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专利号: 2022101527651
申请人: 江苏科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2025-08-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种水下机器人三维路径规划和控制方法,其特征在于,包括如下步骤:S1:通过适应度函数评估路径质量,构造AUV路径;

S2:通过RB-FWH算法对构造的AUV路径进行规划,基于设计解的编码方式,获取到规划好的AUV路径;

S3:AUV开始根据GPS惯性导航和多普勒计程仪测量的AUV的实时地理位置开始按照规划好的AUV路径进行航行;

S4:当检测到障碍物时,将拍到的障碍物与水下环境高程模型中的障碍物特征进行比对,比对成功后,修正GPS惯性导航和多普勒计程仪的数据,确定AUV实际位置,如果偏离预设路径,则控制AUV回到预设路线,继续按照预设的路径航行;

步骤S2中RB-FWH算法是通过Rosenbrock算法对FWH算法的种群更新步骤进行优化获得,具体的优化过程为:A1:初始化种群;

A2:构建概率模型;

A3:采样概率模型,产生规模为M的参数候选解;

A4:基于参数候选解,确定新的优秀候选解;

A5:通过Rosenbrock算法更新当前最优解;

A6:更新概率向量,获得每个区间优秀解的概率;

A7:算法停止并给出结果;

步骤A1具体为:对参数候选解规模M,每个变量的区间等分数N,优秀候选解规模S,学习概率α,迭代次数H给定初始值;

步骤A2具体为:对变量的连续空间[a,b]进行N等分,每个区间长度为开始时每个区间的取值概率相同都为步骤A3具体为:对每个个体的每一维变量进行取值,采用轮盘赌随机抽样法产生规模为M的参数候选解;

步骤A4具体为:基于适应度函数,计算参数候选解的适应值,根据其适应值,对候选解排序,选择前S个适应度高的作为优秀候选解;

步骤A5具体为:从当前S个群体中随机选择T个个体作为初始点进行Rosenbrock搜索,将得到的新个体作为新一代群体的一部分;

步骤A6具体为:对于变量某一维取值的连续空间,在它的N个划分小区间里统计每个区间优秀解的概率,概率为Pi:步骤A7具体为:当算法到达迭代次数或给定精度后,算法停止并给出结果。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人三维路径规划和控制方法,其特征在于,所述步骤S1中适应度函数为:Ffitness=Llength+Ssmooth+Osecurity其中,Llength为路径长度,Ssmooth表示路径平滑程度,Osecurity表示路径安全性,其值为零则代表路径安全。

3.根据权利要求2所述的一种水下机器人三维路径规划和控制方法,其特征在于,所述步骤S1的适应度函数中Llength、Ssmooth和Osecurity的表达式分别如下:其中,DisPsPt代表起点与终点的欧氏距离,Lpath代表整条路径的实际长度;

其中,Numeven表示一条路径中弯曲程度超过AUV最大转弯半径的路径段数量,如果一条路径弯曲程度超过AUV最大转弯半径,则该条路径视为不可行路径;Nseg表示一条路径中路径段的总数量;

其中,Nobt表示落入不可航行区的路径点数量,Nprofile表示三维刨面的数量。

4.根据权利要求1所述的一种水下机器人三维路径规划和控制方法,其特征在于,所述步骤S1中采用直线段的方法进行AUV路径的构造,具体为:每一条路径都包含一系列的航路点,这些航路点两两之间构成一个路径段,再由这些路径段构成最终路径。

5.根据权利要求1所述的一种水下机器人三维路径规划和控制方法,其特征在于,所述步骤S2中AUV路径的规划方法为:一个个体代表一个路径,个体中的每一维变量代表一个航路点;每个航路点由X/Y/Z三维坐标信息构成,其中Y轴坐标已知,X/Z轴坐标信息为算法待求解的值,基于解的编码方式,求解到X/Z轴坐标信息;

解的编码方式为:

6.根据权利要求3所述的一种水下机器人三维路径规划和控制方法,其特征在于,所述步骤S1中三维刨面图的建立方法为:环境信息包括可以航行位置和不可航行位置,用两种不同的颜色区分,X轴、Y轴、Z轴分别代表环境区域的长度,将构建好的三维环境模型沿Y轴切成平行切面,形成三维环境刨面图,每个刨面图都由均匀方格组成,将刨面图数字化,可航行区域用0代替,不可航行区域用1代替,然后用三维数组储存所有刨面图数据。

7.根据权利要求3所述的一种水下机器人三维路径规划和控制方法,其特征在于,所述步骤S4中如果偏离预设路径,则控制主推、侧推、垂推螺旋桨使AUV回到预设路线。