一种基于威胁度评估的水下航行器避障方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于威胁度评估的水下航行器避障方法和系统，其中方法包括获取水下航行器向着所有可能方向运动的速度和位置；确定目标时刻水下航行器每个运动方向所经过的最佳位置以及所有运动方向中的最佳位置；所述所有运动方向中的最佳位置为水下航行器下一步的运动位置；更新每个时刻水下航行器各个运动方向的速度和位置；构建水下航行器的空间路径规划模型；构建威胁度评估网络模型；根据水下航行器的空间路径规划模型和威胁度评估网络模型进行水下航行器避障。当水下航行器在执行任务过程中出现不确定事情，能够避免水下航行器与障碍物或者其他水下航行器发生碰撞，对不确定事件的威胁评估，提高了多水下航行器的安全性和任务的完成效率。全性和任务的完成效率。全性和任务的完成效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于威胁度评估的水下航行器避障方法和系统


[0001]本专利技术属于水下航行器控制
，尤其涉及一种基于威胁度评估的水下航行器避障方法和系统。

技术介绍

[0002]自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)是一种具备自主导航与规划能力、可代替人类执行水下作业任务的无人运载平台，相比于载人潜水器或有缆型无人航行器，具有隐蔽性好、机动性高、使用灵活、活动范围广等独特优势，代表了水下航行器的未来发展方向，并已广泛应用于各类军用与民用领域。然而，随着AUV应用领域与应用需求的不断扩大，AUV的任务场景与任务要求等也日益复杂。
[0003]AUV路径规划是指依据已知环境信息或从传感器(如前视声呐、高频雷达等)实时探测的环境信息(如障碍信息、洋流信息等)，在安全躲避各类障碍威胁的前提下，规划一条从起始点到目标点、满足AUV性能约束、某任务代价指标下最优(如能量消耗最少、航行时间最短等)的路径。该问题的核心思路主要包括环境建模与优化搜索两部分：首先，按照某些规则将规划空间划分，从而将路径规划问题建模为特定空间下的优化搜索问题；然后，采用合适的优化搜索算法，寻找在某指标下的可行最优路径。国内外学者对AUV路径规划问题从不同角度进行了大量的研究，从规划空间建模的角度出发，主要包括基于图形的方法、空间分解法、随机规划法、数学规划法、人工势场法。
[0004]然而，AUV路径规划技术大多仅适用于无障碍或稀疏障碍环境下，而复杂海洋环境下的AUV路径规划问题一直未得到有效的解决。该问题的难点主要体现在海洋环境具有复杂性，具体包括三维搜索空间、环境非结构化(例如包含多种类型的密集水下障碍物、存在非凸区域等)、环境动态性(例如存在动态洋流、运动威胁等)、环境不确定性(规划空间信息部分或完全未知)等，而现有方法存在较大的局限性，难以兼顾路径最优性、可行性、实时性、复杂环境约束、AUV性能约束等要求，因此AUV在复杂海洋环境下的路径规划能力仍有很大的提升空间。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种基于威胁度评估的水下航行器避障方法和系统。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种基于威胁度评估的水下航行器避障方法，包括：获取水下航行器向着所有可能方向运动的速度和位置；确定目标时刻水下航行器每个运动方向所经过的最佳位置以及所有运动方向中的最佳位置；所述所有运动方向中的最佳位置为水下航行器下一步的运动位置；更新每个时刻水下航行器各个运动方向的速度和位置；构建水下航行器的空间路径规划模型；构建威胁度评估网络模型；
根据水下航行器的空间路径规划模型和威胁度评估网络模型进行水下航行器避障。
[0007]进一步地，所述更新每个时刻水下航行器各个运动方向的速度和位置，包括：根据以下公式更新每个时刻水下航行器各个运动方向的速度和位置：；其中，v
id
(t+1)为t+1时刻水下航行器各个运动方向的速度；w
s
为惯性权因子，用于控制水下航行器速度；v
id
(t)为t时刻水下航行器各个运动方向的速度；c1为加速常数，即平衡运动方向自身极值的加速权值因子；c2为加速常数，即平衡运动方向全局极值的加速权值因子；r1和r2均为在0和1之间均匀分布的随机数；p
id
(t)为t时刻水下航行器在一个运动方向的最佳位置；x
id
(t)为t时刻水下航行器的位置；g
gd
(t)为t时刻水下航行器在所有运动方向的最佳位置；x
id
(t+1)为t+1时刻水下航行器的位置；d为空间维度；i为第i个可能运动方向。
[0008]进一步地，所述惯性权因子的表达式为：；其中，w
max
为惯性权因子的最大取值；w
min
为惯性权因子的最小取值；iterNum为当前的迭代次数；iterNum
max
为设定的最大迭代次数。
[0009]进一步地，所述平衡运动方向自身极值和全局极值的加速权值因子的表达式分别为：；其中，c
1min
为平衡运动方向自身极值的加速权值因子的最小值；c
1max
为平衡运动方向自身极值的加速权值因子的最大值；c
2min
为平衡运动方向全局极值的加速权值因子的最小值；c
2max
为平衡运动方向全局极值的加速权值因子的最大值。
[0010]进一步地，所述构建水下航行器的空间路径规划模型，包括：构建水下航行器水下空间路径规划模型的表达式为：；
