无人水下航行器IVFH避碰方法技术

无人水下航行器IVFH避碰方法，涉及一种无人水下航行器的避碰方法。本发明专利技术提出一种无人水下航行器二维IVFH避碰方法，使无人水下航行器在航行过程中通过处理传感器数据获得障碍物位置信息后，能够着眼于安全性和快速性，使无人水下航行器具有一定的类人智能，综合障碍物距离、目标点距离、自由栅格百分比和已知视域百分比等因素，决策出合理的避碰动作，即：确定航向、航速指令，以规避障碍物，避免危险。本发明专利技术适用于无人水下航行器的避碰场合。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无人水下航行器的避碰方法。
技术介绍
无人水下航行器是辅助人类完成海洋开发工作的有效手段。由于海洋环境的复杂性、不确定性和非结构性，无人水下航行器航行过程中需要在全局路径规划的基础上，以声呐为主要探测手段对周围的环境信息实时感知，根据具体的局部环境做出合理的动作响应，以规避先验知识以外、全局路径规划未预知的风险和障碍。避碰能力是无人水下航行器智能水平的集中体现，对其实现真正自主具有重要意义。无人水下航行器常用的避碰方法包括人工势场法、智能计算方法和VFH方法等。人工势场法原理简单、反应迅速，但是存在易陷入局部极小点、在几个障碍物的排斥场相交的区间内运动时易发生振荡等固有缺陷。鉴于此，部分学者提出改进措施，例如，焦鹏等人通过添加两种虚拟力，可脱离“无限大”障碍物与U形障碍物形成的局部最小；朱大奇等人提出一种指数势场函数，可解决传统势场函数引力斥力数值变化过快问题。以神经网络、遗传算法和粒子群优化为代表的智能计算方法为避碰问题提供了在线学习、在线优化的解决方案，但是往往在计算过程中需要较大的存储空间和运行时间，难以满足实时性要求，可能导致无人水下航行器未来得及做出避碰决策就发生碰撞。VFH方法自1991年提出并获得广泛应用以来，一方面有效证明了其实用性，另一方面也逐渐暴露出该方法对阈值敏感、缺乏对机器人运动学及动力学特性的考虑等不足，针对以上缺陷，陆续提出一系列改进的VFH方法：VFH+方法考虑了机器人宽度和轨线，使之能逐步转向预定航向，满足机器人运动学及动力学约束，但该方法只是一种纯局部避障算法，容易在多个障碍物中迷失方向；VFH*方法在VFH+方法基础上加入预测机制，即预测以下几个周期机器人的位置和周围环境的关系，在几个可能角度之间进行优化选择，使得机器人能在局部范围找到一个较优运动方向，但是该方法本质上仍是一种局部避障算法，并且，该方法没有考虑到周围障碍物的速度，它选择出的运动方向有可能不是最优的，并且运用该算法时存在执行时间和预测准确性之间的矛盾；VFH#算法首先进行局部环境预测，重新确定静态动态栅格，为后续的最优选择提供准确的参数，该算法不再是静态环境下的避障算法，而是一种局部动态环境下的避障算法，利用该方法，机器人能在局部动态环境下选择较优的行进方向。
技术实现思路
本专利技术提出了一种无人水下航行器二维IVFH(IntelligentVectorFieldHistogram，智能向量场直方图)避碰方法，使无人水下航行器在航行过程中通过处理传感器数据获得障碍物位置信息后，能够着眼于安全性和快速性，使无人水下航行器具有一定的类人智能，综合障碍物距离、目标点距离、自由栅格百分比和已知视域百分比等因素，决策出合理的避碰动作，即：确定航向、航速指令，以规避障碍物，避免危险。无人水下航行器IVFH避碰方法，它包括以下步骤：步骤一、根据障碍物距离、目标点距离、自由栅格百分比和已知视域百分比进行环境态势评估；步骤二、综合各项归一化的环境态势指标，应用模糊推理，确定避碰航速以及避碰动作幅度，其中，避碰动作幅度体现为单障碍物对各个候选航向安全因子计算公式中的安全系数；步骤三、计算各个候选航向的安全因子和快捷因子；步骤四、计算各个候选航向的适应度及行进代价，根据行进代价评选最佳航向作为下一时刻航向指令；步骤五、输出航向指令、航速指令，驱动无人水下航行器航行。步骤二具体为：步骤二一、将障碍物距离的归一化数值目标点距离的归一化数值自由栅格百分比和已知视域百分比按照对速度的影响加权求和，得到综合环境因素对无人水下航行器航速的影响因子： a v = w v o b j d ‾ o b j min + w v d e s t d ‾ d e s t + w v f r e e N ‾ f r e e + w v k n V ‾ k n ]]>式中：和分别表示和对航速的影响权重，且满足：步骤二二、将av模糊化，经过模糊推理及反模糊化，得到航速指令的清晰值vcmd；在此过程中，av和vcmd均采用{VB、B、M、S、VS本文档来自技高网...

【技术保护点】
无人水下航行器IVFH避碰方法，其特征是：它包括以下步骤：步骤一、根据障碍物距离、目标点距离、自由栅格百分比和已知视域百分比进行环境态势评估；步骤二、综合各项归一化的环境态势指标，应用模糊推理，确定避碰航速以及避碰动作幅度，其中，避碰动作幅度体现为单障碍物对各个候选航向安全因子计算公式中的安全系数；步骤三、计算各个候选航向的安全因子和快捷因子；步骤四、计算各个候选航向的适应度及行进代价，根据行进代价评选最佳航向作为下一时刻航向指令；步骤五、输出航向指令和航速指令，驱动无人水下航行器航行。

【技术特征摘要】
1.无人水下航行器IVFH避碰方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、根据障碍物距离、目标点距离、自由栅格百分比和已知视域百分比进行环境态
势评估；
步骤二、综合各项归一化的环境态势指标，应用模糊推理，确定避碰航速以及避碰动作
幅度，其中，避碰动作幅度体现为单障碍物对各个候选航向安全因子计算公式中的安全系
数；
步骤三、计算各个候选航向的安全因子和快捷因子；
步骤四、计算各个候选航向的适应度及行进代价，根据行进代价评选最佳航向作为下
一时刻航向指令；
步骤五、输出航向指令和航速指令，驱动无人水下航行器航行。
2.根据权利要求1所述的无人水下航行器IVFH避碰方法，其特征在于步骤二具体为：
步骤二一、将障碍物距离的归一化数值目标点距离的归一化数值自由栅格
百分比和已知视域百分比按照对速度的影响加权求和，得到综合环境因素对无人水
下航行器航速的影响因子：
a v = w v o b j d ‾ o b j m ...

【专利技术属性】
技术研发人员：严浙平，张耕实，李本银，徐健，陈涛，
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