一种结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法技术

本发明专利技术提供一种结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，包括基于逆速度障碍法，实现无人船的局部动态避障；基于逆速度障碍法，引入冲突检测函数，实时检测无人船与障碍物是否存在碰撞危险；基于海事避障规则，增加关于船舶在危险预警区域时的避障策略，明确船舶在脱离海事规则后的决策。本发明专利技术将逆速度障碍法用于无人船的局部动态避障，使无人船避免因自状态检测而受到误差干扰，提高无人船的局部避障能力；其冲突检测函数，增强无人船在避障决策时的效率，提高局部避障的能力；船舶能够快速对危险预警区域时的避障作出更高效的应对措施。将逆速度障碍法与改进后的海事规则相结合，提高无人船在局部环境下动态避障的高效性，保障无人船航行时的安全。保障无人船航行时的安全。保障无人船航行时的安全。

【技术实现步骤摘要】
一种结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法


[0001]本专利技术涉及船舶应用
，具体而言，尤其涉及一种结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法。

技术介绍

[0002]速度障碍法是应用于水面无人艇动态避碰的方法，其原理是将障碍物与无人艇进行膨化处理后，建立无人艇－障碍物U
‑
O环境模型，确定碰撞区域。如图3、4所示，建立U
‑
O坐标系，在t时刻，无人艇向障碍物两侧切线方向发射射线L1和L2,形成速度碰撞锥；无人艇A和障碍物B的速度分别为V
A
和V
B
，两者相对速度为V
AB
＝V
A
‑
V
B
，若两者的相对速度在速度碰撞锥内，则认为两者在未来的某一时刻会发生碰撞，所以需要改变两者的相对速度，使得V
AB
脱离速度碰撞锥。
[0003]速度障碍法在运行时，会一直检测无人艇和动态障碍物本身的速度和相对位置，这就导致当无人艇在进行自状态检测时，会因为装置本身受到的干扰和检测时产生的误差，导致检测到的无人艇速度和位置信息出现错误，从而会使得相对速度的选择出现错误，导致无人艇与动态障碍物在不久的将来会发生碰撞。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的技术问题，而提供一种结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，包括：
[0007]S1、基于逆速度障碍法，实现无人船的局部动态避障；
[0008]S2、基于逆速度障碍法，引入冲突检测函数f(*)，实时检测无人船与障碍物是否存在碰撞危险；
[0009]S3、基于海事避障规则，增加关于船舶在危险预警区域时的避障策略，明确船舶在脱离海事规则后的决策。
[0010]进一步地，所述步骤S1具体包括：
[0011]S11、假设无人船是静止的，建立以无人船为中心的框架；
[0012]S12、将障碍物质点化处理，用A来表示，对无人船进行膨化处理，将无人船膨化成半径为R的圆盘，用B来表示，其中，R为障碍物半径和无人船的半径之和；
[0013]S13、从A点发出两条射线与圆盘B相切，形成速度碰撞锥；
[0014]S14、在无人船行驶过程中，若无人船的常规避障区域内出现障碍物时，假设在瞬时时刻t，障碍物的速度为V
A
，此时无人船静止，即V
B
＝0，则无人船与障碍物的相对速度V
AB
＝V
A
‑
V
B
＝V
A
；
[0015]S15、若V
AB
位于速度碰撞锥内，则认为无人船会与障碍物发生碰撞，人为给无人船一个速度控制u，令V
AB
＝V
A
+u，使得相对速度脱离速度碰撞锥外，无人船实现避碰。
[0016]进一步地，所述步骤S2具体包括：
[0017]S21、利用方向引导函数f(/)，使无人船一直朝着目标点的方向以最优速度前进；
