[发明专利]多水下机器人协同路径规划方法

说明书

本发明涉及一种多水下机器人协同路径规划方法，包括：采用旋转坐标系下离散化处理的方法对规划空间进行建模；给定目标函数以及约束条件，对各水下机器人的路径规划进行最优化建模；根据规划空间模型以及单水下机器人路径规划的最优化模型，求取各水下机器人的最优化路径；根据各水下机器人的最优化路径，确定多水下机器人协同约束条件下的最优指标函数，求取多水下机器人的最优化路径。本发明通过基于改进的最小一致性理论来初步规划各水下机器人的航行路径，在此基础上重新规划各水下机器人路径以满足协同约束条件，本发明的多水下机器人路径规划方法简单可行，路径平滑、优化时间短、效率高。

技术领域

本发明属于水下机器人导航制导与控制技术领域，尤其涉及一种多水下机器人协同路径规划方法。

背景技术

水下机器人路径规划问题，是指依据已知或实时探测的环境信息，选定优化目标(如路径长度最短、消耗能量最优、或者航行时间最少等)，规划一条从起点到终点的最优路径，且该路径可躲避各类障碍物或威胁，确保航行安全。现有的水下机器人路径规划方法主要借鉴了地面或空中机器人的方法，并结合水下环境特点与机器人性能约束而不断深入，主要包括路标图法、空间分解法、随机规划法、数学规划法、人工势场法、导引法(如几何导引)、行为法(如模糊选择左转/右转等机动行为)等，以及各种方法的组合。其中，空间分解法可处理航行区域内的不规则障碍物，使用灵活方便，它主要包括空间建模与优化求解两步：首先对规划空间进行处理(如构建栅格地图)，从而将路径规划问题建模为典型的优化问题，然后采用数学优化方法(如动态规划法等)或智能优化方法(如遗传算法、粒子群优化等)，寻找一系列连通的单元组成最优路径。然而，现有的空间分解法仍具有路径不平滑、优化时间长等缺陷，需进一步从空间建模或优化求解等角度进行改进。

同时，单个水下机器人的作业能力往往有限，而多个水下机器人系统通过行为协同可显著提升整体的作业效率，但这也增加了水下机器人路径规划问题的难度，因此如何在上述单个水下机器人路径规划问题的基础上结合多水下机器人的协同约束，将是更具有挑战性的研究工作。然而，现阶段在水下机器人领域关于多水下机器人协同路径规划的研究较少，因此，有必要提供一种针对多水下机器人的协同路径规划方法，以规划多水下机器人航行路径。

发明内容

本发明在水下机器人单机路径规划不足的基础上提供了一种多水下机器人协同路径规划方法，基于改进的最小一致性理论来初步规划得到各水下机器人最优路径，在此基础上对各水下机器人最优路径重新规划，以满足多机器人航行时的协同约束条件。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多水下机器人协同路径规划方法，包括以下步骤：

(S1)建立规划空间模型：采用旋转坐标系下离散化处理的方法对规划空间进行建模；

(S2)建立单水下机器人路径规划最优化模型：给定目标函数以及约束条件，对各水下机器人的路径规划进行最优化建模；

(S3)根据规划空间模型以及单水下机器人路径规划的最优化模型，求取各水下机器人的最优化路径；

(S4)根据各水下机器人的最优化路径，确定多水下机器人协同约束条件下的最优指标函数，求取多水下机器人的最优化路径。

优选的，步骤(S1)采用旋转坐标系下离散化处理的方法对规划空间进行建模的方法为：

以水下机器人的起点P_s＝(x_s,y_s)与终点P_d＝(x_d,y_d)的连线P_sP_d为x′轴，以P_s点为原点，构建旋转坐标系o′-x′y′；