CN111522334A - 一种波浪滑翔器局部路径规划方法 - Google Patents

一种波浪滑翔器局部路径规划方法 Download PDF

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CN111522334A CN201911216742.7A CN201911216742A CN111522334A CN 111522334 A CN111522334 A CN 111522334A CN 201911216742 A CN201911216742 A CN 201911216742A CN 111522334 A CN111522334 A CN 111522334A
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孙秀军
桑宏强
周莹
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course, altitude or attitude of land, water, air or space vehicles, e.g. using automatic pilots
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
    • G05D1/0206—Control of position or course in two dimensions specially adapted to water vehicles

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Abstract

本发明公开了一种波浪滑翔器局部路径规划方法，特别涉及应用于波浪滑翔器自主航行观测领域，波浪滑翔器是一种利用其特殊双体结构转换波浪起伏为前向动力的无人自主航行器。针对波浪滑翔器执行走航观测任务，利用人工势能场算法得到局部路径，本发明具有所得路径平滑且连续、避免陷入局部最优点、提高任务执行效率的优点。

Description

一种波浪滑翔器局部路径规划方法
技术领域
本发明涉及一种波浪滑翔器局部路径规划方法，特别涉及应用于波浪滑翔器自主航行观测领域。
背景技术
波浪滑翔器是一型利用其特殊双体结构转换波浪起伏为前向动力的无人自主航行器。主要由浮体船、脐带缆、牵引机三部分组成。利用以上三部分组成的多刚体结构将波浪能转化为前向动力，利用浮体船上的太阳能电池板为波浪滑翔器导航、通讯和运动控制等模块提供能源供给。具有长期连续航行、自主导航定位、人工智能识别等功能，按照0.5～1米/秒的速度可实现1年1万公里的海上连续航行而无需能源补给，从而完成海水表层温盐、流场、波浪以及大气层下垫面风、温、气压等环境参数连续走航测量，增加特定声、光、电传感器可以实现水下、水面和空中目标监视和探测。
当前的路径规划方法主要分为两大类，分别是启发式方法与确定性方法，因确定性方法具有确定解，往往被适用于机器人局部路径规划当中，人工势能场作为其中的一种局部路径规划方法，其基本思想是将机器人在周围环境中的运动，设计成一种抽象的人造引力场中的运动，目标点对移动机器人产生“引力”，障碍物对移动机器人产生“斥力”，最后通过求合力来控制移动机器人的运动。应用人工势场法规划出来的路径一般是比较平滑并且安全，但是这种方法存在局部最优点问题。本发明中通过引入多个子目标点来避免局部最优点的问题。本发明具有规划路径平滑，路径连续性好，避免陷入局部最优点的优点。
发明内容
本发明公开了一种波浪滑翔器全局路径规划方法，特别涉及应用于波浪滑翔器自主航行观测领域。本发明主要目的在于为波浪滑翔器走航观测提供局部路径，通过局部路径规划方法，得到波浪滑翔器的期望航向，使波浪滑翔器所航行路径平滑且连续，且本发明具有避免陷入局部最优点的优点。
本发明实现步骤如下：
步骤一：波浪滑翔器利用GPS模块获取当前位置点信息，并以当前位置为起始点，通过岸基监控系统进行通讯，得到目标点信息；
步骤二：运用全局路径规划方法，得到全局最优路径；
步骤三：对已有全局路径进行划分，得到子目标点集合，运用局部路径规划方法，得到当前第一个子目标点的期望航向；
步骤四：对已经得到的期望航向，结合当前航向，得到舵角。当速度传感器检测到波浪滑翔器速度为0时，判断波浪滑翔器陷入局部最优，此时更改子目标点，使其引力增大，使波浪滑翔器走出局部最优点。
本发明具有如下优点：
1.本发明所得到的路径平滑且连续；
2.本发明可避免陷入局部最优点以提高走航效率；
附图说明
图1是波浪滑翔器装置图；
图2是波浪滑翔器局部路径规划仿真地图；
图3是波浪滑翔器局部路径规划所得路径仿真图；
具体实施方式
本发明利用人工势能场算法进行局部路径规划，目的在于为波浪滑翔器走航观测提供局部路径，通过局部路径规划方法，得到波浪滑翔器的期望航向，使波浪滑翔器所航行路径平滑且连续，且本发明具有避免陷入局部最优点的优点。
波浪滑翔器装置如图1所示，波浪滑翔器是双体结构，浮体船上装载通讯系统及传感器系统，牵引机通过浮体提供的浮力，利用波浪进行驱动行进。当波浪滑翔器需要执行走航任务时，波浪滑翔器通过浮体船上GPS模块得到当前位置，通过岸基监控系统进行通讯，得到目标点的位置信息。
波浪滑翔器在得到起始位置与目标位置之后，初始化地图信息，在地图上定义起始位置与目标位置，运用全局路径规划方法得到全局路径。
针对已有的全局路径进行划分，得到子目标点集合，运用局部路径规划方法，建立人工势能场，得到当前第一个子目标点的期望航向。如图3所示为波浪滑翔器局部路径规划势能场分布仿真图，其中所建立的人工势能场如公式(1)-(3)所示。
Uattr＝λattr·[ρ(X,G)]k·[sinθ(X,G),cosθ(X,G)] (1)
Urepu＝λrepu·[1/ρ(X,O)]k·[sinθ(X,O),cosθ(X,O)] (2)
Utotal＝Uattr-Urepu (3)
其中Uattr为引力势能，Urepu为斥力势能，Utotal为合势能。
图3(a)为波浪滑翔器航行路径仿真图，在图中定义当前点与目标点，通过局部路径规划方法，在波浪滑翔器航行过程中，通过激光雷达周扫得到障碍物位置，利用人工势能场算法，进行动态避障，仿真结果显示波浪滑翔器可顺利通过障碍物到达目标点，最终得到仿真路径。
波浪能滑翔器局部路径规划方法，具有路径平滑且连续、避免陷入局部最优点的优点，可提高波浪滑翔器走航效率，本发明可广泛应用于自主航行海洋观测平台而不仅限于波浪滑翔器。

