买专利卖专利找龙图腾，真高效！ 查专利查商标用IPTOP,全免费！专利年费监控用IP管家,真方便！

申请/专利权人：中国海洋大学

摘要：本发明涉及深海采矿车路径规划技术领域，公开一种基于四元人工势场的深海采矿车局部动态路径规划方法；包括以下步骤：（1）建立深海采矿车与洋流模型；包括深海采矿车运动学模型的建立、深海采矿车动力学模型的建立以及深海洋流场模型的建立；（2）建立基于四元人工势场的局部路径规划运动框架；①面向深海采矿作业需求建立四元人工势场；包括引力势场、斥力势场、涡流避障势场以及深海洋流势场，对四个势场合成得到四元人工势场；②采用自适应梯度下降的方法进行局部路径规划；③基于MPC控制的深海采矿车轨迹跟踪。本发明保证了深海采矿车对所规划路径能够进行高精度跟踪，保证了安全、节能和采矿效率。

主权项：1.一种基于四元人工势场的深海采矿车局部动态路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1建立深海采矿车与洋流模型；包括深海采矿车运动学模型的建立、深海采矿车动力学模型的建立以及深海洋流场模型的建立；2建立基于四元人工势场的局部路径规划运动框架；①面向深海采矿作业需求建立四元人工势场；包括建立面向深海采矿作业效率需求的引力势场、建立面向静态障碍物避障需求的斥力势场、建立面向动态障碍物避障需求的涡流避障势场以及建立面向节能需求的深海洋流势场，对四个势场合成得到四元人工势场；②在建立的四元人工势场的基础上采用自适应梯度下降的方法进行局部路径规划；③基于MPC控制的深海采矿车轨迹跟踪；将生成的深海采矿车局部路径点导入MPC控制器中，形成采矿车两侧履带驱动轮转速的最优控制决策，驱动深海采矿车按给定路径前进；所述步骤1中深海采矿车运动学模型的建立过程如下所述：坐标系XOY是深海采矿车运动的全局坐标系，vx表示水平速度，vy表示垂直速度，Ψ表示方向角；深海采矿车的运动简化为三个自由度：水平自由度X、竖直自由度Y和旋转自由度Ψ，由于深海采矿车采用双轨结构，在刚体假设下，车辆的实际速度由两侧履带的速度决定，深海采矿车的运动学模型建立如下： 其中：vo是外侧履带速度；vi为内侧履带速度；Ψ表示方向角；D是深海采矿车两侧履带之间的中心距离；是深海采矿车水平位移的一阶导数；是深海采矿车竖直位移的一阶导数；是深海采矿车方向角的一阶导数；状态量为χ＝[X,Y,Ψ]，控制量为u＝[vo,vi]；所述步骤2①中建立面向深海采矿作业效率需求的引力势场的表达式如下：Uattq＝ka1ρ2q,qg+ka2ρ2q,qc，其中：ρq,qg是从当前位置点到局部目标点的距离；ρq,qc是从当前位置点到中心线的最短距离；ka1和ka2分别是局部目标点引力势场和采矿中线引力势场的相关系数；所述步骤2①中建立面向静态障碍物避障需求的斥力势场的表达式如下： 其中：ρq,qo是从当前位置点到障碍物的距离；ρ0是深海采矿车上的声呐探测器所能检测到的最远距离；kb是斥力势场的相关系数；所述步骤2①中建立面向动态障碍物避障需求的涡流避障势场的表达式如下： 其中：是垂直于采矿中心线的位移矢量；和分别是深海采矿车和障碍物的速度矢量；kvor是涡流避障势场的相关系数；和分别表示斥力势场在纵向和横向的偏导数大小；q和q1分别代表当前位置点坐标和起点坐标；所述步骤2①中建立面向节能需求的深海洋流势场的表达式如下： 其中：和分别是横向、纵向的深海洋流速度分量；kcur是深海洋流势场的相关系数；q和q1分别代表当前位置点坐标和起点坐标；所述步骤2①中四元人工势场的表达式如下：Uresult＝α1Uatt+α2Urep+α3Uvor+α4Ucur，其中，α1、α2、α3、α4分别是引力势场、斥力势场、涡流避障势场以及深海洋流势场的权重系数；Uatt、Urep、Uvor、Ucur则分别代表引力势场、斥力势场、涡流避障势场以及深海洋流势场的势能大小；所述步骤2②采用自适应梯度下降的方法进行局部路径规划的过程是：在局部路径规划过程中采用RMSprop优化器，在RMSprop优化器中，用于更新状态的公式如下所示：p＝p′-Fr·l，其中：p和p'分别是当前状态量和上一步状态量；l是步长；Fr是步长调整函数，定义为： 其中，ε是最小常数，设置为10-8；r是平方梯度，定义为：r＝βr′+1-βg⊙g，其中：r'是上一时间步的平方梯度；β是衰减因子；g是梯度；⊙表示向量内积运算；所述步骤2③基于MPC控制的深海采矿车轨迹跟踪的具体过程是：a建立预测方程；首先在建立的运动学模型的基础上，将状态量χ＝[X,Y,Ψ]以及控制量u＝[vo,vi]的偏差分别设置为： 其中，xr，yr和Ψr分别表示给定的参考横坐标、纵坐标和航向角；vor和vir分别表示给定的外侧和内侧履带参考速度；新的状态向量构造为： 其中，k表示时间步序号；因此，新的状态空间表达式为： 其中：表示控制量偏差变化量；和分别表示原始状态量偏差和控制量偏差的系数矩阵；A和B分别表示状态量偏差和控制量偏差的系数矩阵；其中： 其中：IN表示N阶单位阵；同时，对应的输出方程表达式为： 假设预测时域为Np，控制时域为Nc，NpNc，则状态空间方程和输出方程经过多步推导得到以下输出方程的矩阵形式：Y＝Ψξk+ΘΔU，其中， b建立优化目标函数方程；为了保证采矿作业的高效性和安全性，深海采矿车辆在运动过程中需要使实际轨迹与给定参考轨迹之间的偏差尽可能小，同时保证所用的控制量尽可能小，基于以上需求开始建立优化目标函数，定义系统输出的参考值为： 其中：Yr表示参考输出矩阵，它输出状态偏差，偏差越小，控制效果越好，因此参考输出设置为0；ηrk+n,n∈[1,Np]表示每一个预测步的参考输出状态值；令： 定义目标函数为： 令：H＝ΘTQQΘ+RR,g＝ETQQΘ，优化目标函数的最终表达式为： c建立控制约束；深海采矿车运动过程中必须满足两侧轨道的速度约束和控制约束，以保证两侧轨道的速度和控制量在合理范围内；推导控制量和控制增量的多步公式，得到对应的矩阵形式： 然后，进一步设置控制偏差量的上界和下界： 综上所述，对深海采矿车的控制问题转化为标准二次型规划问题，如下所示： 在对深海采矿车进行MPC控制的每个采样步骤中，首先根据当前输入状态和参考状态求解控制变量的最优解，必须确保输出控制变量能够在下一步中使DSMV更接近参考状态，同时保持在约束范围内并尽可能小；重复上述采样、求解和控制过程，使深海采矿车能够根据基于四元势场的局部路径规划运动框架完成相应的避障任务。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 中国海洋大学 一种基于四元人工势场的深海采矿车局部动态路径规划方法