一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法技术

一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法，涉及一种UUV动态避障方法。解决了现有UUV的路径规划方法在动态环境中存在避开移动障碍物的准确性差的问题。本发明专利技术将障碍物的运动不确定性转化为位置不确定性；根据障碍物的运动不确定性，获得最小安全角α1和最大安全角α2；获得多障碍物对UUV造成的综合速度危险度，根据UUV动力学约束规律，确定UUV运动的速度空间，根据障碍物的位置不确定性和障碍物的最大作用范围，获得UUV与所有障碍物的最小碰撞时间；利用UUV的综合速度危险度和UUV与所有障碍物的最小碰撞时间，获得UUV的优化目标路径函数；利用速度障碍法寻找目标函数的最小值点，作为UUV运动的下一个航路点，实现对UUV运动路径的规划。本发明专利技术适用于UUV动态避障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种UUV动态避障方法。
技术介绍
随着人类对海洋资源需求的不断增加,人类的活动空间逐渐由近岸、浅海扩展到了更深的海域，UUV技术得到了越来越多的关注,尤其在各国的军事领域中扮演着越来越重要的角色。UUV(UnmannedUnderwaterVehicle无人水下航行器)的航路规划是高效、安全的完成作业任务的重要保障。而UUV在航行中有可能会遇到动态障碍物，这就要求UUV能够对移动障碍物做出迅速有效的避障反应。国内外众多学者对动态避障问题进行了深入的研究，提出了许多有效的规划方法，比如人工势场法(APF)、向量场直方图法、动态窗法(DWA)和行为法等，它们对局部环境具有较强的适应能力，仅依赖有限传感器信息在线避碰，具备很高的效率。然而对动态障碍物而言，潜在碰撞区才是真实的危险区，非当前障碍物区域，存在避开移动障碍物的准确性差的问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有UUV的路径规划方法在动态环境中，存在避开移动障碍物的准确性差的问题。提出了一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法。本专利技术所述的一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法，该方法的具体步骤为：步骤一、将障碍物的运动不确定性转化为位置不确定性；根据障碍物的运动不确定性，获得最小安全角α1和最大安全角α2；步骤二、根据步骤一获得的最小安全角α1和最大安全角α2，获得第i个障碍物对于UUV以速度vr航行时的危险度VRi(vr)为：VRi(vr)=1γ≤α1α2-γα2-α1α1<γ<α20γ≥α2---(1)]]>其中，γ是UUV与障碍物的碰撞角；i＝1,2,...,n，n为障碍物的个数；n个障碍物对UUV的航行速度vr产生多个不同的速度危险度，n个障碍物对UUV造成的综合速度危险度为：VR(vr)=1-Πi=1n(1-VRi(vr))---(2)]]>步骤三、根据UUV动力学约束规律，确定UUV运动的速度空间Ωr；步骤四、根据障碍物的位置不确定性和障碍物的最大作用范围，建立UUV到达障碍物边缘的最短时间函数；获得UUV与所有障碍物的最小碰撞时间tcol(vr)；其中，Xro为UUV与障碍物之间的距离和为障碍物Oi半径的上限估计值；步骤五、利用UUV的综合速度危险度VR(vr)和UUV与所有障碍物的最小碰撞时间tcol(vr)，获得UUV的优化目标路径函数；步骤六、利用速度障碍法寻找目标函数的最小值点，作为UUV运动的下一个航路点，实现对UUV运动路径的规划。本专利技术将障碍物的运动不确定性转化为位置不确定性，既降低障碍物运动不确定性带来的碰撞影响，也避免了动障碍物直接膨化带来的避碰保守问题，UUV提高避碰安全性。通过UUV的综合速度危险度和可达速度空间中的最大前向速度，确定UUV的优化目标路径函数，使得UUV避碰决策速度快，能在动障碍环境下获得较好的避碰效果，对未知动态环境有良好的适应性。