一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法

摘要

本发明提供了一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法，包括以下步骤：S1、在水下航行器上设置不少于一个测距声纳；S2、通过测距声纳探测设定范围内的障碍物位置；S3、对探测到的障碍物进行区域划分。本发明所述的一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法根据预先定义的路径或任务进行操作，通过自主避让系统，以便允许水下航行器偏离其预计的任务路线，并在水下航行器离开障碍物后返回。

说明书

技术领域

本发明属于水下航行器自动避让障碍物领域，尤其是涉及一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法。

背景技术

随着自主式水下航行器探索越来越具有挑战性的地形，对于避障系统的需求也越来越迫切，水下障碍物传感器依赖于有限且易受噪声影响的声学距离传感器，航行器的机动能力有限，将其他声学设备的干扰降到最低是一个挑战。

去年，国际潜艇工程有限公司(ISE)完成了在其探险家AUV系列中增加OAS的任务。采用矢量场、反应和目标映射算法相结合的方法，开发了一个鲁棒可配置的避障系统。

国际潜艇工程探测器(ISE)是一个模块化的深潜式自主水下载具探测器(AUV)，包括一个前向自由进水部分、全直径压力船体和一个后向自由进水部分。它通常配备有惯性导航系统、多普勒测速仪、深度传感器和用于导航的海底回避声纳，用于通信的声学调制解调器、无线电和卫星调制解调器，以及用于定位的超短基线定位系统。它是高度可配置的，有效载荷传感器可以在整个飞行器生命周期的任何时候定制。有效载荷可以包括侧扫声纳、多声束回音测深仪和分层剖析器，所有这些都可以并发操作。

“探险者”自动水下航行器配备了一个底部避让声纳。BAS是一种单波束测距声纳，安装在距车辆中心线45度的地方。BAS算法是一种反应式算法，当AUV前方海底上升速度快于普通海底跟踪算法时，它可以快速降低水下机器人的航行深度。实际上，BAS作为一个垂直避让系统运作。

BAS允许AUV在许多环境中靠近海底安全操作；然而，随着AUV继续探索越来越具有挑战性的地形，增加一个分层平面避让系统变得必要。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法，以解决上述问题中的不足之处。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法，包括以下步骤：

S1、在水下航行器上设置不少于一个测距声纳；

S2、通过测距声纳探测设定范围内的障碍物位置；

S3、对探测到的障碍物进行区域划分。

进一步的，步骤S1所述测距声纳包括中心声纳、垂直声纳以及角度声纳；

中心声纳设置在水下航行器正前方，用于检测水下航行器正前方的障碍物；中心声纳将提供正负50度的覆盖范围，使水下航行器能够避开正前方的障碍物，根据其他的组合声纳采集结果确定左转操作或右转操作；

垂直声纳设置在水下航行器的左右侧，用于检测水下航行器左右侧的障碍物；

角度声纳设置在相邻的中心声纳与垂直声纳之间，用于检测水下航行器正前方的障碍物；两个角度声纳(或两个角度和一个中心)将提供可25度交互叠加的覆盖面和智能定向决策，而五个声纳将提供水下三维空间轮廓跟踪能力；

测距声纳的设置角度及数量可调节。

进一步的，步骤S2中所述的通过测距声纳探测设定范围内的障碍物位置的方法包括：

通过测距声纳采集障碍物的半径信息、位置信息和概率系数，现有声纳无法准确采集和计算上述三种数据，其中概率系数是根据经验值设定的障碍物参数系统，半径信息是对障碍物进行包裹建模形成的标志性参数；通过在障碍物半径范围内的附加声纳返回，附加声纳返回是声纳在多次频繁探测某一位置或者物体后、多次返回的信号和参数相互叠加附加形成的一种返回型数据，增加该障碍物的概率因子及因素和算子，因素为障碍物的类型、算子为该类型障碍物的计算数值和模型，概率因子是结合了因素和算子的各自概率之后形成的一个概率描述形式及对应数值；

概率随每个附加范围即障碍物形状、体积、姿态所自动形成的一个区域轮廓范围，呈指数增长的公式为：

P＝1-e

其中，n是范围数，λ是概率增长常数，β是时间衰减常数，t是障碍物登记后的秒数。

进一步的，设定超过概率阈值的障碍物为活动障碍物，概率阈值是由行业、用户根据经验设定的经验型数值，并且在回避算法中只使用活动障碍物，回避算法指的是探测到障碍物之后自动躲开回避这个障碍物；

