水下機(jī)器人自主導(dǎo)航關(guān)鍵方法研究.pdf

1、海洋中蘊(yùn)藏著豐富的資源，近年來隨著水下機(jī)器人的不斷發(fā)展，為海洋資源的勘探、開發(fā)和利用提供了有利的工具。導(dǎo)航技術(shù)作為水下機(jī)器人的自主性的重要標(biāo)志，已經(jīng)成為各國水下機(jī)器人研究的重要內(nèi)容。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，給水下機(jī)器人的導(dǎo)航提出了各種各樣的挑戰(zhàn)，研究復(fù)雜環(huán)境下水下機(jī)器人自主導(dǎo)航的關(guān)鍵方法對(duì)于提高水下機(jī)器人的智能化水平和加快實(shí)用化進(jìn)程具有重要的理論研究意義和實(shí)用價(jià)值。本文在國家863計(jì)劃項(xiàng)目《基于聲納和水下視覺的深海復(fù)雜環(huán)境下AUV組合導(dǎo)航系統(tǒng)

2、關(guān)鍵技術(shù)》資助下，以提高水下機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的自主導(dǎo)航能力為目的，對(duì)水下機(jī)器人自主導(dǎo)航的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的研究。主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　1.針對(duì)海洋環(huán)境中出現(xiàn)的水下機(jī)器人不宜進(jìn)入的障礙物密集區(qū)域，提出了密集障礙物環(huán)境下路徑規(guī)劃的方法。首先提出了密集障礙物集合的定義方法，研究了基于改進(jìn)Dijkstra算法的密集障礙物集合的劃分算法，在此基礎(chǔ)上提出了一種新的環(huán)境地圖的表示方法，在環(huán)境地圖的表示中增加了一個(gè)表示障礙物

3、所屬集合的屬性域，并給出了基于切線的密集障礙物環(huán)境下水下機(jī)器人的路徑規(guī)劃算法。該方法可以有效的避免機(jī)器人進(jìn)入障礙物密集的危險(xiǎn)區(qū)域，而且能夠選擇路徑較短的航行路線，優(yōu)于對(duì)密集障礙物進(jìn)行包圍的路徑規(guī)劃方法。
　　2.針對(duì)水下機(jī)器人在導(dǎo)航過程中不斷變更航向角帶來的不確定性問題，提出了基于改進(jìn)人工勢(shì)場(chǎng)的路徑規(guī)劃方法。該方法將路徑規(guī)劃過程分為兩個(gè)過程，一個(gè)是基于幾何方法的全局地圖的路徑規(guī)劃過程，一個(gè)是基于本文提出的新的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的局部地圖的路

4、徑規(guī)劃過程。新的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)提出以扇區(qū)的作為計(jì)算因子，使得計(jì)算結(jié)果更符合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特征。實(shí)驗(yàn)證明，在該方法的路徑規(guī)劃結(jié)果中機(jī)器人航向角的變化次數(shù)很少。而且，因?yàn)樵摲椒ㄉ釛壛艘?shì)場(chǎng)的計(jì)算，改為運(yùn)用幾何的方法確定航向角，避免了人工勢(shì)場(chǎng)方法中陷入局部最小、不可達(dá)等問題的出現(xiàn)。
　　3.針對(duì)海洋中復(fù)雜多變的海流對(duì)水下機(jī)器人導(dǎo)航的影響問題，提出了一個(gè)節(jié)約導(dǎo)航能耗的基于導(dǎo)航代價(jià)的路徑規(guī)劃方法。在該方法中證明了基于幾何的路徑規(guī)劃方法中航向角與路

5、徑長度之間的關(guān)系，提出了一種海流方向與海流對(duì)水下機(jī)器人產(chǎn)生的能耗之間的對(duì)應(yīng)方法，在此基礎(chǔ)上給出了代價(jià)函數(shù)的定義，代價(jià)函數(shù)由路徑長度代價(jià)和海流代價(jià)兩部分組成。本文將海流描述為在一定時(shí)間間隔內(nèi)穩(wěn)定于觀測(cè)點(diǎn)的水流，基于當(dāng)前的海流信息和障礙物信息進(jìn)行每一步的路徑規(guī)劃，能夠很好的滿足實(shí)時(shí)性要求，且符合海洋中海流階段變化的特點(diǎn)。
　　4.針對(duì)海洋中動(dòng)態(tài)目標(biāo)為障礙物時(shí)可能與水下機(jī)器人發(fā)生碰撞的問題，提出了基于路徑規(guī)劃的即時(shí)定位與地圖創(chuàng)建（SLA

6、M）方法。該方法中動(dòng)態(tài)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)模型定義為勻速模型和加速模型的組合，采用交互式多模型方法對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行軌跡預(yù)測(cè)。在路徑規(guī)劃部分采用人工勢(shì)場(chǎng)方法確定水下機(jī)器人的航向角，其中提出了一個(gè)新的勢(shì)場(chǎng)函數(shù)，勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的斥力計(jì)算以扇區(qū)為單位，引力采用扇區(qū)所在角度的三角函數(shù)來描述，避免了人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的固有局限。在SLAM的過程中，將路徑規(guī)劃的結(jié)果作為機(jī)器人的控制狀態(tài)融入到傳統(tǒng)的基于卡爾曼濾波的SLAM方法中，此方法有效的避免了動(dòng)態(tài)目標(biāo)與機(jī)器人相撞的可能性