附图说明图1为本专利技术中UUV环境建模示意图；图2为本专利技术中UUV速度障碍的避碰过程示意图；图3为具体实施方式一所述的UUV与障碍物的碰撞角示意图；图4为本专利技术中UUV动态避碰仿真图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法，该方法的具体步骤为：步骤一：将障碍物的运动不确定性转化为位置不确定性，获得障碍物Oi半径的下限估计值Rro和障碍物Oi半径的上限估计值根据障碍物的运动不确定性，获得障碍物Oi半径的下限估计值Rro：Rro＝Ro+Rr+δp障碍物Oi半径的上限估计值δp是障碍半径的估计偏差，ΔRo是障碍物运动不确定性的估计上限，Rsafe是安全距离，Ro是障碍物半径，Rr是UUV半径；根据障碍物半径估计下限Rro，计算最小安全角根据障碍物半径的估计上限得最大安全角γ为UUV与障碍物的碰撞角，当α1<γ<α2时，由于障碍物的运动不确定性，UUV保持当前航速和航向与障碍物发生碰撞是概率事件，γ越靠近α1，UUV与障碍物发生碰撞的概率越大，γ越靠近α2，UUV与障碍物发生碰撞概率越小；第i个障碍物对于UUV以速度vr航行时的危险度VRi(vr)：VRi(vr)=1γ≤α1α2-γα2-α1α1<γ<α20γ≥α2---(1)]]>由于碰撞角γ：当障碍物的速度vo确定，对于UUV的速度变化空间中任意一个速度vr，求出UUV与障碍物的相对运动速度vro和UUV与障碍物的距离Xro获得相应的速度危险度，即UUV以速度vr航行会带来的安全风险；对于多障碍物会对UUV的航行速度vr产生多个不同的速度危险度，对UUV造成的综合速度危险度为：VR(vr)=1-Πi=1n(1-VRi(vr))---(2)]]>步骤二：在速度空间上，考虑UUV的运动学约束，UUV的可达速度空间为：Ωr={vxvy=vrcos(θr)vrsin(θr)|Vr‾≤vr≤Vr‾,θr‾≤θr≤θr‾本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：步骤一、将障碍物的运动不确定性转化为位置不确定性；根据障碍物的运动不确定性，获得最小安全角α1和最大安全角α2；步骤二、根据步骤一获得的最小安全角α1和最大安全角α2，获得第i个障碍物对于UUV以速度vr航行时的危险度VRi(vr)为：其中，γ是UUV与障碍物的碰撞角；i＝1,2,...,n，n为障碍物的个数；多障碍物对UUV的航行速度vr产生多个不同的速度危险度，n个障碍物对UUV造成的综合速度危险度VR(vr)为：步骤三、根据UUV动力学约束规律，确定UUV运动的速度空间Ωr；步骤四、根据障碍物的位置不确定性和障碍物的最大作用范围，建立UUV到达障碍物边缘的最短时间函数；获得UUV与所有障碍物的最小碰撞时间tcol(vr)；其中，Xor为UUV与障碍物之间的距离和为障碍物Oi半径的上限估计值；步骤五、利用UUV的综合速度危险度VR(vr)和UUV与所有障碍物的最小碰撞时间tcol(vr)，获得UUV的优化目标路径函数；步骤六、利用速度障碍法寻找目标函数的最小值点，作为UUV运动的下一个航路点，实现对UUV运动路径的规划。...

【技术特征摘要】
1.一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：
步骤一、将障碍物的运动不确定性转化为位置不确定性；根据障碍物的运动不确定性，
获得最小安全角α1和最大安全角α2；
步骤二、根据步骤一获得的最小安全角α1和最大安全角α2，获得第i个障碍物对于UUV以
速度vr航行时的危险度VRi(vr)为：
其中，γ是UUV与障碍物的碰撞角；i＝1,2,...,n，n为障碍物的个数；
多障碍物对UUV的航行速度vr产生多个不同的速度危险度，n个障碍
物对UUV造成的综合速度危险度VR(vr)为：
步骤三、根据UUV动力学约束规律，确定UUV运动的速度空间Ωr；
步骤四、根据障碍物的位置不确定性和障碍物的最大作用范围，建立UUV到达障碍物
边缘的最短时间函数；获得UUV与所有障碍物的最小碰撞时间tcol(vr)；其中，Xor为UUV与障碍物之间的距离和为障碍物Oi半径的上限估计值；
步骤五、利用UUV的综合速度危险度VR(vr)和UUV与所有障碍物的最小碰撞时间tcol(vr)，获得UUV的优化目标路径函数；
步骤六、利用速度障碍法寻找目标函数的最小值点，作为UUV运动的下一个航路点，实
现对UUV运动路径的规划。
2.根据权利要求1所述的一种基于速度障碍法的UUV动态避障方法，其特征在于，步骤
一中所述的根据障碍物的运动不确定性，获得最小安全角α1和最大安全角α2的方法为：
根据障碍物的运动不确定性，获得障碍物Oi半径的下限估计值Rro：Rro＝Ro+Rr+δp障碍物
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，王秀芳，严浙平，陈涛，李娟，滕延斌，
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