基于水面无人艇的避碰决策方法技术

本发明专利技术涉及一种基于水面无人艇的避碰决策方法，包括以下步骤：利用水面无人艇的感知系统实时探测并采集各目标；分析会遇态势，判断是否存在碰撞危险；对于存在碰撞危险的各目标分别计算可行的避碰措施；对同类避碰措施进行融合，求取各类避碰措施的最优解；建立避碰决策风险评估模型，计算各类避碰措施最优解的风险值；根据计算出的风险值选择最优避碰方案输出给执行系统并实时更新，直至完成避碰过程。本发明专利技术设计合理，能够实时对各种可行的避碰行动方案进行风险系数解算与对比，进而得到风险系数最小的避碰决策方案并提供给水面无人艇，从而实现无人艇快速安全的避障功能，保障无人艇的航行安全，而且方法简单、容易实现。

Collision Avoidance Decision Method Based on Surface Unmanned Vehicle

【技术实现步骤摘要】
基于水面无人艇的避碰决策方法
本专利技术属于航海导航
，尤其是一种基于水面无人艇的避碰决策方法。
技术介绍
由于水面无人艇具有体积小、速度快、自主性高、无人员伤亡、活动区域广等优点，因此，其可以在危险区域或者不适宜派遣有人舰船的区域独立自主执行任务，拓展了海上应用范围，具有良好的性价比，因而越来越多地受到很多国家的重视。在复杂多变的海洋环境中，水面无人艇安全航行、顺利完成各项任务的一个重要的前提就是水面无人艇能够实现自主避碰功能。作为水面无人艇研究的核心技术之一，水面无人艇自主避碰不仅从一定程度上反映了水面无人艇智能化水平的高低，也是水面无人艇实现自主安全可靠航行的关键技术之一。目前，无人艇自主避碰技术存在多种解决方案，如雷达标绘法、人工势场法、模糊控制等，但是如何实时地对得到的多种可行避碰措施进行定量评价，从而优选一个输出进行辅助决策却一直存在困扰。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种航行安全、方法简单且容易实现的基于水面无人艇的避碰决策方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于水面无人艇的避碰决策方法，包括以下步骤：步骤1：利用水面无人艇的感知系统实时探测并采集各目标；步骤2：分析会遇态势，判断是否存在碰撞危险；步骤3：对于存在碰撞危险的各目标分别计算可行的避碰措施；步骤4：对同类避碰措施进行融合，求取各类避碰措施的最优解；步骤5：建立避碰决策风险评估模型，计算各类避碰措施最优解的风险值；步骤6：根据计算出的风险值选择最优避碰方案输出给执行系统并实时更新，直至完成避碰过程。所述各目标包括静态障碍物和动态会遇船只。所述感知系统包括导航雷达、AIS、激光雷达、光电系统和视频系统。所述步骤1的实现方法为：水面无人艇的感知系统进行实时探测、目标识别、目标跟踪以及目标融合后获得各目标的方位、距离、航速和航向信息。所述步骤2的实现方法为：根据无人艇的旋回特性、操控精度以及环境参数，计算安全会遇距离SDA；根据无人艇航行状态、目标信息，计算最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA；比较最近会遇距离DCPA和安全会遇距离SDA的大小，如果DCPA＜SDA则存在避碰危险，进入步骤3；反之无避碰危险则返回步骤1。所述避碰措施包括如下四种类型：变向从目标左侧驶过、变向从目标右侧驶过、变速从目标左侧驶过和变速从目标右侧驶过。所述步骤4的实现方法为：对同一类型的避碰措施进行求交集运算，求取各类避碰措施的最优解。所述步骤5的实现方法为：对于静态障碍物，仅考虑变向方式进行避让，则避碰决策风险R为：R＝|ΔC|/90°对于动态会遇船只，结合避碰规则，分析会遇局面，如果会遇局面是对遇或是右舷小角度交叉局面，则避碰决策风险R为：R＝w1*ΔV/Vs-w2*ΔC/90°如果会遇局面为右舷大角度交叉局面，则避碰决策风险R为：R＝w1*ΔV/Vs+w2*ΔC/90°如果会遇局面是其余情况，则无人艇为直航船，根据避碰规则无须避让；上述公式中，ΔC为变向角度，ΔV为变速速度，Vs为无人艇当前航速，w1和w2为变速和变向风险的权值。本专利技术的优点和积极效果是：本专利技术设计合理，能够实时对各种可行的避碰行动方案进行风险系数解算与对比，进而得到风险系数最小的避碰决策方案，并提供给水面无人艇，从而实现无人艇快速安全的避障功能，保障无人艇的航行安全，而且方法简单、容易实现。