[发明专利]一种无人艇高能效协同区域探测方法

说明书

本发明提供了一种无人艇高能效协同区域探测方法。该方法包括：对无人艇采用基于阿基米德螺线的行进方式作为区域内主体运动方式；对待测区域进行基于正六边形的子区域划分，并将障碍物区域和自由区域划分开来；对各艘无人艇进行任务区域分配，并规划各自行进路线。本发明采用基于阿基米德螺线的行进方式，使得无人艇在子区域探测过程中始终保持“匀速”行进。本发明对待测区域进行基于正六边形的子区域划分，使得无人艇在基于阿基米德螺线式行进的基础上有较高的覆盖率。本发明提出一种基于能耗均衡的任务区域分配方式，使得各艘无人艇的任务区域大小尽量相当，进而保证无人艇能耗尽量均衡。

技术领域

本发明属于移动机器人区域覆盖技术领域，涉及无人艇协同探测过程中进行区域覆盖和任务分配的方法。

背景技术

随着现代科学技术不断发展，机器人技术从60年代初问世以来也得到了飞速发展，并在很多领域得到广泛应用，很大程度上提高了工作效率。机器人技术的出现，不仅改变了传统的工业化生产模式，并且对人类生活产生了很大影响。目前随着机器人技术的逐渐成熟，带有指定任务的机器人开始进入实际应用化研究阶段。无人艇作为水上机器人的一种，由于其智能化的优势，在例如资源勘探、环境监测、水域勘测等领域得到了充分应用。政府将海河开发作为了当今社会发展重点战略之一，故利用无人艇进行水域勘测，探测水下环境情况已成为当今一大需求，这也预示着水域勘测在未来将会有更大的应用空间。

无人艇探测应用广泛，但目前仍存在一些问题：由于大型无人艇主要针对深水区域的探测，所以其探测设备性能要求较高、发射功率较大，使得无人艇体积庞大且沉重，吃水深，导致在例如近海、内河湖泊等浅水区域执行任务时容易出现搁浅问题，且对于某些特殊水域环境中的狭窄区域，大型无人艇也无法通过，因此无法探测到所需数据，故在很多应用中都需要吃水浅的小型无人艇进行作业。小型无人艇不仅适用于大部分水域环境的巡航探测，还可以满足利用无人机快速投放至指定区域的任务需求。但与此同时，小型无人艇由于体积较小且要求吃水浅，无法放置大容量的电池，故其能耗受限，在进行作业时需更多地考虑能耗限制带来的问题。

对于大面积的水域勘测，以单艘无人艇进行作业会变得效率低下，且对于某些特殊环境或复杂地形，单艘无人艇执行探测任务时会受传感器探测范围及角度等限制，难以实现有效探测，不能较好地完成探测任务。故有必要研究多艘无人艇对于大面积待测水域协同并行探测，以简化任务复杂程度，提高任务执行效率。

进行水域勘测时，多艘无人艇需要以一定策略的行进方式覆盖整个待测区域，这就涉及到移动机器人区域覆盖的问题。近些年对该问题的研究通常分为两部分来解决，一是区域内主体运动方式的选择，二是对待测区域的分解和衔接。目前常用的区域内主体行进方式包括直线往复式、直线向内循环式、直线向外循环式等，但这几种行走方式通常未考虑能耗的问题。目前常用的区域的分解和衔接方法是单元分解法，主要思想是将机器人所要遍历的区域根据环境中的障碍物或其他方法分为若干子区域，通过对各子区域的遍历实现对整个区域的遍历，这种思想在很大程度上降低了全局覆盖实现的难度，但对于多无人艇协同探测所涉及到的任务区域分配，通常的单元分解法并未考虑各艘无人艇能耗均衡的问题。

本发明针对对待测环境给定覆盖率要求的初步探测问题，利用多艘小型无人艇协同进行区域探测任务。小型无人艇可以解决大型无人艇无法用于浅水区域或狭窄水域环境执行任务的问题；另外利用多艘无人艇协同探测，通过分布式并行作业，可分解和简化任务的复杂程度，提高任务完成效率；对于多艘无人艇执行任务中要求的能耗限制，本发明提出了一种基于能耗均衡的任务区域分配方法，使得无人艇在总能耗低且各艘无人艇能耗均衡的前提下，完成区域探测任务。

发明内容