一种基于避碰准则的多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，具体涉及一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法。该方法包括：步骤1、制定合理的USV避碰规则；步骤2、多USV系统建模，计算运动参数和碰撞危险度；步骤3、构建USV避碰规划仿真软件平台，添加雷达探测模块和遗传算法，设计典型的仿真案例验证算法的有效性。本发明专利技术使多个USV从起点出发躲避环境中所有静态障碍物到达终点，在整个航行过程中USV之间不发生碰撞且在相遇时遵守避碰准则采取避碰策略，同时避免出现大角度转向、紧急加减速的情况。本发明专利技术致力找到严格遵守避碰准则的多USV避碰规划方法，并且解决航行过程的大角度转向、大范围加减速的不良航行问题。实现路径最短、符合经济性、平滑性、安全性的最优避碰。

【技术实现步骤摘要】
一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法
本专利技术属于USV控制
，具体涉及一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法。
技术介绍
随着无人水面艇USV技术的发展，单一USV的执行任务的能力、航行的鲁棒性、安全性等性能都有很大提升。然而USV经常被用来在严峻复杂的海洋环境中执行各种特殊的、不适合有人平台完成的军事活动、海事监管、海洋环境监测等任务，对于这样复杂、动态性高的任务，单一USV则难以胜任。针对这样的情况，多USV群体协同作业能最大限度地发挥整体优势，有效弥补单一USV难以完成的任务领域。另一方面，USV航行环境不仅包含海岛、礁石等静态障碍物，还受海浪、海流等海况和运动的船舶等动态障碍物的影响，在复杂动态的海洋环境里多USV能安全航行作业的重要前提就是实现避碰功能。目前，国际上并没有官方针对USV制定避碰规则，只是参考《国际海上避碰规则公约》提出各种避碰方法，国内外对考虑避碰准则的多USV避碰规划技术的研究较少，具有代表性如文献“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.”，提出的USV避碰方法计算分布静动态障碍物的航行环境的USV运动参数及碰撞可能性，将其和经济性、安全性作为适度函数因子建立迭代过程得出避碰路径。文献“茅云生、宋利飞、向祖权等.水面无人艇多船障碍智能避碰[J].大连海事大学学报,2015,41(4):8-13.”提出基于避碰紧迫度、安全性预测以及调整范围的模糊规划方法，建立障碍船的偏心膨胀运动模型对追越、対遇情况进行避碰规划。文献“尚明栋、朱志宇、周涛等.水面无人艇动态避碰策略研究[J].舰船科学技术,2017,39(9):69-73.”提出基于USV操纵运动模型的避碰方法，根据海事规则将会遇分为対遇、交叉和追越三种，在MMG模型基础上对航速和航向进行规划实现避碰。现有技术的缺陷：现有的考虑避碰准则的多USV避碰方法对动态目标会遇局势划分简单粗略，不足以详细描述各种会遇情况，并且针对各种会遇局势没有给出明确可行的避碰策略，文献“茅云生、宋利飞、向祖权等.水面无人艇多船障碍智能避碰[J].大连海事大学学报,2015,41(4):8-13.”和文献“尚明栋、朱志宇、周涛等.水面无人艇动态避碰策略研究[J].舰船科学技术,2017,39(9):69-73.”只将会遇分为対遇、追越、交叉三种，每种会遇局势包含角度过大使得制定的避碰策略不能保证该会遇的角度范围内所有角度相遇都能实现最优避碰。文献“茅云生、宋利飞、向祖权等.水面无人艇多船障碍智能避碰[J].大连海事大学学报,2015,41(4):8-13.”将会遇划分很详细，然而制定的各种避碰措施未考虑实际航行的操作性，设计的仿真案例非常简单，并不足以验证划分的会遇局势与制定的避碰策略的可行性与合理性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法。一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法，该方法包括以下步骤：步骤1：根据《国际海上避碰规则》制定USV避碰规则，进而划分多USV会遇局势并针对各种会遇局势设计避碰策略；步骤2：多USV系统建模，计算运动参数和碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取避碰策略的种类和时间；步骤3：构建USV避碰规划仿真软件平台，添加雷达探测模块和遗传算法。步骤1所述的根据《国际海上避碰规则》制定USV避碰规则，主要参考《国际海上避碰规则》第7、第8、第13-15规则，并做出相应修改，规则如下：规则7：每个USV都应该根据所处海洋环境判断是否存在碰撞危险来决定是否采取避碰措施。如果不确定是否存在碰撞危险，则认定存在碰撞危险来采取相应避碰措施；规则8：每个USV根据具体情况尽可能早地采取积极的避碰措施；规则13：任何USV追越其他USV时均应该给被追越USV让路；规则14：当两个USV构成相反或者近似相反的航向上的対遇局势时，形成的対遇碰撞危险应采取各自向右转向从对方左船舷通过的避碰措施；规则15：当两个USV构成一定角度的交叉相遇局面时，形成的交叉相遇碰撞危险应采取本USV右船舷侧的其他USV让路的避碰措施，如果条件允许应避免横穿它船前方。