一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法技术

本发明专利技术属于USV控制技术领域，具体涉及一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法。本选取雷达传感器参数构建雷达探测模型，计算无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度；利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向等信息构建无通信情况下遗传算法评价函数；本发明专利技术在无通信情况下利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向等信息的作用辅助避碰规划，使多个USV从起点向终点的航行过程中躲避环境中所有静态障碍物、USV之间不发生碰撞、不出现大角度转向、大范围加减速，且航行路径符合经济性要求。本发明专利技术致力找到在无通信情况下充分利用雷达模块的探测作用来辅助避碰的方法。

A Collision Avoidance Planning Method for Multi-USV Groups Considering Noncommunication

The invention belongs to the technical field of USV control, and specifically relates to a multi-USV group cooperative collision avoidance planning method considering no communication. This paper chooses radar sensor parameters to construct radar detection model, calculates multi-USV motion parameters and collision risk in the absence of communication, uses radar module to detect static obstacle position and dynamic USV position, speed, heading information in the detection range of radar to construct genetic algorithm evaluation function in the absence of communication, and uses radar module to detect in the absence of communication. The function of static obstacle position and dynamic USV position, speed and heading information in radar detection range assists collision avoidance planning, so that multiple USVs avoid all static obstacles in the environment, and USVs do not collide, turn from a large angle, accelerate or decelerate in a large range during the course of navigation from the starting point to the end point, and the navigation path meets the requirements of economy. The invention endeavors to find a method of making full use of the detection function of radar module to assist collision avoidance in the absence of communication.

【技术实现步骤摘要】
一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法
本专利技术属于USV控制
，具体涉及一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法。
技术介绍
自上世纪80年代以来，各个国家发现了水面无人艇USV的重大潜力且逐渐重视对USV的研究，投入大量的人力和资金并取得了重大的科研成果，大大推动了USV的各项技术的发展。随着单一USV技术逐渐走向成熟且为了有效弥补单一USV难以完成的任务领域，各国开始研究多USV群体协同航行作业。而避碰规划作为USV在复杂多变的海洋环境中安全稳定的航行和准确高效的完成各项任务的重要前提，始终是其研究的核心内容之一。在多USV避碰规划的研究与实际避碰过程中，USV之间普遍会进行通信，然而同样会有通信模块失效的情况出现，此时则完全依靠雷达感知周围环境。目前，国内外能稳定实现多USV群体协同避碰规划的方法较少，并且大部分忽略了或者没有考虑通信情况。其中考虑了无通信情况的具有代表性如文献[1],设计了基于进化遗传算法的无人艇避碰决策系统，在无通信情况下利用雷达传感器模块感知周围的静态障碍物和动态目标，划分会遇局势并计算碰撞可能性来建立优化迭代过程得出避碰路径。文献[2]提出了一种主从结构的并行多水下机器人AUV协同避碰规划方法，在无通信条件下利用声呐传感器感知周围环境信息并采用工作空间环境法建立环境模型，算法子层结构和主层结构分别应用粒子群并行算法和微分进化算法实时考虑到障碍物和其他水下机器人的距离来生成当前的最优路径。现有技术的缺陷：现有的多USV群体协同避碰规划方法在无通信情况下并没有充分利用传感器模块探测周围环境来辅助避碰，传感器探测范围和探测信息种类理想化，且有的文献也会在无通信情况下利用通信模块才能得到的信息进行避碰。文献“刘佳男.基于进化遗传算法的无人艇避碰系统研究[D].大连：大连海事大学硕士学位论文,2015.”并没有讨论传感器模块的探测范围和探测信息的种类，在计算碰撞可能性时利用的相对距离、相对速度若在探测范围以外则存在错误。文献“李东正等.基于主从结构的多水下机器人协同路径规划[J].计算机仿真,2015,32(1):382-387.”主从结构AUV算法子层与算法主层约束条件复杂且存在耦合，存在求解困难、迭代时间长、陷入局部最优的问题，算法中默认探测到空间所有障碍物和其他AUV，未考虑声呐的探测范围和角度，不符合实际。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法，该方法包括以下步骤：步骤1：选取雷达传感器参数构建雷达探测模型，利用雷达模块探测静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息，计算无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取的时间；步骤2：利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息构建无通信情况下遗传方法评价函数；步骤3：添加雷达探测模块调试USV避碰规划。步骤1所述的无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度的计算包括：在无通信情况下，USV之间只能通过导航雷达测量静态障碍物位置和其他USV位置、速度、艏向参数，其中第i时刻雷达探测范围内探测出有障碍物的扫描点集合为：{(Xi1，Yi1)，(Xi2，Yi2)，…，(Xin，Yin)}其中，探测出的扫描点集合的坐标为大地环境坐标系下的坐标值；由障碍物的扫描点集合估算出障碍物的中心位置：其中，为第i时刻障碍物中心估计位置横坐标，为第i时刻障碍物中心估计位置纵坐标，Xij为第i时刻雷达扫描出的第j障碍物扫描点的横坐标，Yij为第i时刻雷达扫描出的第j障碍物扫描点的纵坐标；相邻时刻障碍物估算位置之间的距离：若则判定障碍物为静态障碍物；若则判定障碍物为动态障碍物，当障碍物为动态USV时，根据障碍物中心估算位置的变化和几个时刻的时间间隔估算出动态目标的运动速度和航向，动态目标的运动速度表示为下式：动态目标的航向表示为下式：其中，Δt为两个连续时刻的时间间隔；另一USV速度在横纵方向上的分量为：同理已知本USV的速度和艏向β计算出横方向上的分量和纵方向上的分量那么两USV的相对速度为：USV之间的相对速度大小：由估算的中心位置和此时本USV位置估算出USV之间的相对距离和相对方位：其中，(X0,Y0)为本USV的位置；USV之间的最近会遇距离DCPA：其中，DCPA的符号由USV之间的相对位置决定，当另一USV位于本USV的船艏方向时，DCPA为正；当另一USV位于本USV的船尾方向时，DCPA为负；到达最近会遇地点的时间TCPA：其中，TCPA的符号由USV之间的相对位置决定，当USV未到达最近相遇地点时，TCPA为正；当USV超过最近相遇地点时，TCPA为负；空间碰撞危险度是衡量USV之间发生碰撞可能性大小的度量之一，影响空间碰撞危险度大小的因素主要包括USV之间的最近会遇距离DCPA、最近会遇地点相对本USV的距离和方向、另一USV所在方向和距离以及无人航行器之间的最低安全会遇距离；其中，DCPA为USV之间的最近会遇距离，u为DCPA的隶属函数值，d1为本USV最晚进行避碰时到另一USV的距离，d2为恰好构成碰撞紧迫局面时本USV与另一USV的临界距离；当d2＜|DCPA|时，本USV航行安全；当|DCPA|＜d1时，本USV与另一USV存在碰撞危险，需要采取避碰措施来消除；当d1＜|DCPA|＜d2时，不确定是否存在碰撞危险，需要计算碰撞危险度来判定；时间碰撞危险度是衡量USV之间发生碰撞可能性大小的度量之一，影响时间碰撞危险度大小的因素主要包括两个USV的航行速度、本USV与另一USV的距离、两个USV的长度；其中，综合空间碰撞危险度和时间碰撞危险度得出USV系统的碰撞危险度：其中，的含义为：若uD＝0或uT＝0，则u＝0；若uD≠0且uT≠0，则u＝max(uD,uT)。步骤2所述的利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息构建无通信情况下遗传方法评价函数为：其中，d0为雷达坐标系的原点到障碍物的最短距离，d1表示本USV到另一USV的最短距离，d表示USV当前位置到相对应终点的距离；μ为障碍物边界下限角，即雷达坐标系原点与雷达检测到的障碍物下边界点的夹角，ν为障碍物边界上限角，即雷达坐标系原点与雷达检测到的障碍物上边界点的夹角，δ为另一USV边界下限角，即雷达坐标系原点与雷达检测到的另一USV下边界点的夹角，γ为另一USV边界上限角，即雷达坐标系原点与雷达检测到的另一USV上边界点的夹角；f为评价函数值，其值衡为正，f值越大被选择成为子代的可能性越大，ωi+1为USV下一时刻取第i个体的艏向角，评价函数采取奖惩机制增大区分度。本专利技术的有益效果是：本专利技术在无通信情况下利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向等信息的作用辅助避碰规划，使多个USV从起点向终点的航行过程中躲避环境中所有静态障碍物、USV之间不发生碰撞、不出现大角度转向、大范围加减速，且航行路径符合经济性要求。本专利技术致力找到在无通信情况下充分利用雷达模块的探测作用来辅助避碰的方法。本专利技术的关键点：设置合适的雷达参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：选取雷达传感器参数构建雷达探测模型，利用雷达模块探测静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息，计算无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取的时间；步骤2：利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息构建无通信情况下遗传方法评价函数；步骤3：添加雷达探测模块调试USV避碰规划。

