一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法技术

本发明专利技术提供一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，其中方法包括：确定当前位置、当前速度、障碍物位置和障碍物速度；基于当前位置、当前速度、障碍物位置和障碍物速度，确定期望目标位置；基于模糊人工势场，应用当前位置、当前速度、障碍物位置、障碍物速度和期望目标位置，确定到达期望目标位置的规划避障路径；基于规划避障路径，应用滑模控制进行实时控制，到达期望目标位置，该方法通过模糊人工势场确定当前位置到期望目标位置的规划避障路径，并通过滑模控制完成避障任务，克服障碍物移动对水下机器人运动的影响，实现了同时对静态障碍物和动态障碍物的避障任务，进而提高水下多变环境的避障任务的效果。而提高水下多变环境的避障任务的效果。而提高水下多变环境的避障任务的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法


[0001]本专利技术涉及自动控制
，尤其涉及一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法。

技术介绍

[0002]随着科学技术的进步，人类对海洋领域的探索逐步增加。由于海洋环境中存在的巨石、鱼群和海底沉船等不确定因素，会影响水下机器人作业，造成水下机器人碰撞损坏。因此，提升水下机器人的自主避障规划能力和快速响应能力，已经成为当前水下机器人研究的重要愿景。
[0003]目前针对水下机器人的避障任务主要是对静态障碍物或者动态障碍物两种场景中的其中一种场景单独进行研究，且大部分研究都是针对静态障碍物。但水下环境是多变的，现有的单一场景的避障任务并不能应对多变的水下环境，进而在真实水下环境中水下机器人的避障任务的效果不理想。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，用以解决现有技术中水下机器人在应对多变的水下环境时，避障任务的效果不理想的缺陷。
[0005]本专利技术提供一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，包括：
[0006]确定当前水下机器人位置、当前水下机器人速度、障碍物位置和障碍物速度；
[0007]基于所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置和所述障碍物速度，确定期望目标位置；
[0008]基于模糊人工势场，应用所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置、所述障碍物速度和所述期望目标位置，确定到达所述期望目标位置的规划避障路径；所述模糊人工势场包括排斥势场和模糊吸引势场；
[0009]基于所述规划避障路径，应用滑模控制对水下机器人进行实时控制，到达所述期望目标位置。
[0010]根据本专利技术提供的一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，所述基于模糊人工势场，应用所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置、所述障碍物速度和期望目标位置，确定到达所述期望目标位置的规划避障路径，包括：
[0011]基于所述排斥势场，应用预设安全距离、预设排斥系数、所述当前水下机器人位置、所述障碍物位置和所述期望目标位置，确定防止碰撞排斥分力和防止陷入局部极小值排斥分力；
[0012]基于所述模糊吸引势场，应用预设吸引系数、所述当前水下机器人位置和所述期望目标位置，确定期望吸引力，并基于所述模糊吸引势场中的模糊吸引补偿势场，应用所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置和所述障碍物速度，确定
吸引补偿力；
[0013]基于所述防止碰撞排斥分力和所述防止陷入局部极小值排斥分力，确定排斥合力，并基于所述期望吸引力和所述吸引补偿力，确定吸引合力；
[0014]基于所述排斥合力和所述吸引合力，确定所述规划避障路径。
[0015]根据本专利技术提供的一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，所述排斥合力的计算公式如下：
[0016][0017][0018][0019]式中，F
r
为所述排斥合力，F
r1
为所述防止碰撞排斥分力，F
r2
为所述防止陷入局部极小值排斥分力，U
r
为所述排斥势场函数，k
r
为所述预设排斥系数，ρ为水下机器人与障碍物之间的最小距离，ρ
c
为所述当前水下机器人位置，ρ0为所述预设安全距离，ρ
d
为所述期望目标位置，n为大于0的正整数。
[0020]根据本专利技术提供的一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，所述吸引合力的计算公式如下：
[0021][0022][0023]式中，U
a
为所述模糊吸引势场函数，为所述期望目标位置的吸引势场，U
a_cir
为所述模糊吸引补偿势场函数，k
a
为所述预设吸引系数，ρ
c
为所述当前水下机器人位置，ρ
d
为所述期望目标位置，F
a
为所述吸引合力，F
a_cir
为所述吸引补偿力，V
cir
为所述障碍物速度，y
′
为所述当前水下机器人速度在所述障碍物速度的方向上的速度分量，Δx为在所述障碍物速度垂直方向上水下机器人与障碍物位置之间的距离。
[0024]根据本专利技术提供的一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，所述基于所述规划避障路径，应用滑模控制对水下机器人进行实时控制，到达所述期望目标位置，包括：
