索策略和基于势点的优化围捕策略。将蚁群算法和人工势场法相结合,实现了AUVs路径规划与避碰。基于AUV六自由度运动模型和PID控制器,通过仿真实验验证了算法的有效性。仿真结果表明,AUVs具有在障碍环境中执行区域搜索和对入侵对象协同围捕的作业能力,设计的方法可应用于自主水下航行器的围捕任务。     

基于改进人工势场法的水面无人艇路径规划研究

路径规划是海面无人艇导航系统中最重要的任务之一,在实现海面高速无人艇路径规划时,如果使用人工势场路径规划,一般均会产生最小点问题,尤其在路径规划目标点位置附近存在有障碍物的情况下。针对基于人工势场法的无人艇路径规划算法中存在的这一缺陷,提出了基于改进人工势场法来解决这个问题,通过建立新的引力和斥力势场函数来避免局部最小点问题的出现,并通过仿真最终验证了该方法的有效性。     

Path planning method for unmanned surface vehicle with controllable distance from obstacles北大核心CSCD

[目的]为了解决水面无人艇(USV)路径规划中安全性和平滑性方面的问题,提出一种与障碍物距离可控的USV路径规划方法。[方法]首先,结合雷达图像生成栅格化环境信息,利用维诺场算法(VFA)为每个栅格添加危险势场并建立航行界限;其次,建立与航行界限关联的危险度函数对A^(*)算法的评价函数进行改进,利用改进的A^(*)算法进行路径规划;最后,针对航行路径转向角较大的问题,采用梯度下降法(GDM)进行航行路径的平滑处理,得到满足USV实际航行要求的连续平滑路径。[结果]仿真结果表明,所提路径规划方法通过设置不同的航行界限可以实现路径与障碍物之间距离的控制且平滑性符合航行要求。[结论]该方法在USV路径规划过程中具有一定的合理性和有效性,可为USV自主避障决策提供参考。     

动态人工势场法的无人船避障路径规划

为了保证无人船安全行驶,设计动态人工势场法的无人船避障路径规划方法。该方法的全局路径规划部分依据航行环境信息构建栅格地图后,采用A^*算法规划无人船的全局路径,并获取无人船的全局路径节点;局部避障路径规划部分将该路径节点作为局部路径的开始节点,利用动态人工势场法规划无人船避障路径。为保证路径规划效果,采用长短记忆循环神经网络和强化学习算法相结合的方式改进动态人工势场法,确保在障碍物运动速度较快时,依旧能够可靠完成无人船避障路径规划。测试结果显示：该方法可完成无人船全局最优路径规划,并有效完成局部避障路径规划,无人船和障碍物的会遇距离和会遇时间分别大于4.26 m和大于15 s,碰撞危险度极低,满足应用标准。     

多自主水下航行器编队控制技术研究

对多自主水下航行器编队任务进行了概述,针对编队问题和目前常用的编队方法,提出了基于领航者法的分层式编队控制技术,将人工势场法引入到编队控制行为中,提高了AUVs编队的协调性与协作性,增强了编队体系的环境自适应能力.最后,通过仿真实现了多种编队案例,验证了算法的合理性和实用性.     

基于前视声呐信息的AUV避障策略

针对欠驱动型AUV水平面避障问题,考虑其非线性运动特性及障碍物运动状态,提出基于前视声呐信息的避障方法,有效解决了水平面避障问题。首先利用前视声呐获得的障碍物各时刻的位置信息,使用最小二乘法得到障碍物二阶非线性运动信息,建立AUV与障碍物相对运动关系;然后采用时间系数分层控制策略时时调整AUV的期望首向和速度;最后进行仿真试验,试验结果验证了该方法的有效性。     

基于电子海图的无人艇集群区域覆盖路径规划

[目的]针对无人艇（ASV）集群区域覆盖问题,设计一种基于电子海图信息系统（ECDIS）的多无人艇区域覆盖路径规划方法。[方法]首先,通过提取ECDIS中的海陆和水深信息,建立基于栅格化方法的无人艇集群覆盖区域环境模型。其次,提出一种基于轮盘选择法的区域划分方法,解决基于初始位置的区域划分方法区域划分不规则的问题,实现在栅格地图中对无人艇集群覆盖子区域的合理划分。最后,构建一种基于模板法的区域覆盖路径规划方法,解决生成树覆盖方法路径转弯数量较多的问题。[结果]搭建基于ECDIS的无人艇集群人机交互仿真平台,验证所提基于轮盘法和模板法的区域覆盖路径规划方法对优化规划路径转弯数量的有效性。[结论]采用所提基ECDIS的无人艇集群区域覆盖路径规划方法,实现多无人艇对海上目标任务区域的覆盖路径规划。     

