基于优化人工势场法的无人艇局部路径规划

基于优化人工势场法的无人艇局部路径规划

刘俊宜,龚成

中国船舶集团第七一〇研究所 湖北 宜昌 443000

摘要：无人艇航线计划可分为全球航线计划和局部航线计划。对于已知障碍的全球路径规划，国内外研究人员进行了大量研究。无人机在海上航行时最危险的是与动态障碍物的碰撞。基于此，本文章对无人艇航行控制技术和传统人工势场法在无人艇航行控制中的应用进行介绍，并对针对人工势场法的局限性提出了优化方法，，以供专业人员参考。

关键词：人工势场法；无人艇；局部路径规划

引言

近年来，水面无人艇以其体积小、机动性强、功能多样等优势被广泛应用于环境监测、水底测绘、军事应用等领域。无人艇在复杂水域自主航行作业，安全可靠的路径规划是其航行控制的重要环节之一，也是其实现自主航行的基础。无人艇路径规划主要是依据已知水域环境及无人艇实时航行状态，确定一条能使无人艇安全、快速、节能地到达目的地的路径

一、无人水面艇

无人水面艇（UnmannedSurfaceVessel，USV）是一种智能自主的海洋探测和监测设备，将在水文测量和监测、海洋测量、海洋养护、敌对探测等领域发挥重要作用。它拥有先进的能源系统、控制系统、传感器系统、综合收集和监测海洋环境信息的通信系统以及可执行多种战争和非战争军事任务，如侦察、反潜、反水雷以及巡逻等作战任务，在无人作战系统占有重要位置，因此倍受世界各国的重视。

二、人工势场法

人工势场法路径规划是由Oussama Khatib博士提出的一种虚拟力法。它的基本思想是把无人艇运动的环境变成一个抽象的引力场，在那里，目标点为潜艇产生“引力”，物体朝这个方向移动。障碍物对无人艇产生“斥力”，以避免与物体碰撞。引力和排斥力共同作用于无人艇，以绕过障碍物到达目的地。人工势场法的本质是一种控制方法，其轨进并非像其他规划算法一样，而是由实时的控制量产生的。

三、基于优化人工势场法的无人艇局部路径规划

（一）通信组网技术

通信组网技术主要解决无人战场中多平台接入的信息交互问题。无人平台的通信方案有单点对单点、单点对多点、多点对多点。组网形式有中心组网、无中心组网和异构融合组网。点对点组网通信可用于无人平台之间或无人平台与指挥中心之间通信。随着无人组网技术的不断发展，大规模高动态路由组网技术这一关键技术受到重视。常见的路由协议有表驱动路由协议（DSDV，OLSR，WRP等）和按需路由协议（AODV，DSR，TORA，SSR等）。表驱动路由协议具有良好的实时性但不适用于高动态组网场景。按需路由协议具有较好的灵活性但存在一定得网络延时不适用于实时通信场景。因此，开发大规模、高动态、低延时路由协议仍是亟需解决的组网关键技术。

（二）高性能数据处理

数据处理模块的主要功能是对各传感器设备的数据解析，并根据传感器的图像数据，采用实时处理算法进行解算，获取周围的环境信息。数据处理模块一般为高性能加固机，具备较强的抗冲击和抗震动性能。高性能加固机一般具备很高的运算主频、较高的数据传输速率，较强的实时性处理能力，可以高效地完成复杂的浮点运算和数据通信处理。

（三）电机控制任务

在无人艇航行过程中，远程遥控模式及自主航行模式下均需要通过无人艇测控装置完成电机的驱动转向及转速控制，实现无人艇的运动控制。主控模块通过航向及航速预设值解算出舵角机构角度及推进电机的转速控制值，并向电机接口驱动模块发送指令，使其形成相对应的模拟量输出值并向电机输入，信号采集接口模块实时采集电机反馈数据及艇体航行数据，判读是否到达预设值，如到达，结束此次控制，并生成新的航向及航速预设值；如未到达，重复以上过程。

（四）无人艇航向和航速联合控制

自主运动控制是无人艇区别于有人控制的核心技术之一，在自主运动控制中，使用有效的航向、航速控制算法是无人艇在各种不确定水面环境中完成复杂航行任务的关键。设计以航向角偏差量和直线距离偏差量为输入量，以及舵角偏转控制量和推进动力大小控制量为输出量的模糊控制算去，并通过以航向角偏差率为输入量及以控制周期为输出量的自适应控制使系统响应外部环境的变化，以抵达目标点的时间和舵角变化次数的加权最小值作为优化目标了数。

（五）可见光图像预处理方法

无人艇在海面航行时，海浪起伏会对光电设备的图像目标识别造成干扰导致在识别目标的过程中捕捉到的可见光图像在晃动。这使得在图像中很难找到目标，并且可能导致目标跟踪失败，因此需要图像稳定技术。图像稳定技术是使用算法处理为抖动而合成的可见光图像。运动估计是稳定技术的重要组成部分，本文采用灰度投影实现运动估计。灰度投影是利用视频帧的整体灰度变化信息进行相关运算，因此能有效降低噪声对过动估计的影响，具有一定的抗噪性能。而且利用在平移运动模型来进行运动估计，时间复杂度较低。灰度投影算法需要图像的全局灰度值进行计算，并且只需计算一次即可获得运动关量，计算时间和精度都很好。

四、人工势场法及其改进算法

人工势场法主要通过建立引力势场摸型、斥力势场摸型、合势场模型完成对路径规划。

建立引力势场模型：在势场中目标位置对无人艇产生吸引的影响，构成引力势场，驱动无人艇向目标位置运行，引力大小主要取决于无人艇与目标点之间间隔的距离，距离越大引力越大，反之，距离越小引力越小。

建立斥力势场模型：在势场中，障碍物对无人艇会产生排斥的影响，构成斥力势场，引导着无人艇向远离障碍物的方向运动。斥力大小也取决于无艇与障碍物之间间隔的距离，距离越大斥力越小，反之距离越小斥力越大。当超过斥力势场的影响范围时，斥力则为零。

建立合势场模型：合势场由一个目标点引力势场和和斥力势场的矢量相加决定的。在模型中，可以将引力势场看作是凹谷，目标点为凹谷的最低点将斥力看做凸峰，路径规划类似与水往低处流，避开障碍物，向低处运动。

人工热场法存在一些缺点：物体很难到达目标点，并在目标点陷入局部死循环，发生“死锁”现象；对于动态障碍物，因为实时性较差而无法得到平滑路径。针对以上缺点，提出了人工势场的改进算法。

斥力势场模型改进：建立斥力场模型时，将无人艇与目标点的距离也作为个因子加入模型中，当靠近目标点时，斥力逐步的减小至零，以解决目标不可达的问题。

局部极小值改进：当陷入局部极小值时，可以用虚拟力进行逃离，也可以采用随机的方法，跳出局部极小值的状态。"

速度关量斥力势场建立：为改善人工势场法的动态环境规划能力，提高对动态障碍物的避障能力，在模型建立时引入速度关量，实时调节斥力的势场系数，以适应实际的环境动态变化。

结束语

本文对无人艇航行控制技术进行了介绍，阐述了人工势场法在无人艇路径规划中的具体应用。人工势场法作为一种经典的算法非常适用于无人艇的局部路径规划，但是，由于算法本身的局限性，路径规划可能会出现问题。本文对传统人工势场法的局限性提出了改进措施，从优化后力势场模型、局部极小值改进、引入速度矢量斥力势场三个方面对传统人工业场法进行改进。以避免陷入目标点局部最小值，并提高其对动态障碍格的面障能力。

参考文献

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