一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法，包括：根据操作杆输入信号计算人为操作的ARV艏向角控制命令和前向速度的控制命令；计算自主控制的ARV艏向角控制命令；构建共享目标函数、及其约束条件和优化求解方法，根据ARV当前的位置、艏向角和局部环境中障碍物的分布位置以及计算的人为操作的ARV艏向角控制命令、自主控制的ARV艏向角控制命令输出艏向角共享控制命令；ARV根据人为操作的前向速度的控制命令、艏向角共享控制命令避让障碍物并执行任务。该方法结合操作人员的遥控和自主控制提高ARV在复杂、未知、非结构化的水下环境中的作业能力、任务表现和安全性，并减轻操作人员的工作负担。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法
本专利技术涉及水下机器人控制领域，具体说是一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人人机共享控制方法。
技术介绍
自主遥控水下机器人(AutonomousandRemotelyOperatedUnderwaterVehicle，ARV)是一种融合AUV和ROV特点的新型水下机器人，其自带能源、使用光纤与母船通信，既具有AUV大范围水下搜索和探测的功能，又可以像ROV一样由操作人员进行实时操作控制以实现定点观测及水下轻作业。ARV为人类探索、研究和开发海洋提供了便利。目前ARV主要的控制方式包括自主控制和遥控。受限于传感器和智能技术的发展水平，自主控制一般用于执行预编程的搜索、观测等比较简单的任务，应用场景有限；在复杂、未知的水下环境中执行任务时一般采用遥控方式，遥控方式下由操作人员直接控制ARV观测或作业，ARV系统的任务表现取决于操作人员的技术水平，ARV的安全性也较低，操作人员的工作负担较重。
技术实现思路
针对上述自主控制和遥控中存在的问题，本专利技术的目的在于提本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法，其特征在于包括以下步骤：/n由操作人员依据传感器检测的ARV当前的位置P

【技术特征摘要】
1.一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法，其特征在于包括以下步骤：
由操作人员依据传感器检测的ARV当前的位置PARV、艏向角ψARV和局部环境中障碍物的分布位置Pobs操作操作杆，根据操作杆输入计算人为操作的ARV艏向角控制命令ψh和前向速度的控制命令vh；
根据Pobs和PARV计算自主控制的ARV艏向角控制命令ψapf；
构建共享目标函数、及其约束条件和优化求解方法，根据ARV当前的位置PARV、艏向角ψARV和局部环境中障碍物的分布位置Pobs以及计算的人为操作的ARV艏向角控制命令ψh、自主控制的ARV艏向角控制命令ψapf输出艏向角共享控制命令ψshare；
ARV根据前向速度的控制命令vh、艏向角共享控制命令ψshare控制ARV避让障碍物并执行任务。


2.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法，其特征在于所述计算人为操作的ARV艏向角控制命令ψh和前向速度的控制命令vh的公式如下：






式中，t为时刻；Jx和Jy为操作人员在操作杆x和y轴上的控制输入量，其中Jx控制ARV的艏向角，Jy控制ARV的前向速度，并且Jx∈[-1，1]、Jy∈[-1，1]；ψARV为ARV当前的艏向角；kψ为调节艏向角增量的增益系数；vmax为ARV的最大前向速度；Jxd≥0和Jyd≥0分别为在操作杆x和y轴0位置附近设定的死区阈值。


3.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法，其特征在于所述根据Pobs和PARV计算自主控制系统的ARV艏向角控制命令ψapf包括：
①若环境中存在一个障碍物，使用下式计算自主控制系统的ARV艏向角控制命令ψapf：
ψapf(t)＝atan(yv-yo，xv-xo)
式中，PARV＝[xv，yv]为ARV当前的位置坐标，[xo，yo]为障碍物的位置；
②若环境中存在多个障碍物，则：
使用下式计算第i个障碍物对ARV运动影响的大小ri：



式中，i为障碍物编号，dobs_i为ARV与第i个障碍物之间的欧氏距离，dshare、dsafe、ko为设计参数，dshare>0为障碍物对ARV航行安全产生影响的最大距离，dsafe>0为保障ARV与障碍物之间安全的距离阈值，dshare、dsafe根据ARV的运动半径确定，ko(1≥ko>0)为比例系数，用于调整自主避障行为辅助其他行为避障的程度；
以ri为模的大小，ψapf_i为方向确定第i个障碍物对ARV影响的向量Vobs_i，使用下式通过矢量相加求得所有障碍物对ARV影响的向量的和向量，使用和向量的方向作为自主控制模块输出的控制命令ψapf：



式中，n为环境中对ARV航行安全产生影响的障碍物数量。


4.根据权利要求1所述的一种基于多目标优化的自主遥控水下机器人共享控制方法，其特征在于所述共享目标函数包括服从度函数obedience(ψ)、自主度函数autonomy(ψ)和稳定度函数stability(ψ)，用于对艏向角控制命令变量ψ的不同取值进行评估，形式均如下：
aim(ψ)＝exp(-χ|ψ-ψaim|)
式中，aim表示目标函数，ψaim为目标...

【专利技术属性】
技术研发人员：田宇，王兴华，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21