一种自组织AUV双体协调对接的路径规划方法

本发明涉及一种auv双体抗海流扰动协调对接的最优路径规划方法，属于水下机器人。

背景技术：

1、随着航海事业的发展，越来越多的深海探测任务需要水下机器人(autonomousunderwater vehicle，auv)的参与，比如水下侦查、海底施工、大范围且长航程的工作网络扩展和组建等工作。自主水下对接技术是完成auv与母艇或坞站之间对接的关键技术，在种种深海探测任务中起着至关重要的作用，而auv在与母艇或坞站的对接过程中，容易受到了如作业深度和范围受限等诸多不利因素的影响。如何排除这些影响，实现高效率、高精度的自主水下对接技术是水下机器人领域中需要探索的重要问题。

2、现有的自主水下对接技术主要是以固定式对接为主，即auv完成阶段性工作后，归航并对接到某一固定在水下特定位置的坞站中。固定式对接的优点是对路径规划和跟踪控制的要求相对较低，对接成功率高。缺点有两方面，一方面，固定式对接需要提前布置好回收装置，灵活性不高，不适合复杂的深海探测任务；另一方面，固定式对接坞站的对接装置设计复杂，且容易受海洋附着物等其他条件的影响，维护难度较大。因此移动式自主水下对接技术的发展解决了现有技术的局限性。

3、移动式自主水下对接技术是指对接装置处于运动状态下，auv与对接装置完成对接。

4、本发明中的对接装置搭载在自组织auv的后段，前段搭载声学、光学导引装置，和物理锁紧装置。此类型的移动式自主水下对接技术，要求auv双段在对接过程中能准确捕捉大型水下航行器的位姿信息，同时也对两个相对运动物体的路径规划和跟踪控制提出了更高的要求。因而，在移动式自主水下对接技术中，实现准确且高效的对接路径路径规划是必不可少的。

5、自组织水下机器人拥有着较高的价值。在前后艇体分别在水下部署完成后，由于其分段体积小，机动灵活，可穿过一些复杂水域。前后艇体达到指定水域完成艇体对接，可起到出其不意的效果。并且对接完成后，由于其对接装置采用了正交关节机构，机器人前后艇体可以以偏转一定角度，以推进器推进+正交关节转角的形式运动机动前进，增强了对环境的适应性和本身的灵活性。从便携性角度来说，其艇体由两部分组成，对存放地点要求相对较小。综合来看，自组织水下机器人更能满足便捷、高效、安全隐蔽作战需求。

6、进一步考虑，由于自组织auv的双段尺寸与坞站和大型水下航行器相比较小，容易受到海流的干扰，需要着重研究海流干扰下的双体协调最优规划技术。

7、总结国内外的auv动态对接轨迹规划问题的现状可以发现，目前常用的规划方法有快速扩展随机树法、b样条曲线法等，但上述方法未考虑对接问题中双体运动的协调问题，并且难以求解复杂动力学方程约束及路径约束问题。例如：公开号为cn114815818a，发明创造名称为一种欠驱动auv移动对接动态路径规划方法及装置，其对接装置大多搭载于大型船舶或的大型无人水面航行器上，不具有在特种水下环境作业的隐蔽性；且对接技术大多基于大型的母艇进行回收对接，而未对auv自身的对接精度进行研究。

8、因此，亟需提出一种auv双体协调对接的路径规划方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对上述现有技术存在的问题，提供一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，为了实现低成本、高准度的自主水下对接，实用可靠，以解决水下机器人(具有高机动性、特殊海域勘探能力的自组织auv)作业布放困难和水下机器人在垂直三维剖面和狭窄水域及管道等特种作业环境受限无法进行探测和作业问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

2、本发明的技术方案：

3、一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，包括以下步骤：

4、步骤1、建立系统模型，包括动力学模型和边界条件；

5、步骤2、进行轨迹优化问题表述，构建目标函数和建立相应的约束条件；

6、步骤3、进行性能指标的离散化，采用高斯伪谱法将最优控制问题转化为非线性规划问题；

7、步骤4、使用kkt乘子法将边值问题转化为初值问题，进行求解得到航行轨迹；

8、步骤5、进行轨迹调整与优化。

9、优选的：步骤1中，系统模型包括动力学模型和水下环境模型；

10、建立auv(自组织水下机器人)的动力学模型，包括状态变量和控制变量，并在初始和终端时刻设定边界条件；状态变量包括auv的位置、速度和姿态等，控制变量包括推进器的推力和转动力矩等；

11、建立水下环境模型，利用已有的海图和采集到的环境信息建立水下环境模型，常见的方法包括栅格法、可视图法和voronoi法等，需要预先生成一条用于auv航向(姿态)、位置和速度分布的轨迹或路径，考虑海流对auv航行的影响，将其作为约束条件加入到路径(初始和终端之间为auv的运行轨迹简称路径或轨迹)规划中。

12、优选的：步骤2中，轨迹优化问题的表述包括构建目标函数和建立相应的约束条件；构建目标函数，目标函数通常包括航行时间最短和能源消耗最少等指标；建立与目标函数相应的约束条件，约束条件包括动力学、运动学和环境因素等方面，以确保轨迹的可行性和安全性；