步骤2所述的多USV系统建模过程为：船体随动坐标系o-xy取USV重心为原点o，取船体上与o在同一水平面指向船艏的方向为o-x轴正方向，取船体上与o和o-x轴在同一水平面指向右舷的方向为o-y轴正方向；雷达随动坐标系o0-x0y0取雷达重心为原点o0，取雷达上与o0在同一水平面指向船艏的方向为o0-x0轴正方向，取雷达上与o0和o0-x0轴在同一水平面指向右舷的方向为o0-y0轴正方向；设为大地惯性坐标系坐标、是船体随动坐标系坐标、是船体随动坐标系坐标、为雷达重心安装偏差，则坐标系间相互转换关系为：式中，设(Vx,Vy)为USV在大地惯性坐标系中O-X轴、O-Y轴速度分量、x(t)和y(t)为t时刻O-X和O-Y轴方向的位移量、x(t0)和y(t0)为初始t0时刻位置，(vx,vy)为USV在船体随动坐标系o-x轴、o-y轴的速度分量，则有：如果假设USV的初始位置x(t0)＝0和y(t0)＝0、α为艏向角加速度，则有：合并得USV运动模型：当两USV相遇时，取本USV雷达探测到障碍物后的2个连续时刻的探测到的障碍物信息，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可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障碍物扫描点的横坐标；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；综合考虑USV航行情况；当障碍物为动态USV时，可以根据两次障碍物中心估算位置的变化和2个时刻的时间间隔估算出动态目标的运动速度和航向：其中，Δt为两个连续时刻的时间间隔，且角度βn表示为：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可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：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；以船舶避碰系统中碰撞危险度计算方法为参考，综合DCPA和TCPA加权方法、人工神经网络法和模糊集方法，结合USV的实际航行情况与航行环境，制定适应于USV避碰规划的碰撞危险度计算方法，并且将其分类为空间和时间两方面碰撞危险度；影响空间碰撞危险度大小的因素主要包括USV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US本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于避碰准则的多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：根据《国际海上避碰规则》制定USV避碰规则，进而划分多USV会遇局势并针对各种会遇局势设计避碰策略；步骤2：多USV系统建模，计算运动参数和碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取避碰策略的种类和时间；步骤3：在多USV系统模型中，添加雷达探测模块和遗传方法。

【技术特征摘要】
1.一种基于避碰准则的多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：根据《国际海上避碰规则》制定USV避碰规则，进而划分多USV会遇局势并针对各种会遇局势设计避碰策略；步骤2：多USV系统建模，计算运动参数和碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取避碰策略的种类和时间；步骤3：在多USV系统模型中，添加雷达探测模块和遗传方法。2.根据权利要求1所述的一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法，其特征在于：步骤1所述的根据《国际海上避碰规则》制定USV避碰规则，主要参考《国际海上避碰规则》第7、第8、第13-15规则，并做出相应修改。3.根据权利要求2所述的一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法，其特征在于，步骤2所述的多USV系统建模过程为：船体随动坐标系o-xy取USV重心为原点o，取船体上与o在同一水平面指向船艏的方向为o-x轴正方向，取船体上与o和o-x轴在同一水平面指向右舷的方向为o-y轴正方向；雷达随动坐标系o0-x0y0取雷达重心为原点o0，取雷达上与o0在同一水平面指向船艏的方向为o0-x0轴正方向，取雷达上与o0和o0-x0轴在同一水平面指向右舷的方向为o0-y0轴正方向；设为大地惯性坐标系坐标、是船体随动坐标系坐标、是船体随动坐标系初始坐标、为雷达重心安装偏差，则坐标系间相互转换关系为：式中，设(Vx,Vy)为USV在大地惯性坐标系中O-X轴、O-Y轴速度分量、x(t)和y(t)为t时刻O-X和O-Y轴方向的位移量、x(t0)和y(t0)为初始t0时刻位置，(vx,vy)为USV在船体随动坐标系o-x轴、o-y轴的速度分量，则有：若USV的初始位置x(t0)＝0和y(t0)＝0、α为艏向角加速度，则有：合并得USV运动模型：当两USV相遇时，取本USV雷达探测到障碍物后的2个连续时刻的探测到的障碍物信息，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；综合考虑USV航行情况；当障碍物为动态USV时，根据两次障碍物中心估算位置的变化和2个时刻的时间间隔估算出动态目标的运动速度和航向：其中，Δt为两个连续时刻的时间间隔，且角度βn表示为：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宏健，付忠健，袁建亚，于丹，胡文月，
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