基于威胁遭遇概率估计的UUV非结构化决策与规划问题研究

近些年来，国内外掀起了水下无人航行器（UUV）研究热潮，而人不在回路非结构化决策问题成为研究难点之一。针对UUV在非结构化环境中自主作业时的决策与规划问题，在考虑作业任务、运行环境、感知手段和自身能力等多种约束下，采用基于概率威胁地图的航路规划、基于虚拟目标跟踪的在线行为决策等方法，进行UUV在非结构空间内基于弱观测信号的多区域和多任务自主感知、决策的关键方法研究；阐明UUV在执行任务过程中对碍航物的威胁遭遇概率估计、跟踪虚拟目标导引的决策运行理论机制；揭示非结构环境下UUV自主决策威胁遭遇概率估计的规律；提供利用声弱观测信息与UUV先验知识相结合解决自主决策与规划问题的新思路。在仿真系统上开展UUV非结构化问题决策原理与规划方法的可行性验证，不仅会推动UUV自主控制技术的发展，还会促进UUV编队控制的环境认知、协同作业等自主技术发展与应用，研究具有非常重要而实际的意义。

“基于威胁遭遇概率估计的UUV非结构化决策与规划问题研究”课题以UUV进行海洋勘测为使命背景，研究了UUV在威胁条件下的规划、决策与控制方法。课题研究旨在提高UUV在复杂海洋环境下自主执行勘测使命过程中的可靠性、生存性、适应性。. 课题研究了UUV在线行为决策方法。当存在环境及敌对威胁且威胁未知时，UUV就必须通过在线决策自主航行到任务区域。决策的目的不单单是使UUV能自主的航行到目标点，而且UUV不能进入高威胁区域并使所受到的威胁最小化。提出了一种基于虚拟目标跟踪的方法来解决该问题。也即，假设有一个动目标沿着UUV期望的航路航行，UUV通过实时决策跟踪动目标，最终实现到达目标点的结果。所以重点研究了未知敌对威胁下的动目标跟踪问题。设计了跟踪指标、进行在线威胁评估，提出4个决策因素，并由此产生了7条决策规则来导引UUV的自主航行。通过仿真验证了所提出的方法能够实现UUV在未知敌对环境下的自主航行。. 课题研究了UUV任务规划和控制方法。任务规划和控制是UUV完成敌方海洋勘测使命首先要解决的问题。UUV通过任务规划来确定各个任务执行的顺序并形成有效的任务序列。在使命执行过程中UUV还需要对任务进行有效的控制，以保障使命的顺利完成。以勘测使命为导引，根据使命约束、UUV约束和环境约束设计了多区域、多任务、多约束的任务规划算法。在UUV的任务控制方面，基于离散事件的感知，采用分层递阶的Petri网实现对勘测使命的任务控制，设计Petri网时主要考虑了勘测使命的典型阶段和使命过程中对离散事件的控制。所研究的方法已经用于UUV实际系统，并且经过了湖试的验证。. 课题研究了UUV的碍航物规避方法。其中碍航物包括静态、动态和多个碍航物。根据多波束前视声纳探测到的碍航物信息，介绍了未知碍航物的属性检测方法。对于动态碍航物，利用概率的方法预测其到某一位置的时间和概率，用以仿人规避中评估碍航物对UUV的威胁。对于静止碍航物的规避，采用变向的策略；对于动态碍航物的规避采用变速的策略。在变向规避静态碍航物时，要保证UUV不能进入高威胁区域并最小化威胁，同时考虑UUV的行动能力。在变速规避避动态碍航物时，利用碍航物与UUV航路交叉点时间和概率来选择变速方式。通过仿真验证了仿人规避方法的有效性，并对静态碍航物的规避算法进行了湖试验证。