[發(fā)明專利]一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法

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• 申請日: 2021-01-27
• 公開（公告）號: CN112904350A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉利釗
• 申請（專利權(quán)）人: 天津藍鰭海洋工程有限公司
• 主分類號: G01S15/93
• 分類號: G01S15/93;G01S15/06
• 代理公司: 天津企興智財知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12226
• 代理人: 李彥彥

1.一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、在水下航行器上設(shè)置不少于一個測距聲納；

S2、通過測距聲納探測設(shè)定范圍內(nèi)的障礙物位置；

S3、對探測到的障礙物進行區(qū)域劃分。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于：

步驟S1所述測距聲納包括中心聲納、垂直聲納以及角度聲納；

中心聲納設(shè)置在水下航行器正前方，用于檢測水下航行器正前方的障礙物；中心聲納將提供正負50度的覆蓋范圍，使水下航行器能夠避開正前方的障礙物，根據(jù)其他的組合聲納采集結(jié)果確定左轉(zhuǎn)操作或右轉(zhuǎn)操作；

垂直聲納設(shè)置在水下航行器的左右側(cè)，用于檢測水下航行器左右側(cè)的障礙物；

角度聲納設(shè)置在相鄰的中心聲納與垂直聲納之間，用于檢測水下航行器正前方的障礙物；兩個角度聲納(或兩個角度和一個中心)將提供可25度交互疊加的覆蓋面和智能定向決策，而五個聲納將提供水下三維空間輪廓跟蹤能力；

測距聲納的設(shè)置角度及數(shù)量可調(diào)節(jié)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于，步驟S2中所述的通過測距聲納探測設(shè)定范圍內(nèi)的障礙物位置的方法包括：

通過測距聲納采集障礙物的半徑信息、位置信息和概率系數(shù)，現(xiàn)有聲納無法準確采集和計算上述三種數(shù)據(jù)，其中概率系數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)定的障礙物參數(shù)系統(tǒng)，半徑信息是對障礙物進行包裹建模形成的標志性參數(shù)；通過在障礙物半徑范圍內(nèi)的附加聲納返回，附加聲納返回是聲納在多次頻繁探測某一位置或者物體后、多次返回的信號和參數(shù)相互疊加附加形成的一種返回型數(shù)據(jù)，增加該障礙物的概率因子及因素和算子，因素為障礙物的類型、算子為該類型障礙物的計算數(shù)值和模型，概率因子是結(jié)合了因素和算子的各自概率之后形成的一個概率描述形式及對應數(shù)值；

概率隨每個附加范圍即障礙物形狀、體積、姿態(tài)所自動形成的一個區(qū)域輪廓范圍，呈指數(shù)增長的公式為：

P＝1-e^-λ·n-β·t

其中，n是范圍數(shù)，λ是概率增長常數(shù)，β是時間衰減常數(shù)，t是障礙物登記后的秒數(shù)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于：設(shè)定超過概率閾值的障礙物為活動障礙物，概率閾值是由行業(yè)、用戶根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定的經(jīng)驗型數(shù)值，并且在回避算法中只使用活動障礙物，回避算法指的是探測到障礙物之后自動躲開回避這個障礙物；

設(shè)定無效障礙物，用于減少所需的數(shù)據(jù)存儲量，障礙物一旦在航行器“后方”移動一定距離，就會被丟棄，標記為無效障礙物；

每個障礙物也有一個計算范圍和方位，計算范圍指的是障礙物輪廓、體積、形狀，其方位指的是放置角度、位置、姿態(tài)，隨著潛航器航向和位置的變化而更新，障礙物的距離和方位決定了水下航行器的自反行為，自反行為指的是自動反饋躲避、規(guī)避或返航；現(xiàn)有潛航器無法完全規(guī)避或自動處理該類型任務(wù)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于：設(shè)定避障區(qū)域、限制區(qū)域和緊急停止航行區(qū)；

若檢測到障礙物位于某個限制區(qū)域內(nèi)，則水下航行器不會采取任何規(guī)避措施；

若檢測到障礙物位于某個避開區(qū)域內(nèi)，則調(diào)整水下航行器的航向以避免碰撞；

若檢測到障礙物太近以致水下航行器無法避免碰撞，代表水下航行器進入緊急停止航行區(qū)，對水下航行器啟動緊急停止操作。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于：在避開區(qū)域內(nèi)，水下航行器偏離其航向的偏航量由以下公式確定：

其中，δφ是偏航修正，K是回避增益，P是前面定義的障礙概率，rmin是最近障礙物的范圍(單位為m)。

7.基于權(quán)利要求6所述的一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于：水下航行器在檢測到避障區(qū)域、限制區(qū)域和緊急停止航行區(qū)時的避讓方法包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種水下航行器立體航行自主避讓障礙物的方法，其特征在于：若檢測到障礙物位于某個限制區(qū)域內(nèi)時，通過多聲納組合的方法將限制航行器向目標移動的航向變化。