设定无效障碍物，用于减少所需的数据存储量，障碍物一旦在航行器“后方”移动一定距离，就会被丢弃，标记为无效障碍物；

每个障碍物也有一个计算范围和方位，计算范围指的是障碍物轮廓、体积、形状，其方位指的是放置角度、位置、姿态，随着潜航器航向和位置的变化而更新，障碍物的距离和方位决定了水下航行器的自反行为，自反行为指的是自动反馈躲避、规避或返航；现有潜航器无法完全规避或自动处理该类型任务。

进一步的，设定避障区域、限制区域和紧急停止航行区；

若检测到障碍物位于某个限制区域内，则水下航行器不会采取任何规避措施；

若检测到障碍物位于某个避开区域内，则调整水下航行器的航向以避免碰撞；

若检测到障碍物太近以致水下航行器无法避免碰撞，代表水下航行器进入紧急停止航行区，对水下航行器启动紧急停止操作。

进一步的，在避开区域内，水下航行器偏离其航向的偏航量由以下公式确定：

其中，δφ是偏航修正，K是回避增益，P是前面定义的障碍概率，rmin是最近障碍物的范围(单位为m)。

进一步的，水下航行器在检测到避障区域、限制区域和紧急停止航行区时的避让方法包括：

进一步的，若检测到障碍物位于某个限制区域内时，通过多声纳组合的方法将限制航行器向目标移动的航向变化。

相对于现有技术，本发明所述的一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法具有以下优势：

(1)本发明所述的一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法根据预先定义的路径或任务进行操作，通过自主避让系统，以便允许水下航行器偏离其预计的任务路线，并在水下航行器离开障碍物后返回，该算法的其他考虑因素是，如果障碍物太近而无法避免，则需要“紧急停止”，以及适当的故障响应，以防止水下航行器偏离其计划航线太远。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法示意图；

图2为本发明实施例所述的声纳布置示意图；

图3为本发明实施例所述的障碍物探测，距离和方位示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图3所示，一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法，包括以下步骤：

S1、在水下航行器上设置不少于一个测距声纳；

S2、通过测距声纳探测设定范围内的障碍物位置；

S3、对探测到的障碍物进行区域划分。

步骤S1所述测距声纳包括中心声纳、垂直声纳以及角度声纳；

中心声纳设置在水下航行器正前方，用于检测水下航行器正前方的障碍物；中心声纳将提供正负50度的覆盖范围，使水下航行器能够避开正前方的障碍物，根据其他的组合声纳采集结果确定左转操作或右转操作；

垂直声纳设置在水下航行器的左右侧，用于检测水下航行器左右侧的障碍物；

角度声纳设置在相邻的中心声纳与垂直声纳之间，用于检测水下航行器正前方的障碍物；两个角度声纳(或两个角度和一个中心)将提供可25度交互叠加的覆盖面和智能定向决策，而五个声纳将提供水下三维空间轮廓跟踪能力；

测距声纳的设置角度及数量可调节。

步骤S2中所述的通过测距声纳探测设定范围内的障碍物位置的方法包括：

通过测距声纳采集障碍物的半径信息、位置信息和概率系数，现有声纳无法准确采集和计算上述三种数据，其中概率系数是根据经验值设定的障碍物参数系统，半径信息是对障碍物进行包裹建模形成的标志性参数；通过在障碍物半径范围内的附加声纳返回，附加声纳返回是声纳在多次频繁探测某一位置或者物体后、多次返回的信号和参数相互叠加附加形成的一种返回型数据，增加该障碍物的概率因子及因素和算子，因素为障碍物的类型、算子为该类型障碍物的计算数值和模型，概率因子是结合了因素和算子的各自概率之后形成的一个概率描述形式及对应数值；

概率随每个附加范围即障碍物形状、体积、姿态所自动形成的一个区域轮廓范围，呈指数增长的公式为：

P＝1-e

其中，n是范围数，λ是概率增长常数，β是时间衰减常数，t是障碍物登记后的秒数。

设定超过概率阈值的障碍物为活动障碍物，概率阈值是由行业、用户根据经验设定的经验型数值，并且在回避算法中只使用活动障碍物，回避算法指的是探测到障碍物之后自动躲开回避这个障碍物；