[0018]S22、在行驶过程中，利用冲突检测函数f(*)检查无人船是否会与障碍物发生碰撞，当f(*)≤0时，则表示无人船会与障碍物发生碰撞；
[0019]S23、当检测到无人船与障碍物有碰撞危险时，利用冲突解除函数f(
·
)，引导无人船与障碍物的相对速度脱离速度碰撞锥外，使无人船与障碍物避免碰撞。
[0020]进一步地，所述步骤S21中的方向引导函数f(/)，具体为：
[0021][0022]上式中，f(/)表示方向引导函数，V
desired
表示无人船驶向目标点的最优速度，V
r
表示无人船的当前速度，λ表示调节无人船速度变换的平滑因子，λ||u||2表示为了控制无人船速度变换的平滑性，使速度变换更加平滑；其中：
[0023][0024]上式中，g
r
表示在所述框架下以无人船为中心的障碍物的相对位置；|g
r
|表示相对位置的模长，表示速度的朝向，其结果为+1或
‑
1，+1表示无人船的最优速度应指向y轴正方向，
‑
1表示无人船的最优速度应指向y轴负方向；v
max
表示无人船的最大速度，用标量表示；
[0025][0026]上式中，u表示在所述框架下人为输入到无人船的瞬时速度；r表示在t时刻，从代理的框架中看到的障碍物的位置，代理位于所述框架中的原点并在瞬时时刻处于静止状态，和分别表示所述框架下的障碍物相对于无人船在x轴和y轴的位置；v表示以无人船为坐标原点的障碍物的相对速度，和分别表示所述框架下的障碍物相对于无人船在x轴和y轴的速度。
[0027]进一步地，所述步骤S22中的冲突检测函数f(*)，具体为：
[0028][0029]上式中，f(*)表示检测无人船是否会有障碍物发生碰撞的函数，r表示在t时刻，无人船与障碍物的距离；R表示将无人船进行膨化处理后，形成的圆的半径，V
r
表示无人船与障碍物的相对速度在AB轴上面的投影，V
θ
表示无人船与障碍物的相对速度在r
⊥
轴上面的投影；其中：
[0030][0031]上式中，表示无人船与障碍物的相对速度，用矢量表示，表示AB轴上的单位向量，为r
⊥
轴上的单位向量；将无人船的与障碍物的相对速度投影到AB轴和r
⊥
轴上，分别生成各自的相对速度分量。
[0032]进一步地，所述步骤S23中的冲突解除函数f(
·
)，具体为：
[0033][0034]上式中，f(
·
)表示帮助无人船避免与障碍物发生碰撞的冲突解除函数，当f(
·
)≤0时，表明无人船与障碍物的相对速度脱离速度碰撞锥外，无人船解除与障碍物的碰撞危险，r表示在t时刻，从代理的框架中看到的障碍物的位置，r
T
为r的转置，||r||表示无人船与障碍物的距离，v表示在以无人船为中心的框架下的障碍物的相对速度，||v||表示无人船与障碍物的相对速度大小，R为将无人船进行膨化处理后，形成的圆的半径。
[0035]进一步地，所述步骤S2中还包括冲突检测函数f(*)以及冲突解除函数f(
·
)的推理步骤：
[0036]步骤一：推理突检测函数f(*)；
[0037]根据无人船与障碍物形成的速度碰撞锥，可知：
[0038][0039]对进行处理，得到：
[0040][0041]已知将上市化简为：
[0042][0043]因为得到：
[0044][0045]将上式代入到公式中，得到：
[0046][0047]当时，即无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，其特征在于，包括：S1、基于逆速度障碍法，实现无人船的局部动态避障；S2、基于逆速度障碍法，引入冲突检测函数f(*)，实时检测无人船与障碍物是否存在碰撞危险；S3、基于海事避障规则，增加关于船舶在危险预警区域时的避障策略，明确船舶在脱离海事规则后的决策。2.根据权利要求1所述的结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：S11、假设无人船是静止的，建立以无人船为中心的框架；S12、将障碍物质点化处理，用A来表示，对无人船进行膨化处理，将无人船膨化成半径为R的圆盘，用B来表示，其中，R为障碍物半径和无人船的半径之和；S13、从A点发出两条射线与圆盘B相切，形成速度碰撞锥；S14、在无人船行驶过程中，若无人船的常规避障区域内出现障碍物时，假设在瞬时时刻t，障碍物的速度为V
