基于三维速度势场的AUV部分避碰研究.docx

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1、基于三维速度势场的AUV部分避碰研究摘要：以势场方法的思想为出发点，提出一种基于速度势场的AUV部分避碰仿真方法根据AUV的特点建立了空间碰撞危险区域和由程度面速度势场和垂直面速度势场组成的三维速度势场该方法较好地利用了相对速度的信息仿真实验证实此方法可以使AUV在水下多运动障碍物的环境中得到较好的部分避碰效果，为今后的海试打下了很好的根底关键词：自治式水下机器人；部分避碰；速度势场；运动障碍物1引言Introduction避碰问题一直是AUVAutonomousUnderwaterVehicle运动规划中的一个根本问题，由于水下环境的复杂性，不仅要考虑静止的障碍物，还应考虑挪动障碍物部分的避

2、碰较多地使用基于势场的方法J势场法在解决静态障碍物的部分避碰问题时，具有实时性好、比拟实用的优点，但当障碍物为运动障碍时，其效果并不理想，会导致AUV无效运动，其典型的运动是运动障碍将AUV推离其运动轨迹，而实际二者并不会碰撞我们以为，这种无效运动的产生是由于势场一般是建立在AUV的构型空问上，且其避碰决策只使用障碍物的间隔信息，而没有使用障碍物的速度信息实际上，AUV的避碰规划应该含有对将来危险的回避，因此首先要对碰撞的危险做出预测，然后再进展有效的运动规划因此，一些学者在对挪动障碍物的部分避碰问题的研究中，着重研究怎样利用速度等障碍的运动信息，并提出了不同的决策方法Nam以每个观察周期为感

3、悟决策周期，使用随机模型预测运动障碍物在该周期的运动，对其可能到达的空间点设定概率值，在此根底上建立部分的人工势场，实现部分避碰Ko_4将AUV和障碍物之间的相对速度在二者位置连线上的投影值作为加权因索，对二者的实际间隔进展修改，建立虚间隔的概念，以虚间隔为变量建立势场Tsubouchi使用虚阻抗的方法，其中借用阻尼的概念，利用AUV和障碍物之问的相对速度产生阻尼力该阻尼力作用在相对速度方向上，与间隔成正比，而与相对位置无关尽管这些方法都以不同的方式利用了速度信息，但其方法都是以基于位置的方法为根底的，即将速度信息通过某种方式转化为位置信息，或用速度信息对位置信息进展加权修正，然后进展基于位置

4、的避碰决策与之不同，本文将直接利用相对速度信息，根据AUV的动态环境，利用相对速度的极坐标，建立由程度面速度势场和垂直面速度势场组成的三维速度势场，在AUV碰到障碍物时通过调整速度矢量实现部分避碰2算法描绘Descriptionofthealgorithm在挪动障碍物的避碰经过中，对障碍物的尺寸进展膨化处理，AUV对膨化过的障碍物进展避碰如图1所示：AUVR作为点处理，挪动障碍物0经过彭化处理呈球状，球心为0点球半径OA根据障碍物方位和速度信息定义，以垂直于ROAUV与障碍物的空间间隔连线的直径圆0-AB为底面、RO为高，形成圆锥形碰撞危险区域AUV相对障碍物的空间速度为VsubRO/sub，

5、假设VsubRO/sub落在圆锥ROAB中，即ROn月一DAB那么表示构成危险，VsubRO/sub间隔RO越近那么危险度越大改变y舢的大小和方向都将影响碰撞危险程度避碰的原那么：通过不断地改变运动速度和方向，使VsubRO/sub逃离圆锥形碰撞危险区域，绕过障碍物align=center图1相对速度和碰撞区域示意图/align3速度势场的建立Thedesignofvelocitypotentialfield由于AUV工作环境的特殊性，需要建立相应的水下三维速度势场本文将上述碰撞危险区域划分为程度面和垂直面，把AUV和障碍物的空问速度VsubR/sub、VsubO/sub和VsubRO/sub

6、分解为VsubRxy/sub、VsubOxy/sub、VsubROxy/sub程度面和VsubRxz/sub、VsubOxz/sub、VsubROxz/sub垂直面，并将所有的速度矢量用极坐标V，表示，其中V为V的模，为V与P的夹角由此，把三维的空间碰撞危险区域转化为程度面和垂直面碰撞区域，如图2所示程度面危险区域为R-KI-O-K2，相对速度VsubROxy/sub落在此区域内，那么以为存在碰撞危险；垂直面危险区域为R-KI-O-K2，同理，VsubROxz/sub在此区域，存在危险align=center图2碰撞危险区域平面划分/align在V，上建立程度面速度势场Us和垂直面速度势场Uc

7、：Us表示AUV在程度面的速度势场，代表AUV在程度面的碰撞危险度是AUV到挪动目的0的程度面间隔，dsubms/sub为AUV与挪动目的之间允许的最近间隔；xy是VsubROxy/sub与R0的夹角其中，Usubds/sub用于衡量AUV与目的之间的最短间隔，Usubts/sub是对碰撞发生时间的衡量当Usubs/sub0时，表示程度相对速度矢量处于碰撞区域内；Usubs/sub越大表示碰撞危险程度越高根据Usubs/sub的大小，AUV应做出相应的决策，使Usubs/sub减小同理，我们可以得到垂直面速度势场Usubc/sub的表达式：假设Usubds/sub和Usubts/sub都大于0

8、，由式9得到最终的合成速度势场U：其中：“为合成算子，本文中优先考虑程度面速度势场的影响在避碰经过中，我们采用势场法算法中通用的方法，使Usubds/sub和Usubts/sub沿其负梯度方向变化，因负梯度方向屉U下降最快的方向因此，分别求Usubds/sub和Usubts/sub的梯变：我们将势场负梯度方向作为运动障碍物的相对速度矢量在程度面X-Y和垂直面X-Z中的期望增量方向。通过设定增量长度，得到期望的相对速度增量矢量VsubROxy/sub和VsubROxz/sub由于障碍物是不受控制的，所以VsubROxy/sub和VsubROxz/sub只能由AUV的速度变化实现当有多个运动障碍物

9、时，可将多个增量矢量相加，合成速度合矢量4仿真例如Simulationexample为了讲明本文建立的三维速度势场的有效性，下面给出AUV碰到运动障碍物A、B时的仿真例如在仿真中，AUV为圆形全方位挪动机器人把AUV的速度分解为y程度方向和-z垂直方向，并建立X-Y和X-Z平面如图3、4所示：图3分别为仿真开场后t=2S、t=16s和t=24S时AUV与障碍物和的程度面轨迹曲线，其中虚线局部为AUV在没有障碍情况下的程度航迹；图4分别为仿真开场后t=2s、t=16s和24s时AUV与障碍物A和B的垂直面轨迹曲线，其中虚线局部为AUV在没有障碍情况下的垂直航迹可以清楚地看到，通过改变AUV相对速度矢量，可以到达很好的避碰效果align=center /align5结论Conclusion本文提出了一种基于三维速度势场理论的AUV部分避碰方法，以速度势场的形式充分地利用了相对速度的信息，因此可以较好地实现对挪动障碍物部分避碰、同时，由于该算法是利用相对速度推导出的，因此对于运动或者静止的障碍物都适用