【技术特征摘要】
1.一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：选取雷达传感器参数构建雷达探测模型，利用雷达模块探测静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息，计算无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取的时间；步骤2：利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息构建无通信情况下遗传方法评价函数；步骤3：添加雷达探测模块调试USV避碰规划。2.根据权利要求1所述的一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法，其特征在于，步骤1所述的无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度的计算包括：在无通信情况下，USV之间只能通过导航雷达测量静态障碍物位置和其他USV位置、速度、艏向参数，其中第i时刻雷达探测范围内探测出有障碍物的扫描点集合为：{(Xi1，Yi1)，(Xi2，Yi2)，…，(Xin，Yin)}其中，探测出的扫描点集合的坐标为大地环境坐标系下的坐标值；由障碍物的扫描点集合估算出障碍物的中心位置：其中，为第i时刻障碍物中心估计位置横坐标，为第i时刻障碍物中心估计位置纵坐标，Xij为第i时刻雷达扫描出的第j障碍物扫描点的横坐标，Yij为第i时刻雷达扫描出的第j障碍物扫描点的纵坐标；相邻时刻障碍物估算位置之间的距离：若则判定障碍物为静态障碍物；若则判定障碍物为动态障碍物，当障碍物为动态USV时，根据障碍物中心估算位置的变化和几个时刻的时间间隔估算出动态目标的运动速度和航向，动态目标的运动速度表示为下式：动态目标的航向表示为下式：其中，Δt为两个连续时刻的时间间隔；另一USV速度在横纵方向上的分量为：同理已知本USV的速度和艏向β计算出横方向上的分量和纵方向上的分量那么两USV的相对速度为：USV之间的相对速度大小：由估算的中心位置和此时本USV位置估算出USV之间的相对距离为：其中，(X0,Y0)为本USV的位置，USV之间的相对方位为：USV之间的最近会遇距离DCPA：其中，DCPA的符号由USV之间的相对位置决定，当另一USV位于本USV的船艏方向时，DCPA为正；当另一USV位于本USV的船尾方向时，DCPA为负；到达最近会遇地点的时间T...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏健，付忠健，肖瑶，付明玉，王其林，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23