[发明专利]基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法及系统

权利要求书

1.基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法，其特征在于，包括：

初始化水下机器人群组的状态信息；

水下机器人群组基于邻居水下机器人势场以及分布式一致性算法进行编队运动；

水下机器人节点v_i势场设计为：

其中，k₁、k₂分别表示水下机器人节点v_i斥力势场参数和引力势场参数；d(q_i，q_j)表示水下机器人节点v_i与v_j间的距离范式，且d(q_i，q_j)＝||q_i-q_j||；r(i，j)与R(i，j)分别表示水下机器人节点v_i斥力势场的最大作用半径和引力势场的最小作用半径；

在水下机器人间势场力和目标区域合力作用下，基于分布式一致性算法，水下机器人群组开始在向目标区域运动的过程中完成编队；在该过程中的控制输入设计为：

其中，γ₀、γ₁分别是位置和速度控制相关的系数，D^*∈(r(i，j)，R(i，j))表示机器人i与机器人j之间的期望距离，以表示编队信息；a_ij≥0表示权重；V_i(t)表示水下机器人节点v_i的速度信息；

判断水下机器人群组是否形成指定编队队形，若水下机器人群组形成指定编队队形，基于目标区域势场做朝向目标区域方向的运动，同时躲避运动过程中的障碍物；

判断水下机器人群组是否处于障碍物势场中，若水下机器人群组处于障碍物势场中则判断其是否陷入局部最优陷阱；当群组陷入局部最优陷阱时，水下机器人群组所受合力为零；

若水下机器人群组陷入局部最优陷阱，则基于障碍函数的辅助势场使水下机器人群组逃离局部最优陷阱；

当所述水下机器人群组陷入局部最优陷阱时，障碍函数给水下机器人群组一个与运行方向垂直的额外作用力使水下机器人群组摆脱局部最优的影响；

所述水下机器人群组能在有限的时间内形成指定的编队队形并保持队形参与避障，在避障完成之后能够很快恢复队形；

水下机器人群组在障碍物势场及目标区域势场的联合作用下做避障运动，到达目标区域时完成任务；

考虑到海流因素、目标区域势场、障碍物势场、以及内部势场的联合作用，避障控制输入设计为：

其中，K表示避障函数调节系数。

2.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法，其特征在于，若水下机器人群组未形成指定编队队形，则水下机器人群组继续进行基于邻居水下机器人势场以及分布式一致性算法的编队运动。

3.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法，其特征在于，若水下机器人群组未处于障碍物势场中，则判断水下机器人群组是否到达目标区域所在区域。

4.根据权利要求1或3所述的基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法，其特征在于，如果已经到达目标区域则水下机器人群组完成任务，否则水下机器人群组继续基于目标区域势场做朝向目标区域方向的运动。

5.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法，其特征在于，若水下机器人群组处于障碍物势场中但并未陷入局部最优陷阱，则水下机器人群组在障碍物势场以及目标区域势场的联合作用下做避障运动。

6.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法，其特征在于，在每个水下机器人基于邻居水下机器人势场以及分布式一致性算法的进行编队运动之前，先获取邻居水下机器人以及目标区域的位置信息；所有水下机器人只与编队中的部分机器人进行信息交互。