[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

说明书

本发明公开了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，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及分布式一致性算法进行编队运动；判断水下机器人群组是否形成指定编队队形，若形成指定编队队形，基于目标区域势场做朝向目标区域方向的运动，并躲避障碍物；判断水下机器人群组是否处于障碍物势场，若是则判断其是否陷入局部最优陷阱；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；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。本发明实现了机器人群组在向目标区域移动过程中稳定编队与安全避障。

技术领域

本发明涉及水下机器人控制领域，尤其涉及一种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。

背景技术

近年来，陆上资源的日益匮乏激发了人们对海洋资源的探索和开发；水下机器人因其在海洋环境监测、海洋资源勘测、海洋科学研究中的重要作用，成为海洋开发过程中的主要工具，水下机器人技术也得到了学术界的广发关注。由于水下环境的复杂多变，单个水下机器人在执行任务过程中会受到各种约束，因此多水下机器人协作成为重要的工作方式，而多水下机器人协作的基础正是编队控制；避障是指当水下机器人传感器上检测到周围出现障碍物时，能够以最快的时间和最小的成本完成躲避障碍的动作，是完成水下机器人作业的重要工作之一。

针对多水下机器人编队及避障过程中的控制问题，国内外学者给出了一系列的控制方法。其中多水下机器人群组的编队控制方法主要包括领航跟随者法、虚拟结构法、基于行为法以及分布式一致性算法等；分布式一致性算法采用分布式网络进行信息交互，具有灵活性高和鲁棒性强等特点。水下机器人的避障方法主要包括人工势场法、模型预测法、最优控制法等。人工势场法因其原理简单，反应迅速，易于实现和扩展被广泛采用。

发明人发现，传统的人工势场法主要存在局部极小值的问题，即当水下机器人所受目标区域引力、障碍物斥力及邻近水下机器人合力为零时将致使水下机器人群组出现避障失败的情况。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种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，能够避免传统人工势场法避障存在的局部极小值问题，并且可以使水下机器人群组应对水下静止障碍物；考虑时变海流的影响，同时也解决了编队过程中队形的稳定性问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种基于改进人工势场法的多水下机器人编队避障方法，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相邻水下机器人势场以及分布式一致性算法进行编队运动；

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；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；

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。

作为进一步的实现方式，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。

作为进一步的实现方式，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。

作为进一步的实现方式，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。