[发明专利]一种基于改进的人工协调场的气垫船避障方法

摘要

本发明提供的是一种基于改进的人工协调场的气垫船避障方法。(1)获取状态信息、目标点位置以及障碍物位置；(2)设计PID控制律，代替人工协调场中的吸引力；(3)计算风险度，若风险度大于设定的风险度则进入步骤(4)，否则进入步骤(6)；(4)设计斥力场，并利用最大加速度约束设计斥力场的场强参数，进而计算出斥力；(5)根据斥力计算出协调力；(6)算出大地坐标下的合力，将合力的方向作为期望艏向设计艏向PID控制律，将合力的大小作为纵向控制力对气垫船进行控制。本发明减小了传统吸引力只与位置有关而造成的气垫船在目标点附近的抖动，实现了有约束的避碰，能够在气垫船的性能范围内实现安全避障，具有很强的实用价值。

主权项

一种基于改进的人工协调场的气垫船避障方法，其特征是：(1)获取气垫船状态信息、目标点位置以及障碍物位置；所述气垫船状态信息包括当前时刻位置(x,y)、速度(u,v)、艏向ψ以及回转率r，目标点位置用(xg,yg)表示，障碍物位置用(xo,yo)表示；(2)根据气垫船状态和目标点位置设计PID控制律，代替人工协调场中的吸引力；吸引力Fa为：Fa=Kp(Pg-P)+Ki∫(Pg-P)dt-KdP·]]>其中，Pg＝[xg,yg]T，P＝[x,y]T，U＝[u,v]T，Kp,Ki,Kd为2×2的增益矩阵；(3)根据气垫船状态信息和障碍物位置计算风险度，若风险度大于设定的风险度则进入步骤(4)，否则进入步骤(6)；风险度risk为，risk=d+ϵ||Po-P||]]>其中d为设定的障碍物与气垫船安全距离，ε为设定的安全余量；(4)设计斥力场，并利用气垫船的最大加速度约束设计斥力场的场强参数，进而计算出斥力；斥力Fr为：Fr＝kr(P‑Po)其中，Po＝[xo,yo]T；场强参数kr如下计算：kr=1(pos(||P-Po||-ϵ-(pos(Uor·e(Po-P)))2/2amax))m]]>其中，m≥1，pos(x)＝max(x,0)，Uor为气垫船相对于障碍物的相对速度，因为这里考虑的是静态障碍物，因此有Uor＝U，e(x)表示向量x的单位向量，amax表示气垫船的最大加速度；(5)根据斥力计算出协调力；协调力Fn为：Fn＝kn*λ*Fr其中，kn为标量的可调参数，λ的作用就是产生垂直于斥力的协调力，避免局部极小值的出现；(6)将吸引力、排斥力以及协调力合成，算出大地坐标下的合力，然后将所述合力的方向作为气垫船的期望艏向设计艏向PID控制律，将所述合力的大小作为气垫船的纵向控制力对气垫船进行控制；大地坐标下的合力为F为：F=Fa+Fr+Fn,ifrisk>r_dFa,else]]>设二维合力F＝[f1,f2]T，f1,f2分别为合力在大地坐标下的北向分力和东向分力，则气垫船的期望艏向ψd：ψd=arctan(f2f1)]]>气垫船的回转控制力矩τn根据PID计算为τn＝kp(ψd‑ψ)+ki∫(ψd‑ψ)dt+kd(rd‑r)其中，kp,ki,kd为标量的可调PID参数，ψd为期望的艏向，为期望的艏向回转率；气垫船的纵向控制力τx为τx=f1×f1+f2×f2.]]>