Claims (2)

1.一种波浪滑翔器局部路径规划方法，其特征在于，所述一种波浪滑翔器局部路径规划方法具有以下步骤：
步骤一：波浪滑翔器利用GPS模块获取当前位置点信息，并以当前位置为起始点，通过岸基监控系统进行通讯，得到目标点信息；
步骤二：运用全局路径规划方法，得到全局最优路径；
步骤三：对已有全局路径进行划分，得到子目标点集合，运用局部路径规划方法，得到当前第一个子目标点的期望航向；
步骤四：对已经得到的期望航向，结合当前航向，得到舵角。当速度传感器检测到波浪滑翔器速度为0时，判断波浪滑翔器陷入局部最优，此时更改子目标点，使其引力增大，使波浪滑翔器走出局部最优点。
2.根据权利要求1所述的一种波浪滑翔器局部路径规划方法，其特征在于，波浪滑翔器局部路径规划方法，基于人工势能场算法，所建立的势能场模型如下所示：
Uattr＝λattr·[ρ(X,G)]k·[sinθ(X,G),cosθ(X,G)] (1)
Urepu＝λrepu·[1/ρ(X,O)]k·[sinθ(X,O),cosθ(X,O)] (2)
Utotal＝Uattr-Urepu (3)
其中Uattr为引力势能，Urepu为斥力势能，Utotal为合势能。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113012474A (zh) * 2021-02-07 2021-06-22 中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司 一种针对渔船作业区的波浪滑翔器避碰方法
CN115061482A (zh) * 2022-08-19 2022-09-16 中国海洋大学 一种波浪滑翔器全局路径规划方法及系统

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