基于多项式的UUV空间轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开了一种能够规划出三维空间曲线的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法。包括以下几个步骤：UUV利用传感器获得当前自身位姿、速度信息作为轨迹规划的起点信息，接收轨迹规划的终点信息，接收障碍物信息；利用多项式参数化空间轨迹方程；求解空间轨迹方程的固定系数；求解空间轨迹方程的可调系数的最优值；判断空间轨迹是否满足无碰条件，如果满足无碰条件，将可调系数的最优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹，如果不满足无碰条件，求解可调系数的次优值，并将可调系数的次优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹。本发明专利技术通过可调系数的选取来获得一条空间无碰的、最优的空间曲线轨迹。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种能够规划出三维空间曲线的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法。包括以下几个步骤：UUV利用传感器获得当前自身位姿、速度信息作为轨迹规划的起点信息，接收轨迹规划的终点信息，接收障碍物信息；利用多项式参数化空间轨迹方程；求解空间轨迹方程的固定系数；求解空间轨迹方程的可调系数的最优值；判断空间轨迹是否满足无碰条件，如果满足无碰条件，将可调系数的最优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹，如果不满足无碰条件，求解可调系数的次优值，并将可调系数的次优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹。本专利技术通过可调系数的选取来获得一条空间无碰的、最优的空间曲线轨迹。【专利说明】基于多项式的UUV空间轨迹规划方法
本专利技术属于一种轨迹规划方法，尤其涉及一种基于多项式的UUV空间轨迹规划方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，海洋资源开发的变化，海洋利用区域不断扩大，并不断向深海、远海延伸，认识海洋、开发海洋需要各种高技术手段。作为探索海洋空间的最重要手段之一的无人水下航行器(UUV)技术与探索外空间的运载火箭技术有同等重要的意义，它具有活动范围大、潜水深、机动性好、安全、智能化、运行和维护费用低等优点。但UUV自身携带能源有限，工作时间和距离都受到了限制，需要进行水下能源补给和数据交换，此时就必须要求UUV能够进行回收。运动母船水下自主回收UUV的过程分为三个典型的阶段:集合阶段(Rendezvous)、回玛阶段(Homing)和对接阶段(Docking)。集合阶段的任务是空间轨迹规划和空间轨迹跟踪。空间轨迹规划是UUV自主回收中的第一步，且轨迹规划的好坏直接影响回收过程的安全性和准确性。目前，国内对无人水下航行器轨迹规划问题做了大量的研究。冉红阁提出了一种基于FMM法的路径规划算法，FMM法属于栅格模型规划方法，最后得到了不同地图模型下AUV的轨迹(冉红阁.自主式水下机器人的路径规划与路径跟踪方法研究.中国海洋大学，2009)。曹江丽博士提出了一种基于Q学习的避碰路径规划方法，采用Q学习对机器人反应式行为进行自主学习，以产生优化的行为，这种方法充分提高了系统运行速度(曹江丽.水下机器人路径规划问题的关键技术研究.哈尔滨工程大学，2009)。吴小平、冯正平等人采用蚁群算法结合TSP问题解决了多AUV轨迹规划问题，并仿真验证了该方法具有耗时短、效率高的特点(吴小平，冯正平等.基于蚁群算法的多AUV路径规划仿真研究.计算机仿真，2009, 26(1):150-153)。李欣、朱大奇在传统人工势场法的基础上提出了一种改进势场函数的AUV轨迹规划方法，能够实现AUV对静态、动态障碍物进行很好避碰(李欣，朱大奇.基于人工势场法的自制水下机器人路径规划.上海海事大学学报.2010，31 (2):35-39)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够规划出三维空间曲线的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的:基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，包括以下几个步骤:步骤一:UUV利用传感器获得当前自身位姿、速度信息作为轨迹规划的起点信息，起点信息包括初始时间tQ、初始速度V。、初始位姿qQ = (x0, y0, ζ0, Φ0, θ 0，ψ0),UUV接收轨迹规划的终点信息，终点信息包括终点时间tf、终点速度Vf、终点位姿qf =(xf) yf, zf, φ?; Θ f，Ψ?)，UUV 接收障碍物信息；步骤二:利用多项式参数化空间轨迹方程，得到空间轨迹方程的固定系数与可调系数；步骤三:利用轨迹规划的起点信息和终点信息求解空间轨迹方程的固定系数；步骤四:建立轨迹优化的性能指标，求解空间轨迹方程的可调系数的最优值；步骤五:判断空间轨迹是否满足无碰条件，如果满足无碰条件，将可调系数的最优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹，如果不满足无碰条件，求解可调系数的次优值，并将可调系数的次优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹。本专利技术基于多项式的UUV空间轨迹规划方法还可以包括:1、利用多项式参数化的空间轨迹方程为:X (t) = ao+a^+aat^agt3 y(x) = b0+b1x+b2x2+b3x3+b4x4z (t) = c0+c1t+c2t2+c3t3+c4t4其中，x(t)、y(X)、z (t)为空间轨迹的状态量，a0, a” a2, a3 ；b0, b” b2, b3 ；c0, C1, c2, C3为空间轨迹方程的固定系数，b4，C4为空间轨迹方程的可调系数。2、空间轨迹方程的固定系数为: = (B1) Y1 T = (B2) (Y2_A2b4)T = (B3) (Y3-A3C4)其中各向量为:【权利要求】1.基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，其特征在于，包括以下几个步骤: 步骤一:uuv利用传感器获得当前自身位姿、速度信息作为轨迹规划的起点信息，起点信息包括初始时间td、初始速度V(!、初始位姿q(! = (x0, y0) Z0, Φ0, θ 0, ψ0),UUV接收轨迹规划的终点信息，终点信息包括终点时间tf、终点速度Vf、终点位姿qf =(xf, yf, Zf, Φr, θ f，Vf)，UUV 接收障碍物信息； 步骤二:利用多项式参数化空间轨迹方程，得到空间轨迹方程的固定系数与可调系数； 步骤三:利用轨迹规划的起点信息和终点信息求解空间轨迹方程的固定系数； 步骤四:建立轨迹优化的性能指标，求解空间轨迹方程的可调系数的最优值； 步骤五:判断空间轨迹是否满足无碰条件，如果满足无碰条件，将可调系数的最优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹，如果不满足无碰条件，求解可调系数的次优值，并将可调系数的次优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹。2.根据权利要求1所述的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，其特征在于:所述的利用多项式参数化的空间轨迹方程为: X (t) = a0+a1t+a2t2+a:1t:} y (X) = b0+b1x+b2x2+b3x3+b4x4 Z (t) = c0+c1t+c2t2+c3t3+c4t4其中，x(t)、y (X)、z (t)为空间轨迹的状态量，aQ，a” a2, a3 ；b0, b” b2, b3 ；c0, C1, c2, C3 为空间轨迹方程的固定系数，b4，C4为空间轨迹方程的可调系数。3.根据权利要求2所述的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，其特征在于:所述的空间轨迹方程的固定系数为:4.根据权利要求3所述的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，其特征在于:所述的轨迹优化的性能指标为: 5.根据权利要求4所述的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，其特征在于:所述的轨迹优化的性能指标简化为: 6.根据权利要求4或5所述的基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，其特征在于:所述的空间轨迹的无碰条件为: 【文档编号】G05D1/02GK104020770SQ201410264172【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日 【专利技术者】张伟, 陈海田, 徐达, 张明臣, 严浙平 申请人:哈尔滨工程大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多项式的UUV空间轨迹规划方法，其特征在于，包括以下几个步骤： 步骤一：UUV利用传感器获得当前自身位姿、速度信息作为轨迹规划的起点信息，起点信息包括初始时间t0、初始速度v0、初始位姿q0＝(x0,y0,z0,φ0,θ0,ψ0)，UUV接收轨迹规划的终点信息，终点信息包括终点时间tf、终点速度vf、终点位姿qf＝(xf,yf,zf,φf,θf,ψf)，UUV接收障碍物信息； 步骤二：利用多项式参数化空间轨迹方程，得到空间轨迹方程的固定系数与可调系数； 步骤三：利用轨迹规划的起点信息和终点信息求解空间轨迹方程的固定系数； 步骤四：建立轨迹优化的性能指标，求解空间轨迹方程的可调系数的最优值； 步骤五：判断空间轨迹是否满足无碰条件，如果满足无碰条件，将可调系数的最优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹，如果不满足无碰条件，求解可调系数的次优值，并将可调系数的次优值代入空间轨迹方程，并输出空间轨迹。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，陈海田，徐达，张明臣，严浙平，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23