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

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810052628.4
• 申請日: 2018-01-17
• 公開（公告）號: CN108334677B
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王宏健;林常見;呂洪莉;李慶;張勛;劉大偉
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G06F30/27
• 分類號: G06F30/27;G06N3/04;G06N3/08;G01C21/20
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本發(fā)明公開了一種基于GRU網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時避碰規(guī)劃方法，屬于水下航行器避障領(lǐng)域。本發(fā)明包括：將UUV布放在起始位置；仿真聲納開始獲取UUV當(dāng)前位置的環(huán)境信息；將仿真聲納獲取的環(huán)境信息輸入到GRU網(wǎng)絡(luò)，獲得下一時刻UUV轉(zhuǎn)艏及速度的調(diào)整指令；UUV執(zhí)行運(yùn)動指令，到達(dá)下一路徑點(diǎn)；判斷UUV是否到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，若是則避碰規(guī)劃器停止工作。本發(fā)明利用GRU強(qiáng)大的擬合長時間序列的能力，解決了UUV實(shí)時避碰規(guī)劃的問題，克服了現(xiàn)有的實(shí)時避碰規(guī)劃方法存在環(huán)境模型的精度與規(guī)劃的實(shí)時性之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了一個簡單、高效、易于實(shí)現(xiàn)的端到端的實(shí)時避碰規(guī)劃器。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于GRU網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時避碰規(guī)劃方法，屬于水下航行器避障領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為新一代水下機(jī)器人，UUV具有活動范圍大、隱蔽性強(qiáng)、機(jī)動性好、安全、智能等優(yōu)點(diǎn)，是完成各種水下任務(wù)的重要工具。在民用領(lǐng)域，UUV可用于海底考察、數(shù)據(jù)收集、鋪設(shè)管線、鉆井支援、海底施工、水下設(shè)備維護(hù)與維修等。在軍用領(lǐng)域，UUV可用于偵查、布雷、掃雷、援潛和救生等。實(shí)時避碰規(guī)劃能力是保證UUV安全航行的關(guān)鍵技術(shù)，是UUV完成各種任務(wù)的基礎(chǔ)。

實(shí)時避碰規(guī)劃，即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)時避碰規(guī)劃方法包括蟻群算法、人工免疫算法、遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法、人工勢場法、A*算法、Dijkstra算法等。對于實(shí)時避碰規(guī)劃問題，除了考慮安全性和避碰運(yùn)動平滑性等，系統(tǒng)的實(shí)時性也是重要的指標(biāo)，然而基于上述傳統(tǒng)算法的實(shí)時避碰規(guī)劃系統(tǒng)，存在環(huán)境模型的精度以及路徑的優(yōu)化程度與規(guī)劃的實(shí)時性相互矛盾的問題。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)時避碰規(guī)劃系統(tǒng)的規(guī)劃能力隨著UUV在運(yùn)動的過程中的不斷學(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GRU網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時避碰規(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。

中國專利CN107368076A公開了一種智能環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)動路徑深度學(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)過去一段時間內(nèi)的環(huán)境障礙信息實(shí)時輸出規(guī)劃結(jié)果。相較于限制玻爾茲曼機(jī)RBM，GRU網(wǎng)絡(luò)具有處理較長時間序列的能力，且更適用于復(fù)雜的規(guī)劃問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于GRU網(wǎng)絡(luò)的UUV實(shí)時避碰規(guī)劃方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一 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)，正北方向為X軸，正東方向為Y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UUV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個波束，波束角為1.5°，每個波束上探測噪聲為±1％；

步驟二 設(shè)計用于實(shí)時避碰規(guī)劃的GRU網(wǎng)絡(luò)；

所設(shè)計的GRU網(wǎng)絡(luò)為端對端模型，可以直接根據(jù)傳感器探測信息得出規(guī)劃結(jié)果，該網(wǎng)絡(luò)模型包含四層，分別為輸入層、隱藏層、中間層以及輸出層；

步驟三 構(gòu)建數(shù)據(jù)集；