[发明专利]水下航行器路径规划算法

说明书

水下航行器路径规划算法，用于规划水下航行器的航行路径。该方法将水下障碍均近似等效为几何凸面体，建立以水下航行器航行目标点为中心的汇流场，构建自由环境下航行目标点的初始流场并引入水下障碍物的影响对初始流场进行校正，获得修正流场，并基于修正力促行获得水下航行器的路径点，从而获得航行路径。本发明规划的路径质量较高，水下航行器总能安全避开障碍物并最终到达目标点。为水下航行器自主控制系统搭载该路径规划算法，可进一步提高水下自主航行器的自主感知和决策控制能力，提高自主航行能力。

技术领域

本发明涉及航行器导航与控制技术领域，具体为一种水下航行器路径规划算法。

背景技术

自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，以下简称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，一些与新应用不相适应的技术问题也日渐暴露，成为制约其发展的瓶颈。

AUV作为一类典型的自主无人系统，智能化与自主化是其本质特征与未来趋势。然而，现有AUV的自主能力受限，某些情况下还需由岸上或船上控制站全时监控并发送控制指令，任务执行效率低且难以保证安全性。因此，如何进一步提高AUV自主航行能力，实现AUV自主感知、决策与控制，是保证AUV满足复杂任务应用需求的关键。结合近年来AUV领域的发展趋势可知，路径规划技术是提高其自主能力和航行安全的关键技术之一。

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。

AUV路径规划技术虽然已取得了大量研究成果，但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。

发明内容

本发明的目的在于结合水下的环境特点，提出一种适用于水下航行器的路径规划算法，使水下航行器自动适应各类静态障碍、动态威胁的复杂水下环境。

为了实现以上目的，本发明提供如下的技术方案：

水下航行器路径规划算法，用于规划水下航行器的航行路径，包括以下步骤：

S1：将水下障碍均近似等效为几何凸面体，采用统一的凸面体方程进行描述：

其中，a,b,c,p,q,r为决定几何凸面体大小和形状的常数，(x₀,y₀,z₀)表示几何凸面体的中心，Γ(P)＝1为障碍物表面方程；

S2：建立以水下航行器航行目标点为中心的汇流场：