无人潜水器主动避障关键技术研究

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1、大连海事大学硕士学位论文无人潜水器主动避障关键技术研究姓名：戈磊申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：何荣希20090601摘要本文从工程应用的实际需求出发，结合计算机控制技术、传感器检测技术和信号处理技术，对无人潜水器(AUV)在实际开发过程中的避障系统的组成、声纳传感器的测距实验与数据处理、传感器的数据处理和基于人工势场法的避障路径规划等内容进行较为深入的分析和研究。所提出的潜水器避障控制方法对水下机器人的路径规划具有一定的理论意义，对实际应用具有一定的借鉴价值。本文首先介绍了AUV避障系统的控制模

2、块，包括声纳传感器探测方法、运动环境建模方法和避障策略方法，然后讨论了利用人工势场法进行AUV路径规划的原理。在使用人工势场法进行避障的时候，由于AUV对周围环境信息的感知具有局限性，容易导致局部极小值问题的出现。为了克服人工势场法的这些缺陷，提出通过建立新势场函数、改变势场的作用方式和调整势力场区等方法对传统人工势场模型进行改进。仿真实验表明：新方法模型能很好地解决避障过程中的局部陷阱问题，基本消除运动轨迹震荡现象，使AUV能够顺利到达目标。其次，研究了AUv的外部环境信息采集模块的设计问题。通过在潜水器上安装

3、五个测距声纳来感知周围的环境信息，并且用一块DSP控制板和多串口扩展板来接收和处理声纳传感器的数据。为了避免数据扰动引起障碍信息的不准确，提出采用滚动式平均值滤波法对原始数据进行处理。测试结果表明：环境信息采集模块可以为潜水器提供实时可靠的障碍物信息。最后，介绍了AUV的整体控制模块，该AUV在五个控制模块的共同作用下，完成自身的导航、避障、定深和测深等任务。将人工势场法的应用范围从陆地移动机器人延伸到无人潜水器的避障路径规划中。通过为AUV建立平面坐标系、对运动环境建模、对障碍物进行判别和用改进势场法进行避障控

4、制，如果在正常航行路径中发现障碍物，则计算出能够避障的下一点航行的新坐标，自动航行模块利用该新坐标，调整航向，避开障碍物。本文对AUV路径规划中的避障问题进行了研究，所提出的避障控制方法对AUV的路径规划具有重要的实际应用价值。关键词：水下机器人；避障；人工势场法；声纳ABSTRACTThispaperstudiesunderwatervehicles．Aimingtomeetpracticalengineeringneeds，togetherwiththetechnologiesofcomputercontro

5、l，sensordetectionandsignalprocessing，thispapermainlyfocusesontheactualdevelopmentofobstacleavoidance。system,sonarsensorsrangingexperiments，sensordamprocessingandartificialpotentialfieldbasedobstacleavoidancepathplanning．Firstly，asthevehiclesmovesinsuchspecifi

6、cenvironmentasthesea,thepaperfirstintroducesthecontrolstructureofAUVobstacleavoidancesystem,includingthesonarsensordetection,motiveenvironmentmodelingmethodandobstacleavoidancestrategy．Thenartificialpotentialfieldmethodformobilerobotpathplanningisthoroughlyde

7、scribed．Artificialpotentialfieldmethodforobstacleavoidanceusuallyleadstolocalextremity，owingtotherobot’Slimitedsensationofthesurroundingenvironment．Inordertoovercomethesedefectsoftheartificialpotentialfield，anewpotentialfieldfunctionisused．Thenewfunctionchang

8、esthepotentialfield’Swayoffunctioningandadjuststheforcefieldofthepotentialfield．SimulationshowsthattheseimprovementsCanbeagoodwaytosolvethelocaltrapproblemandCanbasicallyeliminatethepheno