[發(fā)明專利]一種RRT與人工勢場法相結(jié)合的AUV目標(biāo)搜索方法

在審

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• 申請日: 2022-06-17
• 公開（公告）號: CN114879706A
• 公開（公告）日: 2022-08-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李娟;張子浩;張韻;唐照東;周佳加;陳濤
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于無人系統(tǒng)的自主控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種RRT與人工勢場法相結(jié)合的AUV目標(biāo)搜索方法。本發(fā)明針對人工勢場算法在密集障礙物環(huán)境下的規(guī)劃局限性問題，利用RRT算法自身的隨機(jī)性特點(diǎn)，解決了人工勢場方法在AUV搜索過程中存在的目標(biāo)不可達(dá)問題。二者的結(jié)合，提高了AUV在三維密集障礙物環(huán)境下的目標(biāo)可達(dá)性。本發(fā)明不僅解決了三維密集障礙物環(huán)境下的搜索規(guī)劃問題，更為復(fù)雜環(huán)境下的規(guī)劃提供了新思路，具有創(chuàng)新性和實(shí)際適用性，可用于實(shí)際環(huán)境。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無人系統(tǒng)的自主控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種RRT與人工勢場法相結(jié)合的AUV目標(biāo)搜索方法。

背景技術(shù)

自主水下航行器(AUV)是人類用來探索未知海洋環(huán)境的有力工具，未來，AUV技術(shù)的發(fā)展空間會不斷擴(kuò)大，伴隨著相關(guān)研究熱點(diǎn)的出現(xiàn)，研究限制也越發(fā)突顯。AUV在未知環(huán)境下的路徑規(guī)劃、緊急避障、目標(biāo)搜索等課題都是當(dāng)下的熱點(diǎn)主題，其中如何實(shí)現(xiàn)AUV在三維復(fù)雜環(huán)境中科學(xué)高效地搜索目標(biāo)并完成相應(yīng)的任務(wù)是十分重要的課題。

目前部分學(xué)者提出在二維環(huán)境下高效的搜索算法，卻沒有在搜索維度上進(jìn)行擴(kuò)展，沒有考慮算法的三維有效性；部分學(xué)者針對三維環(huán)境下的搜索進(jìn)行研究，但只是單純地對目標(biāo)搜索算法進(jìn)行研究，沒有將搜索方法與AUV自身的約束條件聯(lián)系在一起，導(dǎo)致算法實(shí)用性較差；還有部分學(xué)者提出利用異構(gòu)載運(yùn)工具進(jìn)行協(xié)同搜索，例如水面航行器和水下航行器協(xié)作搜索等，增加了搜索的成本和復(fù)雜性。

現(xiàn)實(shí)任務(wù)中的海洋環(huán)境是三維的，且往往存在著密集的障礙物，復(fù)雜環(huán)境下AUV搜索路徑的規(guī)劃問題，暫時未有學(xué)者提出相應(yīng)的方法。在礙物數(shù)量多且目標(biāo)之間距離近的環(huán)境中，應(yīng)用人工勢場方法進(jìn)行搜索路徑規(guī)劃時，易陷入引力斥力平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致AUV停滯不前。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服人工勢場方法在復(fù)雜環(huán)境搜索過程中存在的目標(biāo)不可達(dá)問題，提供一種RRT與人工勢場法相結(jié)合的AUV目標(biāo)搜索方法。

一種RRT與人工勢場法相結(jié)合的AUV目標(biāo)搜索方法，包括以下步驟：

步驟1：采用柵格法分割A(yù)UV搜索區(qū)域的水下環(huán)境，將搜索區(qū)域分割為M*N*K個柵格單元，柵格集合為t＝{(i,j,k)|i＝1,2...M；j＝1,2,...N；k＝1,2,...K}，每個柵格表示k水深度代價(jià)矩陣中的第i行第j列；

步驟2：AUV通過聲吶探測尋找目標(biāo)，若聲吶探測范圍內(nèi)存在目標(biāo)，則執(zhí)行步驟5；若聲吶探測范圍內(nèi)不存在目標(biāo)，則更新AUV周圍的環(huán)境信息后，執(zhí)行步驟3：

步驟3：結(jié)合更新后的環(huán)境信息，求解搜索決策函數(shù)，得到下一步要搜索的最佳搜索點(diǎn)；

搜索決策函數(shù)：

f(a,t)＝I_B(a,t+1)+I_D(a,t+1)

其中，I_B(a,t+1)為搜索任務(wù)收益，I_B(a,t+1)＝k₁dis(S_n,t)+k₂turn(S_n,t)；dis(S_n,t)表示t時刻AUV從當(dāng)前位置到候選搜索點(diǎn)S_n之間的路徑代價(jià)；turn(S_n,t)表示t時刻AUV從當(dāng)前位置到候選搜索點(diǎn)S_n之間的轉(zhuǎn)向角代價(jià)；

其中，τ為路徑代價(jià)系數(shù)；(x_n,y_n,z_n)為候選搜索點(diǎn)S_n的坐標(biāo)；α為設(shè)定的AUV轉(zhuǎn)向角邊界值；β_n表示AUV從當(dāng)前航向轉(zhuǎn)向候選搜索點(diǎn)S_n的轉(zhuǎn)向角；k_w為常數(shù)；