[發明專利]一種仿生魚群避障行為控制方法

有效

• 申請號: 201711498122.8
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108196451B
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發明（設計）人: 查文中;張德;劉光宏;何昫
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司信息科學研究院
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京中知法苑知識產權代理有限公司 11226
• 代理人: 常玉明;張蘭海

本發明提出一種仿生魚群避障行為控制方法，包括：S1：對機器魚進行初始化設置；S2：所述機器魚讀取傳感器信息；S3：所述機器魚判斷是否發現障礙物，若探測到障礙物，則對虛擬領航者的位置進行確認，若未探測到障礙物，則進入優先級排序，其中，虛擬領航者的位置表示機器魚避障策略中的最優到達位置；S4：對所述機器魚進行優先級排序；S5：所述機器魚判斷自身是否為骨干機器魚，并分別執行控制協議；在機器魚執行控制協議后，若到達目標位置，則流程結束，若未到達目標位置，則重復所述步驟S1至S5。本發明提出的控制方法具有一定的魯棒性，在避開障礙物的過程中始終保持連通性，增強了機器魚群對于環境和任務變化的靈活性。

技術領域

本發明屬于自主控制、群體智能技術領域，具體涉及一種仿生魚群避障行為控制方法。

背景技術

仿生機器魚作為一種結合魚類推進模式和機器人技術的新型水下機器人，具備隱蔽性強、流體性能優良、推進效率高、機動性能好等特點，在仿生魚群執行任務過程中，不可避免地會遭遇到一些靜態/動態的、已知/未知的障礙(如沉船、石油鉆井平臺、暗礁、真實魚群等)，這就需要各仿生機器魚通過自身攜帶的傳感器對障礙物進行有效探測，自主控制游動方向與速度，實時躲避障礙，并保持仿生魚群整體構型的漸近穩定。

在現有技術中，由于水下環境的復雜性與不確定性，測距聲吶等傳感器所獲取的信息往往伴有一定的噪聲干擾，機器魚的避障控制通常會使用模糊算法，由短基線系統得到目標的位置信息，由多個測距聲吶實時測得的與障礙物的距離信息，經過信息融合計算后所得到的距離，以及障礙物與機器魚、目標點的夾角，同時作為模糊控制器的輸入。輸入量經過模糊控制器進行模糊推理，最終得到機器魚的偏轉角，指導機器魚以新的方向進行運動。而現有技術中的機器魚群集體避障控制人工勢場法，機器魚群在虛擬力場中移動，并在移動中受到目標位置對其的引力以及障礙物和鄰居智能體對其的斥力，通過計算勢函數下降的方向來尋找避障路徑。

基于模糊算法的避障控制技術可以用于單機器魚的避障問題，然而一旦機器魚的數量增多，簡單的規則指引無法保證機器魚群的集體避障。因為此時對于機器魚群來說，不僅需要有效避開障礙物的阻擋，還要避免機器魚之間的碰撞，甚至要求機器魚在避障之后還能保持一定的拓撲連通性；而模糊算法沒有協調機制，所提供的規則很容易導致機器魚群的連通性混亂甚至彼此發生碰撞?，F有技術中采用的人工勢場法處理機器魚群時，在避障后無法確保拓撲連通性，同時，由于傳統或改進的人工勢場法需要知道障礙物的位置信息，但是在實際環境中，機器魚只能得到自身與障礙物邊緣的相對距離，無法知道全局的障礙物信息，因此人工勢場法對于未知環境中的機器魚群體避障問題有很大的局限性；人工勢場法通常會將智能體看成一個質點，通過控制質點的運動速度、加速度或轉向等變量實現對某一尺寸的障礙物的避讓，然而仿生機器魚不同于一般的無人平臺(例如無人機、無人車、水下潛航器等)，它是柔性結構，依靠魚鰭或尾部的擺動實現游動。機器魚在水中所遇到的障礙物種類很多，既有靜態的也有動態的，既有大尺寸的也有小尺寸的，因此機器魚的尺寸、尾鰭擺動的幅度和瞬時運動的慣性等因素不能被忽略。

發明內容

針對上述問題，本發明實施例提出一種仿生魚群避障行為控制方法，旨在解決機器魚的尺寸、尾鰭擺動的幅度和瞬時運動的慣性對避障控制的影響、未知環境下對動態/靜態障礙物的避障、機器魚集體避障與各機器魚之間的避碰以及機器魚群體避障后的拓撲連通性保持的問題。

為實現上述目的，本發明提出了一種仿生魚群避障行為控制方法，包括：

S1：進行初始化設置，包括n條機器魚的初始位置、初始速度、通信半徑、已連通的初始拓撲結構、目標位置信息、最大水平探測角度和最大探測距離，其中，n至少是1；

S2：所述機器魚讀取傳感器信息；

S3：所述機器魚判斷是否發現障礙物，若探測到障礙物，則對虛擬領航者的位置進行確認，若未探測到障礙物，則進入優先級排序，其中，虛擬領航者的位置表示機器魚避障策略中的最優到達位置；