Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) have advanced significantly in obstacle detection and path planning through sonar, cameras, and learning-based methods. However, safe and efficient navigation in cluttered environments remains challenging due to partial observability, turbidity, the limited field-of-view of forward-looking sonar (FLS), and occlusions that obscure obstacle geometry. To address these issues, we propose the Efficient Reactive Obstacle Avoidance Strategy (EROAS), a lightweight framework that augments a standard 2D FLS with a pivoting mechanism, effectively transforming it into a cost-efficient \emph{2.5D sonar}. This design provides vertical information on demand, extending situational awareness while minimizing computational overhead. EROAS integrates three complementary modules: first, Sonar Profile-guided Directional Decision Control (SPD2C) for rapid gap detection and generation of reference commands in both horizontal and vertical planes. Secondly, the Spatial Context Generator (SCG), which maintains a short-term obstacle memory of the past to mitigate partial observability, and finally, a Spatio-Temporal Control Barrier Function (ST-CBF) that enforces forward-invariance of safety constraints by filtering nominal references. Together, these components enable robust, reactive avoidance of obstacles in uncertain and cluttered 3D underwater settings. Simulation and hardware-in-the-loop (HIL) experiments validate the efficacy of the proposed EROAS algorithm, demonstrating improved trajectory efficiency, reduced travel time, and enhanced safety compared to conventional methods such as the Dynamic Window Approach (DWA) and Artificial Potential Fields (APF). https://github.com/AIRLabIISc/EROAS


翻译:自主水下航行器(AUV)已通过声纳、摄像头及基于学习的方法在障碍物检测与路径规划方面取得显著进展。然而,在杂乱环境中实现安全高效的导航仍面临挑战,主要归因于部分可观测性、水体浑浊、前视声纳(FLS)有限的视场角以及遮挡物掩盖障碍物几何形状等问题。为解决上述难题,我们提出了高效反应式障碍物规避策略(EROAS),这是一个轻量级框架,通过为标准的2D前视声纳添加旋转机制,将其转化为成本效益高的“2.5D声纳”。该设计可按需提供垂直方向信息,在提升环境感知能力的同时最大限度地降低计算开销。EROAS集成了三个互补模块:首先,基于声纳剖面引导的定向决策控制模块(SPD2C),用于快速检测间隙并在水平与垂直平面生成参考指令;其次,空间上下文生成器(SCG),通过维护短期障碍物记忆缓解部分可观测性问题;最后,时空控制障碍函数(ST-CBF),通过滤波标称参考信号确保安全约束的前向不变性。这些组件共同实现了在不确定且杂乱的三维水下环境中对障碍物的鲁棒反应式规避。仿真与硬件在环(HIL)实验验证了所提出的EROAS算法的有效性,结果表明:与动态窗口法(DWA)及人工势场法(APF)等传统方法相比,该算法在轨迹效率、航行时间及安全性方面均有显著提升。https://github.com/AIRLabIISc/EROAS

0
下载
关闭预览

相关内容

3D是英文“Three Dimensions”的简称,中文是指三维、三个维度、三个坐标,即有长、有宽、有高,换句话说,就是立体的,是相对于只有长和宽的平面(2D)而言。
采用扩散模型实现隐蔽通信的自主潜航器智能猎杀策略
专知会员服务
24+阅读 · 2025年3月27日
美海军专利《球形自主水下航行器》
专知会员服务
23+阅读 · 2025年2月4日
《基于大语言模型的避障决策和自主水面航行器控制》
专知会员服务
35+阅读 · 2024年12月5日
自主水下航行器路径规划技术综述及展望
专知会员服务
58+阅读 · 2023年7月6日
前沿:水下机器人及其导航系统
科学出版社
11+阅读 · 2019年6月22日
【学科发展报告】无人船
中国自动化学会
29+阅读 · 2019年1月8日
海洋论坛丨水声目标识别技术现状与发展
无人机
26+阅读 · 2018年12月17日
国外无人水下航行器装备与技术现状及展望
无人机
14+阅读 · 2018年1月11日
水下无人系统发展现状及关键技术
无人机
21+阅读 · 2018年1月5日
无人艇的发展趋势
无人机
13+阅读 · 2017年11月6日
盘点现代水面无人艇技术
无人机
29+阅读 · 2017年10月16日
国家自然科学基金
15+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
VIP会员
最新内容
学习数据的几何:形状空间分析数学综述
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
定向能反无人机系统最新发展动态
专知会员服务
7+阅读 · 6月17日
从燃煤战舰到算法战争:水面指挥的永恒要求
专知会员服务
6+阅读 · 6月17日
相关资讯
前沿:水下机器人及其导航系统
科学出版社
11+阅读 · 2019年6月22日
【学科发展报告】无人船
中国自动化学会
29+阅读 · 2019年1月8日
海洋论坛丨水声目标识别技术现状与发展
无人机
26+阅读 · 2018年12月17日
国外无人水下航行器装备与技术现状及展望
无人机
14+阅读 · 2018年1月11日
水下无人系统发展现状及关键技术
无人机
21+阅读 · 2018年1月5日
无人艇的发展趋势
无人机
13+阅读 · 2017年11月6日
盘点现代水面无人艇技术
无人机
29+阅读 · 2017年10月16日
相关基金
国家自然科学基金
15+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
12+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员