参考文献 28

致谢 29

1 引言

海洋是人类发展的四大战略空间(陆、海、空、天)中继陆地之后的第二大空间，是生物资源、能源、水资源和金属资源的战略性开发基地，它对我国经济与社会发展产生着巨大的支撑作用。作为人类探索和开发海洋的助手，水下机器人应用于工业、农业、国防、科研等领域，往往具有不可替代的重要作用。发展水下机器人，并将其作为海洋高科技的战略制高点，对我国的经济、社会发展与国防事业都有直接、巨大的支撑作用。

海洋深处工作环境复杂多变，要求水下机器人在复杂水下环境中、有限的时间内，能够高效完成多目标作业任务且有效避开障碍物，因此，其水下路径规划与避障技术研究十分重要。

1。1  水下机器人路径规划技术概述来自优O尔P论R文T网WWw.YoueRw.com 加QQ7520`18766

路径规划是水下机器人必须具备的智能行为之一，是人工智能领域的重要研究方面。所谓路径规划，即在具有障碍物的环境中，水下机器人按照一定的评价标准，找到一条从起始状态到达目标状态的无碰撞路径[1]。所谓评价标准，即水下机器人在多条路径中选择一条最优路径，例如路径最短，耗能最少或耗时最短。

水下机器人的路径规划，不考虑运动动力学，可以作为一个人工智能问题进行处理，主要对算法进行研究。这些研究起始于20世纪70年代，迄今为止，己有大量的研究成果报道，近些年更成为机器人领域的研究热点之一。

从水下机器人路径规划的方法策略的角度，根据已有的文献资料和研究成果，可以将水下机器人路径规划技术简单概括为以下几种：人工势场路径规划技术，人工智能路径规划技术，分层次的路径规划技术、基于数字海图的路径规划技术以及考虑海流影响的路径规划技术等。

1。2 人工势场路径规划方法

人工势场方法首先由Khatib提出，在COSMOC系统上实现机械手臂的实时避障[2]。其基本思想是将机器人在环境中的运动视为一种机器人在虚拟的人工受力场中的运动。该力场类似于正负电荷产生的电场，其等势线情况如图1-1所示。

图1-1 目标物与障碍物产生的势场

障碍物对机器人产生斥力，目标点对机器人产生引力，引力和斥力的合力作为机器人的控制力，从而使机器人沿势场梯度变化的方向运动，避开障碍物而到达目标位置。

Charles W。 Warren等人将势场方法应用到水下机器人的全局路径规划当中，尽量减少了局部极小点出现的可能性，并举例证明该方法适用于二维或三维环境。这种规划方法只适用于静态环境中的全局路径规划，现实的水下环境是动态的，障碍物和目标物都可能是移动的，为了解决动态环境中的机器人路径规划问题，Ko和Lee等人[3]障碍物的速度参量引入移动机器人的斥力势函数的构造中，提出动态环境中的移动机器人路径规划策略。这种方法也可应用于水下机器人，但是他们仅假定障碍物与机器人之间的相对速度是固定不变的，还不是真正的动态路径规划。S。S。Ge等人[4]将机器人与目标物的相对速度引入势函数设计之中，提出动态环境下的移动机器人路径规划算法，取得了比较满意的仿真与实验结果。

人工势场路径规划技术原理明确，应用简便，在实时避障和平滑轨迹控制等方面得到了广泛的研究，可以用于水下机器人的路径规划，但人工势场路径规划方法通常存在局部最小点问题；另外，在引力和斥力场建模时参数的选择还没有明确的标准，在障碍物较多时存在计算量过大等问题，这些因素的存在限制了人工势场方法的广泛应用。