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专利号: 2024100049492
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于自适应动态窗口法的UUV三维避障规划方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1,构建固定坐标系、UUV载体坐标系以及UUV运动模型,具体如下:所述固定坐标系是指北东地坐标系NED,用于描述UUV的位姿,UUV位置和姿态参数设为Tη=[x,y,z,φ,θ,ψ];

其中,φ表示UUV的横倾角,ψ表示UUV的方位角,θ表示UUV的俯仰角;

采用固定在UUV重心处的载体坐标系描述UUV的速度,UUV速度参数设为V=[u,v,w,p,Tq,r];

其中,u表示UUV的纵荡速度,v表示UUV的横荡速度、w表示UUV的垂荡速度,p表示UUV的横倾角速度,q表示UUV的纵倾角速度,r表示UUV的转艏角速度所述UUV为欠驱动UUV,UUV的横荡速度v、垂荡速度w、横倾角φ以及横倾角速度p均为零,UUV的运动模型如下:UUV的控制输入分别为纵荡加速度 纵倾角速度q以及转艏角速度r;

步骤2,构建UUV加速度和角速度采样空间,即动态窗口法的搜索空间;基于采样加速度、采样角速度及UUV运动模型生成UUV的候选轨迹;

步骤3,基于Tanhshrink函数以及候选轨迹末端到目标位置的距离,构建艏向评价函数,设计针对陷阱障碍物的艏向评价函数自适应调整策略;

所述艏向评价函数设计为:

其中,△ψ表示UUV在当前采样加速度和角速度下航行到候选轨迹末端时,目标位置在UUV载体坐标系下的方位角;disc为UUV当前位置到目标位置的距离;dis和s1为正的自适应参数;

所述设计针对陷阱障碍物的艏向评价函数自适应调整策略为:当UUV遭遇陷阱障碍物时,减弱△ψ对艏向评价函数的影响,将艏向评价函数设置为与转艏角速度相关的函数其中,rmax为最大转艏角速度,s4和s5>0为调节因子;

当UUV遭遇陷阱时,减小s5;当UUV沿其右侧障碍物航行时,s4<0;当沿其左侧障碍物航行时,s4>0;

步骤4,构建基于UUV巡航速度的速度评价函数,设计针对动态障碍物的速度评价函数自适应调整策略;

所述构建基于UUV巡航速度的速度评价函数,表示为:其中,为UUV巡航速度, 为UUV最大纵荡速度,s2和s3为大于零的调节因子;

所述设计针对动态障碍物的速度评价函数自适应调整策略为:首先判断采用调整UUV的纵荡速度实现避障的可能性;

设UUV的安全距离为dsafe,障碍物在载体坐标系中的方位角为ψ1,俯仰夹角为θ1;C1为障碍物推算轨迹与UUV候选轨迹碰撞发生的位置;UUV以最大纵荡加速度和最大纵荡减速度移动至位置C1所用时间分别为ta和tb;ta或tb时间后,障碍物与C1的距离为d2,障碍物在载体坐标系下的方位角和俯仰角分别为ψ2和θ2;当ψ1随着UUV与障碍物运动而变化时:若ta时间后,障碍物未到达C1,即ψ1ψ2>0或θ1θ2>0,且满足d2>dsafe,则对于 的动作,令s2=0且s3=‑s3;

若tb时间后,障碍物已经过位置C1,即ψ1ψ2<0或θ1θ2<0,且满足d2>dsafe,则对于 的动作,令s2=0且s3=‑s3;

步骤5,基于UUV加速度和角速度采样空间,以最小化评价函数为目标选择最佳加速度、角速度方案。

2.根据权利要求1所示一种基于自适应动态窗口法的UUV三维避障规划方法,其特征在于,步骤2中,构建UUV加速度和角速度采样空间,采样空间中的加速度和角速度能生成安全的运动轨迹,采样元素包括UUV纵荡加速度 纵倾角速度q以及转艏角速度r;

UUV在航行过程中受运动学约束,设UUV当前速度为ut,动态窗口预测未来dt时间的UUV轨迹,则:根据UUV的动力学,UUV加速度和角速度受执行机构力和力矩的限制,即:其中, 和 分别为最大纵荡减速度和最大纵荡加速度,qt和rt分别为当前时刻纵倾角速度和转艏角速度; 和 分别为最大纵倾角加速度和最大转艏角加速度;

考虑到避障需求,UUV候选轨迹与障碍物之间的最小距离 应始终大于安全距离dsafe,则纵荡加速度 纵倾角速度q以及转艏角速度r还应满足:UUV在避障过程中,首先以最大纵倾角速度qmax航行至目标深度,然后在目标深度下航行至目标位置,设zg为UUV与目标深度差,则此时UUV纵倾角速度q所受约束为Vq:综上,UUV的加速度和角速度采样空间Vs为:

Vs=Vm∩Vd∩Vc∩Vq。

3.根据权利要求1所示一种基于自适应动态窗口法的UUV三维避障规划方法,其特征在于,步骤5中基于UUV加速度和角速度采样空间,以最小化评价函数为目标选择最佳加速度、角速度方案,具体为:对于采样速度 评价函数为:

其中, 表示采样速度 下,UUV候选轨迹安全性评价函数,取值为候选轨迹与障碍物最近距离的倒数,e1、e2、e3为各项评价函数的权值;e为归一化项;当UUV遭遇陷阱障碍物时,