基于人工矢量場的AUV自主回收路徑規劃

薛 源, 嚴衛生, 高 劍, 施淑偉

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基于人工矢量場的AUV自主回收路徑規劃

薛 源, 嚴衛生, 高 劍, 施淑偉

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

針對自主水下航行器(AUV)水下自主回收過程中的路徑規劃問題, 采用人工矢量場法規劃回收路徑。將回收過程劃分為回塢導引階段和入塢階段, 其中回塢導引階段以入塢預備點為目標點, 使用傳統的人工矢量場法為AUV規劃出一條無障礙路徑; 而入塢階段則采用模糊變系數矢量場法, 定義回收入口處的3個虛擬目標點, 將AUV到回收中軸線的距離作為輸入, 通過模糊規則調整虛擬目標點的引力系數, 使人工引力場的梯度方向指向回收入口, AUV沿光滑的入塢路徑以期望的姿態駛進回收入口。仿真結果證明了該路徑規劃方法的有效性。

自主水下航行器；自主回收；路徑規劃；人工矢量場；引力系數

0 引言

自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)在國土防衛、海洋考察等各個領域都發揮著重要的作用。受到自身體積的限制, AUV所能攜帶的能源有限, 這使得AUV無法執行長時間或遠航程的任務。若能充分利用AUV的自主控制能力, 通過特定的回收機構對AUV進行自主回收, 實現AUV的自主能源補給、任務再規劃等, 從而有效提高續航能力、增加任務的多樣性, 且可大大降低任務成本。

路徑規劃是AUV自主回收的關鍵技術之一, 自上世紀90年代以來, 得到了研究人員的廣泛重視。其中, Park等人[1]利用安裝在AUV上的電荷耦合器件來捕捉分布在回收入口邊緣的若干光源, 估計回收平臺入口的準確位置, 采用視覺導引方法進行AUV回收的路徑規劃。Feezor等人[2]則采用電磁導引方法, 回收平臺上安裝有電磁場發生器, AUV通過感應線圈感應回收平臺磁場, 從而進行AUV的回收路徑規劃。Batista 等人[3]利用超短基線水聲定位系統直接測量的到達時間差計算期望的AUV回塢過程的航向和姿態。

上述研究中, 存在著作用距離短、環境要求苛刻、數據計算量大、控制精度差等缺點, 而在水聲定位的基礎上, 采用人工矢量場法進行回收路徑規劃可有效克服這些缺點。

本文將AUV自主回收過程分成回塢導引階段和入塢階段[5-6], 在回塢導引階段采用傳統的人工矢量場法, 引導AUV到達入塢預備點, 在入塢階段則采用模糊變引力系數的人工矢量場法, 使AUV以光滑軌跡進入回收口, 最后采用仿真方法對回收路徑規劃算法的有效性進行了驗證。

1 問題描述

將AUV自主回收過程的路徑規劃分成回塢導引階段和入塢階段, 以回收平臺前方的某一位置為入塢預備點, 從AUV開始自主回收時的位置到入塢預備點為回塢導引階段, 從入塢預備點開始到進入回收口為入塢階段,回收平臺的中心線定義為中軸線, 如圖1所示。

圖1 AUV自主回收示意圖

Fig 1 Schematic of autonomous recovery of AUV

回塢導引階段的路徑規劃目標是, 保證AUV能夠安全的避開障礙物, 到達入塢預備點, 這與傳統的路徑規劃目標是一致的。入塢階段的路徑規劃目標是, 使AUV能夠以期望的航向姿態沿中軸線進入回收平臺。

為保證入塢路徑的平滑性, 入塢預備點位置的選擇應遵循以下原則:

1) 與回收平臺之間無障礙物;

2) 與回收平臺之間的連線和中軸線的夾角不宜過大;

3) 與回收平臺之間的距離不宜過近, 應該有足夠的空間調整航向。

2 回塢導引階段的路徑規劃

采用人工矢量場法為AUV規劃一條從回塢起始點到入塢預備點的無碰路徑, 保證AUV的航行安全。人工矢量場方法假設障礙物產生斥力場, 目標產生引力場, AUV在運動空間中的運動沿其受到引力和斥力的合力方向, 從而向入塢預備點位置運動。這里采用文獻[4]中定義的勢場函數。