其中，M为水下航行器控制器的最终输出变量，即水下航行器推进器加速度的大小；g为水下航行器控制器的输出数据变量；R(V'
cm
)为选择处理动态障碍物的规则器，其大小取决于水下航行器运动方向与动态障碍物的移动方向之间的角度差；V'
cm
为水下航行器速度的最大值；V
o
为动态障碍物运动速度；d
o
为动态障碍物运动速度阈值；α为激活因子；Dis为水下航行器与动态障碍物的距离；d1为水下航行器与动态障碍物的安全距离。
[0011]进一步地，所述构建水下航行器的空间路径规划模型，还包括：构建水下航行器在水平面上空间路径规划模型的表达式为：；；其中，m
h
为水下航行器水平面控制器输出数据变量；a
l
为水下航行器左推进器的加速度；a
r
为水下航行器右推进器的加速度；M
h
为水下航行器水平面控制器的最终输出量；g
l
为水平面左模糊控制器输出量；g
r
为水平面右模糊控制器输出量；R(u'
cm
)为选择处理水平面动态障碍物的规则器；u'
cm
是水下航行器的线速度u'的最大值；R
l
为水平面动态障碍物左规则器；R
r
为水平面动态障碍物右规则器；设水下航行器的运动方向的角度为φ
R
，动态障碍物的运动方向的角度为φ
o
，φ
m
=φ
R
‑
φ
o
；当0＜φ
m
≤30度时，R
l
＜R
r
，水下航行器选择左转以避开动态障碍物；当
‑
30度≤φ
m
＜0时，R
l
＞R
r
，水下航行器选择右转以避开动态障碍物。
[0012]进一步地，所述构建威胁度评估网络模型，包括：定义威胁度评估网络模型的参数θ的先验概率服从 Dirichlet 分布，威胁度评估网络模型的后验概率为：；其中，P（D|G）为威胁度评估网络模型的后验概率；I为第I个变量；n为变量的总数；q
I
为贝叶斯网络的节点总数；J为贝叶斯网络中的节点；；k为节点J的父本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于威胁度评估的水下航行器避障方法，其特征在于，包括：获取水下航行器向着所有可能方向运动的速度和位置；确定目标时刻水下航行器每个运动方向所经过的最佳位置以及所有运动方向中的最佳位置；所述所有运动方向中的最佳位置为水下航行器下一步的运动位置；更新每个时刻水下航行器各个运动方向的速度和位置；构建水下航行器的空间路径规划模型；构建威胁度评估网络模型；根据水下航行器的空间路径规划模型和威胁度评估网络模型进行水下航行器避障。2.根据权利要求1所述的基于威胁度评估的水下航行器避障方法，其特征在于，所述更新每个时刻水下航行器各个运动方向的速度和位置，包括：根据以下公式更新每个时刻水下航行器各个运动方向的速度和位置：；其中，v
id
(t+1)为t+1时刻水下航行器各个运动方向的速度；w
s
为惯性权因子，用于控制水下航行器速度；v
id
(t)为t时刻水下航行器各个运动方向的速度；c1为加速常数，即平衡运动方向自身极值的加速权值因子；c2为加速常数，即平衡运动方向全局极值的加速权值因子；r1和r2均为在0和1之间均匀分布的随机数；p
id
(t)为t时刻水下航行器在一个运动方向的最佳位置；x
id
(t)为t时刻水下航行器的位置；g
gd
(t)为t时刻水下航行器在所有运动方向的最佳位置；x
id
(t+1)为t+1时刻水下航行器的位置；d为空间维度；i为第i个可能运动方向。3.根据权利要求2所述的基于威胁度评估的水下航行器避障方法，其特征在于，所述惯性权因子的表达式为：；其中，w
max
为惯性权因子的最大取值；w
min
为惯性权因子的最小取值；iterNum为当前的迭代次数；iterNum
max
为设定的最大迭代次数。4.根据权利要求3所述的基于威胁度评估的水下航行器避障方法，其特征在于，所述平衡运动方向自身极值和全局极值的加速权值因子的表达式分别为：；其中，c
1min
为平衡运动方向自身极值的加速权值因子的最小值；c
1max
为平衡运动方向自身极值的加速权值因子的最大值；c
2min
为平衡运动方向全局极值的加速权值因子的最小值；c
2max
为平衡运动方向全局极值的加速权值因子的最大值。5.根据权利要求1所述的基于威胁度评估的水下航行器避障方法，其特征在于，所述构建水下航行器的空间路径规划模型，包括：构建水下航行器水下空间路径规划模型的表达式为：
；其中，M为水下航行器控制器的最终输出变量，即水下航行器推进器加速度的大小；g为水下航行器控制器的输出数据变量；R(V'
cm
)为选择处理动态障碍物的规则器，其大小取决于水下航行器运动方向与动态障碍物的移动方向之间的角度差；V'
cm
为水下航行器速度的最大值；V
o
为动态障碍物运动速度；d
o
为动态障碍物运动速度阈值；α为激活因子；Dis为水下航行器与动态障碍物的距离；d1为水下航行器与动态障碍物的安全距离。6.根据权利要求5所述的基于威胁度评估的水下航行器避障方法，其特征在于，所述构建水下航行器的空间路径规划模型，还包括：构建水下航行器在水平面上空间路径规划模型的表达式为：；；其中，m
h
为水下航行器水平面控制器输出数据变量；a
l
为水下航行器左推进器的加速度；a
r
为水下航行器右推进器的加速度；M
h
为水下航行器水平面控制器的最终输出量；g
l
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹翔，孙长银，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：