[0025]基于非奇异终端滑模控制器，应用系统状态、期望状态和预设水下机器人动力学表达式，确定控制输入力和力矩；所述非奇异终端滑模控制器是基于反正切滑模面和滑模趋近律确定的；所述反正切滑模面是基于反正切三角函数和辅助变量确定的；
[0026]基于所述控制输入力和力矩，应用预设的控制输入力和力矩与脚蹼的控制参数之间的非线性映射关系，确定所述脚蹼的控制参数；所述控制参数包括初始偏置角度、拍动频率和拍动幅值；
[0027]基于所述规划避障路径，应用所述脚蹼的控制参数进行实时控制，到达所述期望目标位置。
[0028]根据本专利技术提供的一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，所述非奇异终端滑模控制器基于如下步骤确定：
[0029]基于反正切三角函数，设计所述反正切滑模面，所述反正切滑模面表示为：
[0030][0031]式中，s为所述反正切滑模面，x1为所述系统状态，x2为所述系统状态x1的导数，β、p和q为所述辅助变量，其中，β>0，p和q为奇数且arctan为引入的反正切三角函数；
[0032]基于所述反正切滑模面和所述滑模趋近律，设计所述非奇异终端滑模控制器，所述滑模趋近律表示为：
[0033][0034]所述非奇异终端滑模控制器表示为：
[0035][0036][0037]式中，为所述滑模趋近律，k和eta为正数，sgn为符号函数，η为所述系统状态，为所述系统状态的一阶导数，为所述系统状态的二阶导数，η
d
为所述期望状态，为所述期望状态的二阶导数，为质量矩阵，为所述预设水下机器人动力学表达式，为所述控制输入力和力矩，为外界扰动，e＝η
d
‑
η为状态误差向量。
[0038]本专利技术还提供一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制装置，包括：
[0039]确定模块，用于确定当前水下机器人位置、当前水下机器人速度、障碍物位置和障碍物速度；
[0040]期望目标确定模块，用于基于所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置和所述障碍物速度，确定期望目标位置；
[0041]路线规划模块，用于基于模糊人工势场，应用所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置、所述障碍物速度和所述期望目标位置，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，其特征在于，包括：确定当前水下机器人位置、当前水下机器人速度、障碍物位置和障碍物速度；基于所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置和所述障碍物速度，确定期望目标位置；基于模糊人工势场，应用所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置、所述障碍物速度和所述期望目标位置，确定到达所述期望目标位置的规划避障路径；所述模糊人工势场包括排斥势场和模糊吸引势场；基于所述规划避障路径，应用滑模控制对水下机器人进行实时控制，到达所述期望目标位置。2.根据权利要求1所述的基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，其特征在于，所述基于模糊人工势场，应用所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置、所述障碍物速度和期望目标位置，确定到达所述期望目标位置的规划避障路径，包括：基于所述排斥势场，应用预设安全距离、预设排斥系数、所述当前水下机器人位置、所述障碍物位置和所述期望目标位置，确定防止碰撞排斥分力和防止陷入局部极小值排斥分力；基于所述模糊吸引势场，应用预设吸引系数、所述当前水下机器人位置和所述期望目标位置，确定期望吸引力，并基于所述模糊吸引势场中的模糊吸引补偿势场，应用所述当前水下机器人位置、所述当前水下机器人速度、所述障碍物位置和所述障碍物速度，确定吸引补偿力；基于所述防止碰撞排斥分力和所述防止陷入局部极小值排斥分力，确定排斥合力，并基于所述期望吸引力和所述吸引补偿力，确定吸引合力；基于所述排斥合力和所述吸引合力，确定所述规划避障路径。3.根据权利要求2所述的基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，其特征在于，所述排斥合力的计算公式如下：在于，所述排斥合力的计算公式如下：在于，所述排斥合力的计算公式如下：式中，F
r
为所述排斥合力，F
r1
为所述防止碰撞排斥分力，F
r2
为所述防止陷入局部极小值排斥分力，U
r
为所述排斥势场函数，k
r
为所述预设排斥系数，ρ为水下机器人与障碍物之间的最小距离，ρ
c
为所述当前水下机器人位置，ρ0为所述预设安全距离，ρ
d
为所述期望目标位置，n为大于0的正整数。
4.根据权利要求2所述的基于模糊人工势场技术的水下机器人避障控制方法，其特征在于，所述吸引合力的计算公式如下：在于，所述吸引合力的计算公式如下：式中，U
a
为所述模糊吸引势场函数，为所述期望目标位置的吸引势场，U
a_cir
为所述模糊吸引补偿势场函数，k
a
为所述预设吸引系数，ρ
c
为所述当前水下机器人位置，ρ
d
为所述期望目标位置，F
a
为所述吸引合力，F
a_cir
为所述吸引补偿力，V
cir
为所述障碍物速度，y
′
为所述当前...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，吕家启，王睿，王硕，谭民，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：