[发明专利]一种水下机器人避障装置及实时路径规划方法

权利要求书

1.一种水下机器人避障装置，其特征是，包括机器人主体、转向执行单元和转向辅助单元，所述机器人主体设置有环境检测仓、运动检测仓、电池仓、控制仓；所述转向执行单元设有水平舵、方向舵和主推进器；所述辅助转向单元包括艏左、艏右、艉左、艉右四个槽道推进器。

2.根据权利要求1所述的水下机器人避障装置，其特征是，所述环境检测仓内置有前视声呐和信号处理单元，所述运动检测仓内置有导航定位系统；控制舱内置有主控制器；所述运动检测仓内置有测高声呐、深度计、光纤罗经、多普勒计程仪、DGPS，所述电池仓内置有两套电池设备分别为AUV提供设备电和动力电。

3.一种水下机器人实时路径规划方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1、主控制器根据由障碍物信息构建的直角坐标系下的环境模型对障碍物位置进行排序编码并按照三进制编码规则随机生成染色体群体；

步骤2、结合运动信息，利用Dubins曲线对染色体进行解码，将三进制染色体序列转化为AUV路径并计算各个个体的适应度；

步骤3、选择、交叉、变异运算之后得到次代群体并选择出当前阶段适应度值最佳的染色体；经过迭代当最大适应度大于设定值时输出避障路径。

4.根据权利要求3所述的水下机器人实时路径规划方法，其特征是，所述步骤1具体包括：AUV利用其搭载的导航定位系统获取AUV起始点位置坐标、当前航行速度、最小转弯半径；根据任务要求获取目标点位置以及所在环境的危险区域，由信号处理单元将前视声呐获得的障碍物信息转化为数字信号传输到主控制器；确定障碍物中心点坐标、障碍物半径以及航行过程中与障碍物间需要保持的安全距离；建立直角坐标系下的环境模型；

由危险区域圆心做起始点到目标点连线的垂线，根据垂足到起始点的距离大小给危险区域进行排序编码；分别用2，1，0来表示路径与危险区域右切、路径与危险区域左切、路径与危险区域不相切这三种经过危险区域的路径；

染色体中基因个数＝障碍物个数+1，且最后两个非0的基因相同，每个基因代表经过下一个危险区域的方式，用这样的染色体序列代替真实的AUV路径；当最小转弯半径大于障碍物半径与安全距离的和时，提高安全距离，使安全距离＝最小转弯半径-障碍物半径。

5.根据权利要求3所述的水下机器人实时路径规划方法，其特征是，所述步骤2具体包括：步骤2a、结合Dubins曲线将三进制染色体序列解码得到的AUV真实路径由圆弧—直线—圆弧组成，根据检测算子，判断AUV真实路径与危险区域有没有交点，判断两个相切的危险区域中成对的切点用直线连接后与其他危险区域有没有交点；

公式一：

相应的切点坐标(x_{T_1},y_{T_1})、(x_{T_2},y_{T_2})，可用极坐标进行表示：其中τ和λ为该切点所对应的极坐标角度，(x₁,y₁)、(x₂,y₂)分别为两危险区域中心坐标，R、r分别为两危险区域半径；

步骤2c、计算AUV总路径长度＝AUV直线路径长度+AUV圆弧路径长度；

根据公式二计算AUV直线路径长度：

公式二：

其中(x_a,y_a)、(x_b,y_b)分别为步骤4a2中选择的一对切点；

根据公式三计算AUV圆弧路径长度：

公式三：

l_r＝rθ

其中r为危险区域半径，θ(0＜θ＜π)为同一个危险区域上两个切点对应的圆弧角，若后一对切点中靠近起始点的切点比前一对切点中靠近目标点的切点更靠近起始点，则θ＝θ+2π；

步骤2d、根据公式四(适应度函数)计算路径的适应度值：

公式四：

其中d为起始点到目标点的距离，L为AUV路径长度。

6.根据权利要求3所述的水下机器人实时路径规划方法，其特征是，所述步骤3具体包括：随机选择两个进行交叉的个体，如Ind₁和Ind₂，分别代表路径P₁(s-f)和P₂(s-f)；其中P₁和P₂至少有一个公共中间节点(用mid表示)，Ind₁可以定义为P₁(s-f)＝P₁(s-mid)+P₁(mid-f)，同样Ind₂也可以定义为P₂(s-f)＝P₂(s-mid)+P₂(mid-f)；通过交叉得到两个个体(分别Ind₃和Ind₄表示)；Ind₃表示路径P₃(s-f)＝P₁(s-mid)+P₂(mid-f)，Ind₄表示路径P₄(s-f)＝P₂(s-mid)+P₁(mid-f)。