基于改进人工势场法的水下滑翔机路径规划研究
作者及机构
本研究由李沛伦（上海交通大学高新船舶与海洋开发装备协同创新中心、海洋工程国家重点实验室）与杨启（上海交通大学海洋水下工程科学研究院有限公司）合作完成，发表于《舰船科学技术》（2019年4月，第41卷第4期）。
学术背景
水下滑翔机（Underwater Glider）是一种低功耗、长航程的自主水下机器人，广泛应用于海洋监测、军事侦察等领域。其路径规划面临两大挑战：一是传统人工势场法（Artificial Potential Field, APF）存在局部极值（Local Minimum）和目标不可达（Destination Unreachable）问题；二是动态障碍物和海流干扰的实时避障需求。为此，本研究提出改进的人工势场法，结合水下滑翔机运动约束和海流影响，优化其避障路径规划。
研究方法与流程
改进人工势场法
- 斥力势场改进：传统斥力势场在目标点位于障碍物影响范围内时失效。本研究引入目标点位置关系，重构斥力势场函数（公式1），确保目标可达性。
- 引力势场改进：针对局部极值问题，增加局部引力势场（公式3），当合力为零时提供额外引力驱动滑翔机逃离停滞点（公式4）。
- 动态障碍物处理：引入速度势场函数（公式5），将静态势场扩展为动态势场，通过相对速度矢量与障碍物连线的夹角（ϕ）判断避障方向（公式6）。
水下滑翔机运动约束整合
- 最小回转半径（rmin）：滑翔机机动性受限，需设定障碍物影响半径（ρ0）以避免碰撞。通过几何分析（公式7-9），推导临界条件ρ0 ≥ √(r² + 2r·rmin)（r为障碍物半径）。
- 运动参数约束：路径起点速度（v=0.8 m/s）、滑翔角（θ=45°）和rmin=10 m（基于HUST-2号滑翔机参数）。
海流影响建模
- 定常海流力（fc）：与海流速度（vc）成正比（fc = λvc），作用于水平方向（公式10）。航向角（φ）由合力计算，更新滑翔机位置（xk+1, yk+1）直至到达目标。
仿真实验
- 无海流环境：静态障碍物（表1）和动态障碍物（表2）测试显示，改进方法有效规避局部极值，路径平滑（图5）。
- 海流干扰测试：水平定常海流（vc=0.2 m/s）导致路径偏移，但最终仍可达目标（图6）。不同流速（0.2-0.6 m/s）对比表明流速越大，路径扰动越显著（图7）。
主要结果与逻辑链条
- 改进势场法的有效性：仿真验证了改进斥力/引力势场解决传统缺陷的能力（图5），动态障碍物避碰成功（图4）。
- 运动约束的合理性：通过几何推导的ρ0确保避障可行性（公式8-9），与滑翔机机动性匹配。
- 海流影响的量化：海流导致路径偏移，但未破坏目标可达性，为实际海洋环境应用提供参考（图6-7）。
研究结论与价值
本研究提出了一种适应水下滑翔机特性和海洋环境的改进人工势场法，其科学价值在于：
1. 方法创新：融合动态势场、运动约束和海流模型，扩展了传统APF的应用范围。
2. 工程意义：为滑翔机在复杂环境（如动态障碍物、海流）中的路径规划提供可靠解决方案，降低能耗与碰撞风险。
研究亮点
- 动态势场：首次将速度势场引入滑翔机路径规划，处理动态障碍物。
- 几何约束整合：通过rmin推导ρ0，将运动限制融入算法设计。
- 海流适应性：揭示了定常海流对路径的干扰规律，为后续研究奠定基础。
局限性：仅考虑定常海流，未来需研究复杂流动（如湍流）的影响。