本發(fā)明涉及水下機器人的路徑規(guī)劃，特別是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、水下機器人作業(yè)對于水流環(huán)境較為敏感，在不同水域往往需要采取不同的策略。深海環(huán)境水流相對穩(wěn)定，水質(zhì)透光性好，對水下作業(yè)影響相對較??；內(nèi)陸水域則多為淺水區(qū)，受地形和氣候的影響導(dǎo)致水文特征各異，或水流湍急多變，或水質(zhì)濁，水下任務(wù)的種類也較為廣泛。因此在淺水域中的作業(yè)，不僅要求機器人具備優(yōu)秀的作業(yè)性能，同時需要強大的環(huán)境適應(yīng)能力。

2、路徑規(guī)劃是在水下機器人作業(yè)中的重要一環(huán)，傳統(tǒng)的水下機器人路徑規(guī)劃算法多借鑒于無人機等的路徑規(guī)劃算法。在復(fù)雜流場中，水流對于機器人運動的影響不可忽略，傳統(tǒng)算法多考慮避障、能耗等，而忽略了水流的干擾。在流速較高的強流區(qū)中，容易存在水下機器人無法克服的逆流。因此路徑規(guī)劃需考慮路徑的物理可行性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，利用cfd數(shù)值模擬結(jié)合海流數(shù)據(jù)模型作為先驗信息，通過全局采樣結(jié)合局部有向拓展的路徑規(guī)劃方式方法，保證了路徑規(guī)劃的物理可行性，提高了路徑規(guī)劃的效率。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，包括如下步驟：

3、步驟s1：根據(jù)任務(wù)需求對水下航行器與其所處環(huán)境進(jìn)行環(huán)境建模，使其能夠輸出航行器的位置觀測值、下一時刻的環(huán)境狀態(tài)；

4、步驟s2：獲取環(huán)境中的流場邊界速度矢量信息，以此為速度邊界值進(jìn)行cfd數(shù)值模擬，建立全部工況下流場流速信息的仿真數(shù)據(jù)庫；

5、步驟s3：在實際場景下，收集實時水文氣象信息，導(dǎo)入流場仿真數(shù)據(jù)庫，以獲得流場中全部區(qū)域的流速信息；

6、步驟s4：從環(huán)境模型中獲得水下機器人的當(dāng)前位置，針對設(shè)定的目標(biāo)點，進(jìn)行全局采樣及路徑優(yōu)化，以獲得理論可行初始路徑；

7、步驟s5：將步驟4中獲得的初始路徑進(jìn)行可行性檢測，分析出物理可行區(qū)域與物理不可行區(qū)域；

8、步驟s6：對物理不可行區(qū)域進(jìn)行局部有向拓展，修正為物理可行路徑；

9、步驟s7：根據(jù)路徑長度輸出最優(yōu)可達(dá)路徑。

10、在一較佳的實施例中，步驟s1的具體實現(xiàn)方式為：設(shè)置環(huán)境基本信息，主要包括：環(huán)境水平面范圍的邊界尺寸，環(huán)境的柵格尺寸，障礙物的位置信息，路徑規(guī)劃任務(wù)部署時間，環(huán)境與水下機器人的交互頻率，定義其動作空間與觀察空間；

11、水下機器人圍繞水下結(jié)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)時，在障礙物附近應(yīng)當(dāng)依據(jù)指令運動，避免與障礙物發(fā)生碰撞；設(shè)構(gòu)型空間存在障礙物or:和時變流場其中且表示所考慮的時間間隔，流場中的全部位置信息為可觀測；水下機器人運行于中，定義其路徑規(guī)劃任務(wù)為：在流場中尋找一條從起點至目的地的可達(dá)安全路徑ε，路徑由一組控制節(jié)點連接的子路徑構(gòu)成，即

12、若環(huán)境中的水流速度為水下機器人在靜水中的航速為可知水下機器人在環(huán)境中的實際速度為：

13、

14、對流場中的流速較大的區(qū)域：

15、當(dāng)水流速度大于水下機器人的速度，認(rèn)為該區(qū)域水流為強流，否則稱為弱流；

16、當(dāng)環(huán)境中同時存在強流區(qū)和弱流區(qū)時，稱該流場為混合流場；

17、以路徑長度為主要研究指標(biāo)；設(shè)路徑由一組節(jié)點t＝{t1,t2,...tn}組成，其中n是節(jié)點數(shù)量；設(shè)相鄰兩節(jié)點ti和ti+1之間的距離代價為τi＝||ti+1-ti||2，定義代價函數(shù)為：

18、

19、s.t.c1:

20、c2:t1＝tstart,tn＝tgoal

21、c3:

22、上式中，||·||代表歐氏距離；c1表示節(jié)點ti必須位于流場d中；c2表示函數(shù)初始點和最終點必須是規(guī)劃的起點和目標(biāo)點；c3表示任務(wù)時間必須在規(guī)定時間間隔t內(nèi)。

23、在一較佳的實施例中，步驟s2的具體實現(xiàn)方式為：通過環(huán)境下中流場的歷史數(shù)據(jù)，通過cfd對流場進(jìn)行數(shù)值模擬，以柵格形式記錄流場中的流速大小與方向；針對所有工況下，構(gòu)建流場的仿真數(shù)據(jù)庫；

24、流場在相鄰網(wǎng)格點的流速矢量通常具有相似性，對于流場假設(shè)在機器人部署時間內(nèi)，則流場被劃分為有限數(shù)量的單元所有單元的并集為流場域設(shè)f0:表示在時間間隔t內(nèi)流場中所有離散網(wǎng)格點的速度信息，則網(wǎng)格中任一單元ri的速度信息為表示在位置x和時間上的流速向量；

