水下機(jī)器人路徑規(guī)劃問題的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、自主式水下機(jī)器人自主能力的真正含義是具有和外部環(huán)境進(jìn)行交互的能力，這種交互的一個(gè)重要方面就是具有全局路徑規(guī)劃以及突發(fā)事件下的動(dòng)態(tài)重規(guī)劃和躲避障礙的能力。要實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的自主航行和自主作業(yè)，機(jī)器人的路徑規(guī)劃是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，研究水下機(jī)器人的路徑規(guī)劃技術(shù)對于提高其智能化水平和加快工程化應(yīng)用進(jìn)程具有重要的意義。本文以“十五”國防預(yù)研項(xiàng)目(4131607)和“十一五”國防預(yù)研項(xiàng)目(51316080202)為背景，對自主式水下機(jī)器人在海洋環(huán)境下的

2、全局路徑規(guī)劃技術(shù)、局部路徑規(guī)劃技術(shù)、避碰規(guī)劃技術(shù)、區(qū)域探測路徑規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。
　　 首先，介紹了水下機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，以及水下機(jī)器人的系統(tǒng)組成，概述了水下機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，并按照精度隨智能降低而提高的原理(IPDI)為某型水下機(jī)器人設(shè)計(jì)了分層遞階控制體系結(jié)構(gòu)，它分為六層三列，按照這個(gè)體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的自主控制可以滿足任務(wù)的需要。
　　 提出了海洋環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃方法。針對海洋環(huán)境障礙物分布稀疏的特點(diǎn)，

3、提出了用于小范圍區(qū)域全局路徑規(guī)劃的最短切線路徑算法，它計(jì)算簡單、運(yùn)行效率高。針對大范圍海洋區(qū)域，提出了基于VCF電子海圖的多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法。算法采用可變長的實(shí)數(shù)坐標(biāo)的染色體編碼方式，在適應(yīng)度評價(jià)函數(shù)的設(shè)計(jì)中綜合考慮了多個(gè)影響因素，不可行路徑被加以懲罰值也參與了種群進(jìn)化。設(shè)計(jì)了選擇、交叉、變異、修補(bǔ)和刪除等五類遺傳算子，在生成初始種群和設(shè)計(jì)遺傳算子時(shí)引入領(lǐng)域知識，以實(shí)現(xiàn)所生成路徑盡量不穿越障礙區(qū)域的目的，有效地提高了算法的收斂速度。該算

4、法實(shí)現(xiàn)了用盡量短的時(shí)間在大范圍海洋區(qū)域規(guī)劃出一條近似最優(yōu)路徑的研究目標(biāo)，規(guī)劃路徑合理可行。
　　 提出了基于模糊邏輯的局部路徑規(guī)劃方法。在復(fù)雜的海洋條件下，導(dǎo)航、傳感等數(shù)據(jù)本身就存在著巨大的不確定性和不準(zhǔn)確性，此方法可用來處理這些近似信息。在分析了海流、障礙物和機(jī)器人三者之間的關(guān)系后，得出相應(yīng)的模糊規(guī)則表作為局部路徑規(guī)劃的依據(jù)。該方法綜合考慮了海流的影響和機(jī)器人平臺的運(yùn)動(dòng)特性，以相對簡單的形式較好地解決了考慮海流影響的水下機(jī)器人

5、局部路徑規(guī)劃問題。模糊控制理論用于機(jī)器人路徑規(guī)劃同樣會出現(xiàn)局部最小問題。提出了基于傳感信息的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃方法，通過設(shè)置虛擬目標(biāo)點(diǎn)以及follow-left-wall行為和follow-right-wall行為的激活和退出條件，使水下機(jī)器人能夠脫離局部極小狀態(tài)從而達(dá)到目標(biāo)位置。
　　 提出了基于傳感信息的反應(yīng)式行為自動(dòng)設(shè)計(jì)方法，將避碰路徑規(guī)劃行為當(dāng)成一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，不必考慮如何分解行為，采用Q學(xué)習(xí)對機(jī)器人反應(yīng)式行為進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，

6、以產(chǎn)生期望的優(yōu)化行為。學(xué)習(xí)結(jié)束后抽取的控制規(guī)則作為反應(yīng)式行為去執(zhí)行，這樣產(chǎn)生的行為不僅更具目的性和適應(yīng)性，而且具有反應(yīng)式行為的較高的反應(yīng)速度。另外，針對學(xué)習(xí)系統(tǒng)的輸入輸出空間是連續(xù)變化的要求，提出了一種Fuzzy Q(λ)學(xué)習(xí)算法，它將模糊理論與Q學(xué)習(xí)相結(jié)合，采用Q(λ)學(xué)習(xí)算法不斷更新模糊規(guī)則庫中的結(jié)果向量權(quán)值直至其收斂，從而得到一個(gè)完整的模糊規(guī)則庫。
　　 提出了基于區(qū)域探測作業(yè)任務(wù)的全覆蓋路徑規(guī)劃算法。對基本區(qū)域設(shè)計(jì)了權(quán)值