基于虚拟势场理论的AUV局部路径规划方法

（ ）一 ｌ ｇ ｌ ｑ— ｑ ｌ， Ｉ ｇ ｌ Ｄ ）一 ｌ （ ｌ ｑ— ｑ Ｉ 。Ｉ 须 说 明的是 ， （）中 的最后 一项 的 （ ） Ｕ ｇ ｇ 是考 虑 到 障碍物 离 目标点 太 近 ， 致 ＡＵＶ 无法 接 近 目标 点 导
时的添 加项 。虚 拟势 场力 （）是势 场 函数 的梯 度 ： ｇ
文 章 编 号 ： ００４ ８ （０ ７ ０— ０ ６０ １ ０ —８ ２２ ０ ） １０ ７ —６
基 于虚 拟 势场 理 论 的 ＡＵＶ 局 部 路径 规 划 方 法
焦 鹏 王 宏 健 丁福 光 ， ，
（．哈 尔 滨 工 程 大 学 自动 化 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ； １ 黑 ５ ０ １ ２ ．哈 尔 滨 工 业 大 学 机 电工 程 学 院 ， 龙 江 哈 尔 滨 １０ ０ ） 黑 ５ ０ １
２ 虚 拟势 场 法
虚 拟势 场法是 专 为快速 移 动机器 人实 时避 障而设 计 的 ］ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。虚 拟势 场法 可使 机器 人在 障 碍物 之 问快
速、 连续并 且 平稳地 运 动 ］ 。
本文 所采 用 的虚拟 势场 法是 把 ＡＵＶ 简化成 一个 质 点 ， 它的 运动 空间 为二 维 。ＡＵＶ 当前 的位 置 为 ｇ— ｆ ］ 起 始点 和 目标点 分别 为 一 ｆ Ｙ］ － ｘ， ， － ， ｘ 和 一 ｆ Ｙ］ 障碍 物为 一 ｆ 。 。 。对 于 障 － ， ｘ ， － ，］ ｘ Ｙ 碍物 的位 置可 以通过 前视 声纳感 知 。
和 。
【 （ ）一 Ｕ （ ）＋ Ｕ （ ） ，ｇ ｇ ｐｇ （） １
引力势 和斥 力势 分别 定义 为
Ｕ （ ） 一 ｇ Ｉ（） Ｄ ｇ （） ２
ｇ 一
ｃ 一 ｇ ≤ 去 ） ，
ｌ， ０ Ｉｇ ＞ Ｉ Ｄ ） ，。 （ Ｄ
㈦
式 中 、 、 均为 常系 数 。
摘
一
要
针 对 自治 式 水 下 潜器 （ ＵＶ） Ａ 局部 路 径 规 划 问题 ， 于 虚 拟 势 场 理论 研 究 ， 出 了虚 拟 力 概 念 ， 设 计 了 基 提 并 种 改 进 型 虚 拟 势 场 局部 规 划 算 法 ， 决 了经 典 虚 拟 势 场 能 算 法 中存 在 的零 合 力 与 Ｕ 型 障碍 的 局 部 极 小 问 解
２ １ 势场 函数 ．
势 能 函数 设计 要 点有 两个 ： 提 高机 器人 在 沿着 生成 路 径前 进 时 的“ 部动 态行 为 ” ② 减少 局 部 ① 局 ；
收 稿 日期 ：０ ５０ —１ 修 改 稿 收 稿 日期 ：０ ５ｌ一 ２ ２ ０ —４１ ； ２ ０ 一０ｌ
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１ 引 言
实 时避 障 是 自治式 水 下潜 器 （ ｔｎ ｍｏ ｓＵｎ ｅｗａｅ ｈｃｅ 缩 写 为 ＡＵＶ） 行局 部 路 径规 划 Ａｕｏ ｏ ｕ ｄ ｒ ｔｒＶｅ ｉ ， ｌ 进 的关 键 ， 划 功能 的强 弱反 映 了 ＡＵＶ 的智 能水平 。 规 在实 时避 障算 法 中虚拟 势场 法＿ 以其 简洁 、 时性 】 实 强得 到 了广泛 的应用 。 拟势 场 的基本思 想是 将机 器人 作 为工 作空 问 的一个质 点 ， 虚 在虚 拟势 场作 用下移 动 ， 的局 部移 动描 述 了 自由空 问的“ 造” 势能 函数 通常 定义 自由空 问为来 自 目标 点 的引力 势 场与来 它 构 。 自障 碍物 的斥力 势场 的叠 加 。 径规划 是一 个迭 代 的过程 。 每一次 迭代 中 ， 路 在 由势 能函数 生成 的合 力代 表 期望 运动 的方 向 ， 径沿 着这 个方 向通 过某种 增量 生成 口 。 路 ］ 人工 势 能场最 初是 作 为在线 避 障的一 种方
４ ８卷
第 １期 （ 总第 １ ６ ） ７期
焦
鹏 等 ： 于 虚 拟 势 场 理论 的 ＡＵＶ 局 部 路 径 规 划 方 法 基
极点 的数 目或 局部 极点 的 引力Ⅲ 。 实上 ， 动态 局部 路径 规划 中试 图减少 局部 极 点 的数 目存在 一定 的 事 在
难 度 。 里应 用 的势 能 函数 【（ ） 由 目标点 产生 的引力势 Ｕ ｇ 与 障碍 区间产 生 的斥力 势 Ｕｒ （ ） 这 ，ｇ 是 （ ） ｅ ｇ 的
法， 应用 在机 器人 对环 境 中障碍 物模 型未 知 ， 可 以在移 动过 程 中通过 传感器 感 知 的情 况 。这种 算法 比 但
较 强调实 时性 ， 而对 于 能否 到达 目标点 不 十分强 调 。 线 的虚 拟势 场法 实质上 是 一种最 速梯 度下 降 的过 在 程， 容易 陷入局 部最 小 ＿ ］针 对局 部最 小 问题 ， 文分 别提 出了两种 添加 虚拟 力 的方法 ， ４ 。 本 用来 摆脱 “ 限 无 大” 障碍物 与 Ｕ 型 障碍物 形成 的局 部最 小 。
题： Ａ 当 ＵＶ 陷入 局 部 极 小 时通 过 调 用 相 应 的逃 避 算 法来 摆脱 局 部 极 点 。仿 真 结 果 验 证 了该 算 法 对 于克 服 虚 拟 势 场 能 中 存在 的局 部 极 点 的 有 效 性和 可行 性 。
关 键 词 ： 船舶、 舰船工程； 自治式水下潜器； 路径规划； 势场法； 局部极小 中 图分类 号 ： Ｐ ４． ； ７．４ Ｔ ２２３Ｕ６４９ １ 文 献标 识码 ： Ａ
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４ ８卷 第 １ （ 第 １ ６期 ） 期 总 ７ ２０ ０ ７年 ３月
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