基于自主和自學(xué)習(xí)行為智能體的AUV運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究.pdf

1、本論文以國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“水下無人潛器技術(shù)”為背景，對(duì)基于行為主義的智能體技術(shù)在自治式水下機(jī)器人(Autonomous underwatervehicle，簡稱AUV)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中的應(yīng)用展開了深入地研究。論文的研究旨在提高AUV自主作業(yè)過程中對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性、反應(yīng)的快速性以及決策的有效性。 論文主要完成以下的研究工作： 針對(duì)動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境下的AUV運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題，將智能體的行為看作是AUV和環(huán)境之間交互的一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程

2、，提出并闡釋了行為動(dòng)力學(xué)方法，并利用該方法建立了AUV水平面的自主行為智能體。仿真結(jié)果表明自主行為智能體對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境響應(yīng)快速，正確、有效。 垂直面運(yùn)動(dòng)規(guī)劃對(duì)AUV下潛深度及距底高度均有特殊要求，而單獨(dú)的定高航行或定深航行難以同時(shí)滿足。本文建立了基于模糊推理的AUV垂直面自主行為智能體，對(duì)定高航行行為和定深航行行為進(jìn)行融合。仿真結(jié)果說明垂直面自主行為智能體在保證AUV自身安全的同時(shí)，盡可能滿足了聲學(xué)儀器對(duì)距底高度的要求，此外正常航

3、行時(shí)AUV不隨海底地形起伏而頻繁改變深度，使得航行穩(wěn)定。 為了對(duì)AUV空間運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中水平面和垂直面自主行為智能體進(jìn)行協(xié)調(diào)，提出了基于使命分解和任務(wù)執(zhí)行語句的行為協(xié)調(diào)機(jī)制。該機(jī)制的原理是：將使命分解成若干個(gè)能夠順序執(zhí)行的任務(wù)，針對(duì)特定任務(wù)定義任務(wù)執(zhí)行語句，任務(wù)執(zhí)行語句將任務(wù)轉(zhuǎn)換為并發(fā)的自主行為智能體，再按照優(yōu)先級(jí)規(guī)則對(duì)并發(fā)行為進(jìn)行協(xié)調(diào)。進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明提出的自主行為智能體及協(xié)調(diào)機(jī)制正確、可行。 針對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法

4、應(yīng)用于AUV工程實(shí)際的不足，如學(xué)習(xí)的泛化性差、試錯(cuò)帶來的風(fēng)險(xiǎn)性以及學(xué)習(xí)效率低等，提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和案例的Q學(xué)習(xí)算法(NCQL)。NCQL的基本思想是用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決Q學(xué)習(xí)的泛化問題；用案例學(xué)勻保證學(xué)習(xí)過程的收斂性、避免試錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)及提高學(xué)習(xí)效率。給出了基于NCQL的AUV自學(xué)習(xí)行為智能體各要素的實(shí)現(xiàn)方法。進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果可以看出，提出的NCQL算法收斂性能好、收斂速度快并且收斂到的結(jié)果較優(yōu)化。NCQL算法具有在線學(xué)習(xí)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)

5、。 論文從自主控制體系結(jié)構(gòu)頂層設(shè)計(jì)要求出發(fā)，設(shè)計(jì)了含行為智能體的混合式AUV自主控制系統(tǒng)。采用有色Petri網(wǎng)(CPN)作為工具，對(duì)所提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了形式化建模，利用CPN的數(shù)學(xué)理論分析了模型基本特性，包括有界性、活性和互斥性。形式化分析驗(yàn)證了AUV自主控制體系結(jié)構(gòu)以上性質(zhì)的正確性和有效性。 為了綜合驗(yàn)證本文所提出的各主要方法，分別進(jìn)行了聲吶湖上試驗(yàn)、縮尺度模擬試驗(yàn)和半實(shí)物仿真試驗(yàn)。本文從聲學(xué)傳播和聲吶物理特性考慮，提出

6、了一種數(shù)字濾波算法，對(duì)多波束前視聲吶探測到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行后處理。設(shè)計(jì)了基于聲吶信息的避障試驗(yàn)方案，進(jìn)行了避障行為動(dòng)力學(xué)模型的湖上試驗(yàn)驗(yàn)證。設(shè)計(jì)了AUV縮尺度模擬試驗(yàn)，應(yīng)用激光測距儀模擬AUV前視聲吶傳感器，完成了不同案例下的水平面行為智能體功能的有效驗(yàn)證。利用半實(shí)物仿真平臺(tái)對(duì)含行為智能體的AUV自主控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。通過反復(fù)試驗(yàn)，進(jìn)一步說明了本文所提方法正確、可行?；谧灾骱妥詫W(xué)習(xí)行為智能體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究對(duì)于AUV安全、高效地完成