與之對應的吸引力為

人工斥力勢函數為

相應的斥力可表示為

其中

3 基于模糊變系數矢量場的入塢路徑規劃

采用人工矢量場法進行路徑規劃時, 只有目標相對于AUV的方位信息, 因此只能判斷回收平臺的位置, 而無法判斷入口方向, 因而無法完成AUV入塢階段的路徑規劃。

圖2 AUV在3個虛擬引力勢場下的受力示意圖

由圖2可以看出, 3個虛擬吸引點分別對AUV產生引力, AUV在合力的作用下向回收入口運動。通過改變3個虛擬吸引點產生作用力的大小調整合力的方向, 從而控制AUV的航向, 使其最終能夠沿著中軸線進入回收平臺。

圖3 入塢階段示意圖

AUV受到的虛擬引力可寫為

圖4 輸入變量D的隸屬度函數

圖5 輸出變量l1,l2和l3的隸屬度函數

4 仿真結果與分析

圖6 基于人工矢量場法規劃出的AUV自主回收路徑

由圖6可以看出, 傳統人工矢量場法在回塢導引階段能夠為AUV規劃一條合理的避障路徑, 保證了AUV的航行安全; 而在入塢階段, 變系數矢量場法則通過模糊控制規則調整3個虛擬點的引力系數, 能夠規劃出一條光滑的入塢路徑, 使AUV以最佳航向角沿中軸線進入回收平臺。

5 結束語

采用人工矢量場法對AUV自主回收路徑規劃問題進行了研究, 將整個回收過程分為回塢導引階段和入塢階段, 分別采用傳統人工矢量場法和模糊變系數矢量場法進行路徑規劃。仿真結果證明了該方法的有效性。下一步將針對回收平臺運動的情況進行回收路徑規劃問題的研究。

[1] Park S Y, Jun B H, Lee P M, et al. Experiment on Vision Guided Docking of an Autonomous Underwater Vehicle Using One Camera[J], Oceanic Engineering, 2009, 36(1): 48-61.

[2] Feezor M D, Sorrell Y, Blankinship P R, et al. Autonomous Underwater Vehicle Homing/Docking via Electromagnetic Guidance[J]. Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 515-521.

[3] Batista P, Silvestre C, Oliveira P. A Sensor-Based Controller for Homing of Underactuated AUVs[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2009, 25(3): 701-716.

[4] 王會麗, 傅衛平.基于改進的勢場函數的移動機器人路徑規劃[J]. 機床與液壓, 2002, (6): 67-71.

Wang Hui-li, Fu Wei-ping， Fang Zong-de, et al. A Path Plann Method for Mobile Robot Based on Improved Potential Field Function[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2002, (6): 67-71.

[5] Jantapremjit P, Wilson P A. Guidance-Control Based Path Following for Homing and Docking using an Autonomous Underwater Vehicle[C]//IEEE, 2008.

[6] Jantapremjit P, Wilson P A. Control and Guidance for Homing and Docking Tasks using an Autonomous Underwater Vehicle[C]//The 2007 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2007: 3672-3677.

A Path Planning Method Based on Artificial Vector Field for Autonomous Recovery of AUV

XUE Yuan, YAN Wei-sheng, GAO Jian, SHI Shu-wei

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072，China)

To solve the path planning problem of autonomous underwater vehicle (AUV) in the process of underwater autonomous recovery, an artificial vector field method is adopted. The whole autonomous recovery process is divided into the homing guidance stage and the docking stage. In the homing guidance stage, the preparatory point for docking is taken as the goal, and an obstacle-free path is planned for AUV by the artificial vector field method. In the docking stage, the three virtual goal points at the recovery entrance of the dock are defined with a fuzzy variable-coefficient vector field method. Taking the distance between dock axis and AUV as the input, the coefficients of vector field are adjusted by a fuzzy control method, and the gradient direction of artificial attraction force field is pointed to the entrance of dock by calculating the attraction force coefficients of the virtual target points by fuzzy rules. Hence, AUV can dock into the recovery entrance along the smooth path in the desired posture. Simulation results verify the effectiveness of the presented method.

autonomous underwater vehicle(AUV); autonomous recovery; path planning; artificial vector field; attraction force coefficient

TP242.3;TJ6

A

1673-1948(2011)02-0104-03

2010-10-27;

2010-11-29.

國家自然科學基金資助(50909082).

薛源(1986-), 男, 在讀碩士, 主要研究方向為水下航行器控制與仿真.

(責任編輯: 楊力軍)