设定无效障碍物，用于减少所需的数据存储量，障碍物一旦在航行器“后方”移动一定距离，就会被丢弃，标记为无效障碍物；

每个障碍物也有一个计算范围和方位，计算范围指的是障碍物轮廓、体积、形状，其方位指的是放置角度、位置、姿态，随着潜航器航向和位置的变化而更新，障碍物的距离和方位决定了水下航行器的自反行为，自反行为指的是自动反馈躲避、规避或返航；现有潜航器无法完全规避或自动处理该类型任务。

设定避障区域、限制区域和紧急停止航行区；

若检测到障碍物位于某个限制区域内，则水下航行器不会采取任何规避措施；

若检测到障碍物位于某个避开区域内，则调整水下航行器的航向以避免碰撞；

若检测到障碍物太近以致水下航行器无法避免碰撞，代表水下航行器进入紧急停止航行区，对水下航行器启动紧急停止操作。

在避开区域内，水下航行器偏离其航向的偏航量由以下公式确定：

其中，δφ是偏航修正，K是回避增益，P是前面定义的障碍概率，rmin是

最近障碍物的范围(单位为m)。

水下航行器在检测到避障区域、限制区域和紧急停止航行区时的避让方法包括：

若检测到障碍物位于某个限制区域内时，通过多声纳组合的方法将限制航行器向目标移动的航向变化。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

传统的避让系统，在垂直方向，航行器下浅时，避让障碍物并返回原有路径，随着科考任务的加剧，分层平面方向的避让系统对于水下航行器来说也越来越重要，因此本发明是在原有的垂直避让的系统上，增加了分层平面避让系统。

本发明是一种水下航行器立体航行自主避让障碍物的方法，将采用从一到五的可变数目的测距声纳；引入在有效范围内探测障碍物的位置的方法；同时，定义了三种类型的障碍区域：避障区域、限制区域和紧急停止航行区域，从而使水下航行器能自主的避开分层平面方向的障碍物。

该发明中采用从一到五的可变数目的测距声纳，如图1所示，系统可以配置为仅使用声纳1、声纳1至3、声纳2和3或声纳1至5，具体取决于应用，其特征在于，为了航行器应用的灵活性，该算法可以支持从一到五的可变数目的测距声纳。五个声纳提供全面的前进覆盖——一个中心声纳，两个角度声纳，和两个垂直于航行器的声纳。一个中心声纳将提供最小覆盖范围，使水下航行器能够避开正前方的障碍物，但不能够选择最佳避开方向(默认避开方向可以是一个任务参数)。两个角度声纳(或两个角度和一个中心)将提供更多的覆盖面和智能定向决策，而五个声纳将提供轮廓跟踪能力。声纳的角度是可配置的。

通过五个可配置的声纳确定障碍物的位置，该发明中将设计一个全新的在有效范围内探测障碍物的位置的方法，障碍物可以由一个或多个声纳范围定义。障碍物可以重叠，因此一个声纳范围可以增加一个以上障碍物的概率。每一个障碍物都是使用距离和方位跟踪车辆的，任何声纳的有效范围都会产生“障碍物”。每个障碍物都有一个固定的半径、位置和概率系数，介于0和1之间。在障碍物半径范围内的附加声纳返回将增加该障碍物的概率因子。概率随每个附加范围呈指数增长：

P＝1-e

其中n是范围数，λ是概率增长常数，β是时间衰减常数，t是障碍物登记后的秒数。只有超过概率阈值的障碍物才被视为活动障碍物，并且在回避算法中只使用活动障碍物。为了减少所需的数据存储量，障碍物也有其寿命。障碍物一旦在航行器“后方”移动一定距离，就会被丢弃。

每个障碍物也有一个计算范围和方位，随着航行器航向和位置的变化而更新。障碍物的距离和方位决定了水下航行器的自反行为，如图2所示。

在原有的基础上，在本次发明中定义了三种类型的障碍区域：避障区域、限制区域和紧急停止航行区域，如图3所示，其特征在于，如果障碍物位于某个限制区域内，则不会采取任何规避措施，但是，该算法将限制将航行器向目标移动的航向变化。如果避开区域(航行器正前方)有障碍物，则调整航向以避免碰撞。如果障碍物太近以致车辆无法避免碰撞，则会启动紧急停止。以下显示了基于活动障碍物的车辆动作：

注意如果左右舷都有障碍物

限制区域和避免区域，算法将紧急停止。

在避让区域内，水下航行器偏离其航向(三角偏航)的量由以下公式确定：

其中，δφ是偏航修正，K是回避增益，P是前面定义的障碍概率，rmin是最近障碍物的范围(米)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。