25、對和表示流場，和分別表示流速矢量的大小的方向。對流速矢量的不確定性，將其表示為：

26、

27、在一較佳的實施例中，步驟s3的具體實現(xiàn)方式為：在部署水下機器人之前，獲取環(huán)境中流場的實時邊界流速信息，導(dǎo)入流場仿真數(shù)據(jù)庫，以獲取實時流場流速矢量信息。

28、在一較佳的實施例中，步驟s4的具體實現(xiàn)方式為：從環(huán)境中獲得水下機器人的初始位置，設(shè)定水下機器人需要到達(dá)的目標(biāo)位置，以改進(jìn)快速探索隨機數(shù)算法，獲得一條到達(dá)目標(biāo)點的理論可行的初始路徑。

29、在一較佳的實施例中，步驟s5的具體實現(xiàn)方式為：對初始路徑經(jīng)過的流場柵格中，基于每個柵格中的流速矢量信息，判斷路徑是否物理可行；分離出物理可行區(qū)域與物理不可行區(qū)域。

30、在一較佳的實施例中，步驟s6的具體實現(xiàn)方式為：對物理不可行區(qū)域中的路徑，記錄路徑進(jìn)入不可行區(qū)域的起始點與結(jié)束點，根據(jù)柵格中的流速矢量信息，進(jìn)行搜索物理可行路徑，搜索至結(jié)束點時，則替換不可行區(qū)域中的路徑部分為新修正的路徑部分。

31、在一較佳的實施例中，步驟s7的具體實現(xiàn)方式為：計算路徑的總長度，當(dāng)路徑為全部物理可行且路徑距離最短時，輸出該路徑為最優(yōu)路徑。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

33、1、結(jié)合cfd技術(shù)與海流預(yù)測模型(roms)進(jìn)行作業(yè)環(huán)境構(gòu)建流場數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)水下機器人進(jìn)行路徑規(guī)劃，可以避免無法穿行的強流區(qū)。

34、2、在路徑規(guī)劃時通過全局采樣的方式快速獲得一個初始解，提出一種優(yōu)化方式對路徑進(jìn)行優(yōu)化，可以避免大量迭代次數(shù)帶來的耗時。

35、3.設(shè)計一個局部修正模塊，基于流場數(shù)據(jù)庫，對于流場中存在的局部的強流區(qū)，通過識別和修正獲得物理可行解。

技術(shù)特征：

1.一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s1的具體實現(xiàn)方式為：設(shè)置環(huán)境基本信息，主要包括：環(huán)境水平面范圍的邊界尺寸，環(huán)境的柵格尺寸，障礙物的位置信息，路徑規(guī)劃任務(wù)部署時間，環(huán)境與水下機器人的交互頻率，定義其動作空間與觀察空間；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s2的具體實現(xiàn)方式為：通過環(huán)境下中流場的歷史數(shù)據(jù)，通過cfd對流場進(jìn)行數(shù)值模擬，以柵格形式記錄流場中的流速大小與方向；針對所有工況下，構(gòu)建流場的仿真數(shù)據(jù)庫；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s3的具體實現(xiàn)方式為：在部署水下機器人之前，獲取環(huán)境中流場的實時邊界流速信息，導(dǎo)入流場仿真數(shù)據(jù)庫，以獲取實時流場流速矢量信息。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s4的具體實現(xiàn)方式為：從環(huán)境中獲得水下機器人的初始位置，設(shè)定水下機器人需要到達(dá)的目標(biāo)位置，以改進(jìn)快速探索隨機數(shù)算法，獲得一條到達(dá)目標(biāo)點的理論可行的初始路徑。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s5的具體實現(xiàn)方式為：對初始路徑經(jīng)過的流場柵格中，基于每個柵格中的流速矢量信息，判斷路徑是否物理可行；分離出物理可行區(qū)域與物理不可行區(qū)域。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s6的具體實現(xiàn)方式為：對物理不可行區(qū)域中的路徑，記錄路徑進(jìn)入不可行區(qū)域的起始點與結(jié)束點，根據(jù)柵格中的流速矢量信息，進(jìn)行搜索物理可行路徑，搜索至結(jié)束點時，則替換不可行區(qū)域中的路徑部分為新修正的路徑部分。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟s7的具體實現(xiàn)方式為：計算路徑的總長度，當(dāng)路徑為全部物理可行且路徑距離最短時，輸出該路徑為最優(yōu)路徑。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的淺水域水下機器人路徑規(guī)劃方法，包括:步驟S1、根據(jù)任務(wù)需求對水下航行器與其環(huán)境進(jìn)行環(huán)境建模；步驟S2、獲取環(huán)境中的流場邊界速度矢量信息，建立全部工況下流場流速信息的仿真數(shù)據(jù)庫；步驟S3、在實際場景下，獲得流場中全部區(qū)域的流速信息；步驟S4、從環(huán)境模型中獲得水下機器人的當(dāng)前位置，針對設(shè)定的目標(biāo)點，進(jìn)行全局采樣及路徑優(yōu)化，以獲得理論可行初始路徑；步驟S5、將步驟4中獲得的初始路徑進(jìn)行可行性檢測，分析出物理可行區(qū)域與物理不可行區(qū)域；步驟S6、對物理不可行區(qū)域進(jìn)行局部有向拓展，修正為物理可行路徑；步驟S7、根據(jù)路徑長度輸出最優(yōu)可達(dá)路徑。

技術(shù)研發(fā)人員：羅偉林,程博,陳磊磊,程中博,金豐嶠,陳陽,李可為
受保護(hù)的技術(shù)使用者：福州海洋研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14