[發(fā)明專利]一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810043820.7
• 申請日: 2018-01-17
• 公開（公告）號: CN108319293B
• 公開（公告）日: 2021-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王宏健;張雪蓮;呂洪莉;郭峰;陳濤;林常見
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G05D1/10
• 分類號: G05D1/10;G01S15/93
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本發(fā)明公開了一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃方法屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域和實(shí)時(shí)避障技術(shù)領(lǐng)域。包括步驟：構(gòu)建全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，建立聲納仿真模型；設(shè)計(jì)用于實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃的LSTM網(wǎng)絡(luò)；構(gòu)建數(shù)據(jù)集；利用訓(xùn)練集中數(shù)據(jù)訓(xùn)練LSTM網(wǎng)絡(luò)，得到基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃器；將聲納探測信息及目標(biāo)點(diǎn)信息輸入至基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的避碰規(guī)劃器，獲得UUV下一時(shí)刻的轉(zhuǎn)艏及速度的調(diào)整指令。本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃的LSTM網(wǎng)絡(luò)，不僅有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，同時(shí)還具有非常強(qiáng)的泛化能力，這使得所實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃器適用于各種復(fù)雜的環(huán)境；同時(shí)，該避碰規(guī)劃器滿足實(shí)時(shí)性的要求，并且所規(guī)劃的路徑滿足UUV運(yùn)動(dòng)特性的要求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域和實(shí)時(shí)避障技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃方法。

背景技術(shù)

隨著國家海洋戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，海洋開發(fā)技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)，各種海洋裝備的應(yīng)用也越來越廣泛。作為完成海底考察、數(shù)據(jù)收集、鋪設(shè)管線、鉆井支援、海底施工、偵查、布雷、掃雷、援潛和救生等各種水下任務(wù)的重要工具，UUV的實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃能力是保證其安全航行的關(guān)鍵技術(shù)，是UUV完成各種任務(wù)的基礎(chǔ)。這就要求UUV在航行過程中根據(jù)傳感器探測到的已知的環(huán)境信息找到一條從起點(diǎn)到終點(diǎn)的無碰撞安全路徑。常用的傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃方法包括蟻群算法、粒子群優(yōu)化算法、人工免疫算法、遺傳算法、A*算法、人工勢場法、Dijkstra算法等。對于實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃問題，除了考慮安全性和避碰運(yùn)動(dòng)平滑性等，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也是重要的指標(biāo)，然而基于上述傳統(tǒng)算法的實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃系統(tǒng)，存在避碰的實(shí)時(shí)性與避碰精度相互矛盾的問題。而且由于水下感知設(shè)備的限制，常常需要復(fù)雜的計(jì)算來分析處理探測數(shù)據(jù)，這也大大影響了規(guī)劃的實(shí)時(shí)性和精度。深度學(xué)習(xí)是目前最具潛力的人工智能算法，其強(qiáng)大的非線性擬合能力可以為UUV提供一套簡單、高效、易于實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃系統(tǒng)。這使得UUV具有了一定的自主學(xué)習(xí)的能力，從而減少了其對感知設(shè)備的依賴，增強(qiáng)了其在避碰過程中的靈活度。實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)劃能力隨著UUV在運(yùn)動(dòng)的過程中的不斷學(xué)習(xí)而逐步提高。即使訓(xùn)練集中只包含簡單環(huán)境下的避碰規(guī)劃樣本，訓(xùn)練完成后的基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃器也可以靈活處理復(fù)雜多變環(huán)境下的避碰規(guī)劃問題。

CN107368076A公開了一種智能環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑深度學(xué)習(xí)控制規(guī)劃方法，該方法使用深度學(xué)習(xí)DBN網(wǎng)絡(luò)解決運(yùn)載機(jī)器人全局路徑規(guī)劃問題。所提深度學(xué)習(xí)DBN網(wǎng)絡(luò)包括一層輸入層、三層隱藏層以及一層輸出層，其中可視層與第一隱藏層構(gòu)成第一層限制玻爾茲曼機(jī)RBM，第一隱藏層與第二隱藏層構(gòu)成第二層限制玻爾茲曼機(jī)RBM，第二隱藏層與第三隱藏層構(gòu)成BP網(wǎng)絡(luò)層。該專利采用逐層訓(xùn)練的方法依次對兩層限制玻爾茲曼機(jī)RBM和BP網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行訓(xùn)練。與全局路徑規(guī)劃不同，避碰規(guī)劃器需要根據(jù)過去一段時(shí)間內(nèi)的環(huán)境障礙信息實(shí)時(shí)輸出規(guī)劃結(jié)果。相較于限制玻爾茲曼機(jī)RBM，LSTM網(wǎng)絡(luò)具有處理較長時(shí)間序列的能力，且更適用于復(fù)雜的規(guī)劃問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供解決了UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃的問題，克服了現(xiàn)有的實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃方法存在環(huán)境模型的精度與規(guī)劃的實(shí)時(shí)性之間的矛盾的一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃方法。

本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于LSTM網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃方法，包括以下步驟：

步驟1：構(gòu)建全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系，建立聲納仿真模型；

全局坐標(biāo)系采用北東坐標(biāo)系，地圖左下角為原點(diǎn)，正北方向?yàn)閄軸，正東方向?yàn)閅軸；

局部坐標(biāo)系原點(diǎn)選在UUV重心處，X軸取在UUV縱向剖面內(nèi)，指向UUV艏端，Y軸與縱剖面垂直，指向右舷；

二維多波束聲納仿真模型水平開角為120°，最大探測半徑為120m，共80個(gè)波束，波束角為1.5°，每個(gè)波束上探測噪聲為±1％；

步驟2：設(shè)計(jì)用于實(shí)時(shí)避碰規(guī)劃的LSTM網(wǎng)絡(luò)；