13、进行轨迹优化时，采用高斯伪谱法对最优控制问题进行数值近似；通过时域变换将时间区间转换为[-1,1]，使用legendre多项式和lagrange插值基函数对系统状态和控制变量进行近似，为了进行计算机数值计算，需要对所述的系统状态和控制变量方程进行离散化，将微分方程约束转化为代数约束；这是通过求导状态变量的近似表达式并将其代入动力学方程来实现的，从而将最优控制问题转化为一系列代数方程和不等式。

14、优选的：步骤3中，高斯积分是一种高精度的数值积分方法，适用于在特定的积分点上对函数进行积分；通过对目标函数进行离散化处理，可以得到一系列离散化的权重系数；

15、将离散化后的最优控制问题转化为非线性规划问题，并使用适当的数值方法求解；适当的数值方法包括罚函数法和序列二次规划法(sqp)等，它们能够处理带有约束的优化问题，求解了受约束的最优轨迹问题。

16、优选的：步骤4中，kkt条件是一类最优性条件，它们为约束优化问题提供了一种有效的求解框架，用于判断某点是否为极值点的必要条件；kkt条件将所处理涉及等式约束和不等式约束的优化问题进行了统一和扩展，使得可以系统地求解各种带有约束条件的最优化问题，并确保求得的解满足必要的最优性条件。

17、优选的：步骤5中，根据求解得到的轨迹，对auv的实际航行轨迹进行调整和优化；这包括对速度、方向和姿态的微调，以确保对接过程的精确性和安全性。

18、优选的：还包括步骤6、模拟与实验验证：

19、在模拟环境(水下环境模型)中验证轨迹优化算法的有效性，然后在实际水下环境中进行实验，评估对接精度和效率；这一步骤是必要的，它确保了算法在实际应用中的可靠性。

20、优选的：还包括步骤7、根据上述算法和系统，进行系统整合与测试：将所有组件和算法整合到一个系统模型中，进行全面的测试，确保系统的稳定性和可靠性；这包括硬件的集成、软件的调试和系统的校准。

21、本发明具有以下有益效果：

22、本发明提供了一种全面的解决方案，用于优化自组织auv双体的动态对接轨迹，提高了水下作业的效率和安全性。分段布放和水下对接使得对机器人布放回收方案优化空间增大，布放回收装置的选择更加多样灵活，可以针对不同的任务要求设计不同的布放回收方案，便于控制成本；并且省去了繁杂的水面布放回收过程，大大节省了人力物力；另一方面，水下自组织的设计使得其在部署时快速隐蔽投放。本发明的方法不仅适用于自组织auv，还可以扩展到其他类型的水下机器人和自动化系统。

技术特征：

1.一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：步骤1中，建立动力学模型，包括状态变量和控制变量，在初始和终端时刻设定边界条件；状态变量包括auv的位置、速度和姿态，控制变量包括推进器的推力和转动力矩。

3.根据权利要求2所述的一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：步骤2中，轨迹优化问题的表述包括构建目标函数和建立相应的约束条件；构建目标函数，目标函数包括航行时间最短和能源消耗最少；建立与目标函数相应的约束条件，约束条件包括动力学、运动学和环境因素；

4.根据权利要求3所述的一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：步骤3中，将离散化后的最优控制问题转化为非线性规划问题，并使用适当的数值方法求解；适当的数值方法包括罚函数法和序列二次规划法，处理带有约束的优化问题。

5.根据权利要求4所述的一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：步骤4中，kkt条件是一类最优性条件，它们为约束优化问题提供了一种有效的求解框架。

6.根据权利要求5所述的一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：步骤5中，根据求解得到的轨迹，对auv的实际航行轨迹进行调整和优化；包括对速度、方向和姿态的微调。

7.根据权利要求6所述的一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：还包括步骤6、模拟与实验验证：

8.根据权利要求7所述的一种自组织auv双体协调对接的路径规划方法，其特征在于：还包括步骤7、进行系统整合与测试：将所有组件和算法整合到一个系统模型中，进行全面的测试。

技术总结
本发明涉及一种自组织AUV双体协调对接的路径规划方法，属于水下机器人技术领域。自组织AUV前后完成感知定位和位置对齐，实现自主动态对接；针对海流扰动，提出最优轨迹规划方法，优化航行时间、能量消耗和安全性；研究自组织AUV双体的主动对接约束条件及海流影响，建立了海流干扰下的动力学方程，设计一种考虑多约束条件的自组织AUV双体主动对接规划算法；采用伪谱法求解具有约束的非线性规划问题，确保运动参数在约束条件下的收敛性。主要包括以下步骤：建立系统模型；进行轨迹优化问题表述；进行性能指标的离散化；使用KKT乘子法将边值问题转化为初值问题；进行轨迹调整与优化。本提高了对接效率、安全性和隐蔽性，具有重要的实际应用价值。

技术研发人员：姜言清,李昊政,李舒畅,盛聪,李航,张君蕊,李晔
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5