A
，此时无人船静止，即V
B
＝0，则无人船与障碍物的相对速度V
AB
＝V
A
‑
V
B
＝V
A
；S15、若V
AB
位于速度碰撞锥内，则认为无人船会与障碍物发生碰撞，人为给无人船一个速度控制u，令V
AB
＝V
A
+u，使得相对速度脱离速度碰撞锥外，无人船实现避碰。3.根据权利要求1所述的结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：S21、利用方向引导函数f(/)，使无人船一直朝着目标点的方向以最优速度前进；S22、在行驶过程中，利用冲突检测函数f(*)检查无人船是否会与障碍物发生碰撞，当f(*)≤0时，则表示无人船会与障碍物发生碰撞；S23、当检测到无人船与障碍物有碰撞危险时，利用冲突解除函数f(
·
)，引导无人船与障碍物的相对速度脱离速度碰撞锥外，使无人船与障碍物避免碰撞。4.根据权利要求3所述的结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，其特征在于，所述步骤S21中的方向引导函数f(/)，具体为：上式中，f(/)表示方向引导函数，V
desired
表示无人船驶向目标点的最优速度，V
r
表示无人船的当前速度，λ表示调节无人船速度变换的平滑因子，λ||u||2表示为了控制无人船速度变换的平滑性，使速度变换更加平滑；其中：上式中，g
r
表示在所述框架下以无人船为中心的障碍物的相对位置；|g
r
|表示相对位置的模长，表示速度的朝向，其结果为+1或
‑
1，+1表示无人船的最优速度应指向y轴正方
向，
‑
1表示无人船的最优速度应指向y轴负方向；v
max
表示无人船的最大速度，用标量表示；上式中，u表示在所述框架下人为输入到无人船的瞬时速度；r表示在t时刻，从代理的框架中看到的障碍物的位置，代理位于所述框架中的原点并在瞬时时刻处于静止状态，和分别表示所述框架下的障碍物相对于无人船在x轴和y轴的位置；v表示以无人船为坐标原点的障碍物的相对速度，和分别表示所述框架下的障碍物相对于无人船在x轴和y轴的速度。5.根据权利要求3所述的结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，其特征在于，所述步骤S22中的冲突检测函数f(*)，具体为：上式中，f(*)表示检测无人船是否会有障碍物发生碰撞的函数，r表示在t时刻，无人船与障碍物的距离；R表示将无人船进行膨化处理后，形成的圆的半径，V
r
表示无人船与障碍物的相对速度在AB轴上面的投影，V
θ
表示无人船与障碍物的相对速度在r
⊥
轴上面的投影；其中：上式中，表示无人船与障碍物的相对速度，用矢量表示，表示AB轴上的单位向量，为r
⊥
轴上的单位向量；将无人船的与障碍物的相对速度投影到AB轴和r
⊥
轴上，分别生成各自的相对速度分量。6.根据权利要求3所述的结合COLRGES的逆速度障碍法动态避障方法，其特征在于，所述步骤S23中的冲突解除函数f(
·
)，具体为：上式中，f(
·
)表示帮助无人船避免与障碍物发生碰撞的冲突解除函数，当f(
·
)≤0时，表明无人船与障碍物的相对速度脱离速度碰撞锥外，无人船解除与障碍物的碰撞危险，r表示在t时刻，从代理的框架中看到的障碍物的位置，r
T
为r的转置，||r||表示无人船与障碍物的距离，v表示在以无人船为中心的框架下的障碍物的相对速度，||v||表示无人船与障碍物的相对速度大小，...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵红，高阳，樊宇，白瑾珺，张金泽，程欢，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：