[發(fā)明專利]基于改進人工勢場法的多水下機器人編隊避障方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011521835.3
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112650239B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉帥;陳家?guī)?/a>;王祎帆;王偉
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 武博

1.基于改進人工勢場法的多水下機器人編隊避障方法，其特征在于，包括：

初始化水下機器人群組的狀態(tài)信息；

水下機器人群組基于鄰居水下機器人勢場以及分布式一致性算法進行編隊運動；

水下機器人節(jié)點v_i勢場設(shè)計為：

其中，k₁、k₂分別表示水下機器人節(jié)點v_i斥力勢場參數(shù)和引力勢場參數(shù)；d(q_i，q_j)表示水下機器人節(jié)點v_i與v_j間的距離范式，且d(q_i，q_j)＝||q_i-q_j||；r(i，j)與R(i，j)分別表示水下機器人節(jié)點v_i斥力勢場的最大作用半徑和引力勢場的最小作用半徑；

在水下機器人間勢場力和目標區(qū)域合力作用下，基于分布式一致性算法，水下機器人群組開始在向目標區(qū)域運動的過程中完成編隊；在該過程中的控制輸入設(shè)計為：

其中，γ₀、γ₁分別是位置和速度控制相關(guān)的系數(shù)，D^*∈(r(i，j)，R(i，j))表示機器人i與機器人j之間的期望距離，以表示編隊信息；a_ij≥0表示權(quán)重；V_i(t)表示水下機器人節(jié)點v_i的速度信息；

判斷水下機器人群組是否形成指定編隊隊形，若水下機器人群組形成指定編隊隊形，基于目標區(qū)域勢場做朝向目標區(qū)域方向的運動，同時躲避運動過程中的障礙物；

判斷水下機器人群組是否處于障礙物勢場中，若水下機器人群組處于障礙物勢場中則判斷其是否陷入局部最優(yōu)陷阱；當群組陷入局部最優(yōu)陷阱時，水下機器人群組所受合力為零；

若水下機器人群組陷入局部最優(yōu)陷阱，則基于障礙函數(shù)的輔助勢場使水下機器人群組逃離局部最優(yōu)陷阱；

當所述水下機器人群組陷入局部最優(yōu)陷阱時，障礙函數(shù)給水下機器人群組一個與運行方向垂直的額外作用力使水下機器人群組擺脫局部最優(yōu)的影響；

所述水下機器人群組能在有限的時間內(nèi)形成指定的編隊隊形并保持隊形參與避障，在避障完成之后能夠很快恢復(fù)隊形；

水下機器人群組在障礙物勢場及目標區(qū)域勢場的聯(lián)合作用下做避障運動，到達目標區(qū)域時完成任務(wù)；

考慮到海流因素、目標區(qū)域勢場、障礙物勢場、以及內(nèi)部勢場的聯(lián)合作用，避障控制輸入設(shè)計為：

其中，K表示避障函數(shù)調(diào)節(jié)系數(shù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進人工勢場法的多水下機器人編隊避障方法，其特征在于，若水下機器人群組未形成指定編隊隊形，則水下機器人群組繼續(xù)進行基于鄰居水下機器人勢場以及分布式一致性算法的編隊運動。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進人工勢場法的多水下機器人編隊避障方法，其特征在于，若水下機器人群組未處于障礙物勢場中，則判斷水下機器人群組是否到達目標區(qū)域所在區(qū)域。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于改進人工勢場法的多水下機器人編隊避障方法，其特征在于，如果已經(jīng)到達目標區(qū)域則水下機器人群組完成任務(wù)，否則水下機器人群組繼續(xù)基于目標區(qū)域勢場做朝向目標區(qū)域方向的運動。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進人工勢場法的多水下機器人編隊避障方法，其特征在于，若水下機器人群組處于障礙物勢場中但并未陷入局部最優(yōu)陷阱，則水下機器人群組在障礙物勢場以及目標區(qū)域勢場的聯(lián)合作用下做避障運動。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進人工勢場法的多水下機器人編隊避障方法，其特征在于，在每個水下機器人基于鄰居水下機器人勢場以及分布式一致性算法的進行編隊運動之前，先獲取鄰居水下機器人以及目標區(qū)域的位置信息；所有水下機器人只與編隊中的部分機器人進行信息交互。