基于改进人工势场算法的AUV路径规划

针对传统人工势场算法运用于AUV路径规划时存在易死锁、实时性差、结果欠优等问题,提出一种改进型人工势场算法.在障碍物周围新增滑移区以替换原有斥力场的作用效果,同时构建相应的滑移准则以实现对AUV的滑移运动控制,具体包括滑移区判别、滑移参数选择和滑移方向判别准则.最后,在MATLAB中进行仿真实验.在静态环境下,分别利用...     

基于Avoid-auv行为的多AUV系统避碰仿真

为了解决多AUV系统编队中存在动障碍物的避碰问题,尤其是编队成员间的避碰和协调,在Avoid-obstacle行为的基础上设计了一种基于良好通信条件下的Avoid-auv行为,它通过建立多AUV系统之间的避碰规则和策略,使AUV编队能在比较复杂的环境中较快地规划出一条无碰路径,而且建立的避碰规则也能协调AUV系统成员之间有序地运动.仿真研究表明,基于Avoid-auv行为能较好地解决多AUV协调避碰问题,但必须更加重视多AUV系统之间的通信问题.     

改进人工势场法的多移动机器人路径规划

针对未知环境下多移动机器人系统的路径规划问题,提出了一种新型的改进人工势场法.在吸引力、排斥力的基础上,按照统一规则对具有碰撞危险的多个机器人增加一旋转力,使它们同时右转(或左转),解决了传统势场法中多移动机器人多次避障甚至避障死锁的问题.仿真结果验证了方法的有效性.     

水下航行器水下障碍规避性能分析与仿真

水下航行器的障碍躲避是提高水下航行器生存能力的关键技术,针对信息融合跟踪算法避障容易误差偏差和局部收敛的问题,提出一种基于Kalman滤波量化融合规避的水下航行器水下避障算法。构建水下航行器的运动系统方程,采用方位信息的量化融合方法进行自适应路径规划,结合Kalman滤波进行障碍信息的干扰抑制,采用强跟踪滤波实现障碍参量信息量化融合规避,实现水下航行器水下障碍躲避。仿真结果表明,采用该方法进行水下航行器避障,能有效规避障碍目标,提高对障碍物的方位估计精度,有效规避的准确概率达到最优。     

一种基于双模型的低成本多AUV协同定位方法

[目的]针对多自主水下航行器(AUV)上装备的惯性导航系统(INS)和多普勒速度计程仪(DVL)失效或未配备的情况,结合传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)估计,提出一种基于双模型的协同定位方法。[方法]建立相对运动模型和双领航状态空间模型,通过水声通信,利用相对运动模型估计跟随AUV的速度信息,再应用双领航模式的多AUV协同定位状态空间模型,进一步提高协同定位系统的鲁棒性和准确性,利用海试数据进行半实物仿真验证。[结果]结果表明,基于双模型的主从式多AUV协同定位方法,能够在跟随AUV上没有INS和DVL的情况下,实时估计跟随AUV的位置。[结论]该方法能够保障协同定位系统定位精度在允许的范围内,降低多AUV协同定位系统的成本。     

基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究

[目的]提出一种改进的动态窗口法,以解决近海水域智能船舶在面对夹击及动静混合会遇时无法有效避让的船舶避障问题。[方法]为得到在近海水域航行的船舶约束条件,针对近海水域对船舶避障的影响因素进行分析,同时提出近海水域船舶航行最低避障要求;然后对动态窗口法（DWA）的目标函数进行优化改进,并将其与船舶和障碍物的距离相关联,以提升船舶在航行图中的安全性,同时将目标函数中的航向权值引入船舶会遇态势判断,以使目标船舶可以有效判断船舶的避障责任;最后,通过仿真模拟验证改进算法的有效性。[结果]仿真结果表明,所提的改进算法在分别遭遇夹击以及复杂会遇的情况下,能够清晰地判断船舶的避障责任,降低航行过程中的速度变化陡峭度,且所规划的船舶航行路径可有效提升船舶航行的安全性。[结论]所提避障算法可为解决近海水域智能船舶遭遇复杂会遇情景的避碰失败问题提供参考。