本专利技术通过仿真结果表明，能够准确可靠地实现对动静态目标的自主避碰决策功能。附图说明图1是本专利技术的避碰决策流程图；图2是本专利技术的动态会遇态势分析图；图3是本专利技术的静态目标避碰决策仿真效果图；图4是本专利技术的动态目标避碰决策仿真效果图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述。一种基于水面无人艇的避碰决策方法，如图1所示，包括以下步骤：步骤1：利用无人艇感知系统实时探测并采集障碍物或会遇船只信息。无人艇感知系统包括导航雷达、激光雷达、光电系统、视频系统，进行实时探测、目标识别、目标跟踪以及目标融合后获得目标(该目标是指静态障碍物或动态会遇船只)的方位、距离、航速、航向等信息。在如图3所示的实施例1中，静态目标距本艇102m，方位11.3°；在如图4所示的实施例2中，动态目标距本艇201m，方位5.7°，航速6kn，航向190°。本艇初始以10kn航速向0°航行；目标航路点在正前方300m处。步骤2：分析会遇态势，判断是否存在碰撞危险。在本步骤中，根据无人艇的旋回特性、操控精度以及环境参数，计算安全会遇距离SDA；根据无人航行状态、目标信息，计算最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA；比较DCPA和SDA的大小，如DCPA＜SDA则存在避碰危险，进入步骤3；反之无避碰危险则返回步骤1。在本专利技术中，安全会遇距离SDA取50米，实施例1中静态目标的DCPA＝20，TCPA＝20，存在碰撞危险；实施例2中动态目标的DCPA＝6.9，TCPA＝25，存在碰撞危险。步骤3：对于存在碰撞危险的各目标(障碍物或动态会遇船只)分别计算可行的避碰措施。避碰措施分4种类型：变向从目标左侧驶过；变向从目标右侧驶过；变速从目标左侧驶过；变速从目标右侧驶过。本实施例1中对静态目标仅考虑变向措施，应该左转19°从目标左侧驶过和右转42°从个目标右侧驶过两个可行措施；实施例2中对动态目标，应该左转42°从目标左侧驶过、右转55°从个目标右侧驶过、减速至4.6kn从目标右侧驶过三个可行措施(无法通过变速从目标左侧驶过)。步骤4：对同类避碰措施进行融合，求取各类避碰措施的最优解。对同一类型的避碰措施进行求交集运算，求取各类避碰措施的最优解。在本专利技术中仅涉及单目标，步骤3的解即为各类避碰措施的最优解(如多目标避碰场景则需要进行交集处理求最优解)。步骤5：建立避碰决策风险评估模型，计算各类避碰措施最优解的风险值。在本步骤中，在对于静态障碍物，仅考虑变向方式进行避让，避碰决策风险R为：R＝|ΔC|/90°对于动态会遇船只，结合避碰规则，分析会遇局面(包括追越、对遇或交叉)，如为对遇或是右舷小角度交叉局面，则避碰决策风险R为：R＝w1*ΔV/Vs-w2*ΔC/90°对于动态会遇船只，如为右舷大角度交叉局面，则避碰决策风险R为R＝w1*ΔV/Vs+w2*ΔC/90°其余情况无人艇为直航船，根据避碰规则无避让责任。其中，ΔC为变向角度；ΔV为变速速度；Vs为无人艇当前航速；w1和w2为变速和变向风险的权值，可根据无人艇操控特性确定。按上述方法计算，本实施例1中避碰措施的风险值R分别为：左转19°风险值R1＝0.21；右转42°风险值R2＝0.47；本实施例2的会遇场景为对遇局面，如图2所示的A区域，这里为简化说明分别取w1＝w2＝1，并对避碰措施的风险值R进行归一化处理后得：左转42°R1＝0.73，右转55°R2＝0.19，减速至4.6knR3＝0.23。步骤6：根据计算的风险值优选最优避碰方案输出，实时更新，直至顺利完成避碰过程。本步骤根据步骤5计算的避碰风险值，选择风险值最低的避碰方案输出。在启动避碰行动时，本实施例1中输出最优避碰方案为左转19°；实施例2中输出最优避碰方案为右转55°。本专利技术根据实时获取的目标信息进行实时解算，以保证实时输出最优的避碰方案。需要强本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于水面无人艇的避碰决策方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：利用水面无人艇的感知系统实时探测并采集各目标；步骤2：分析会遇态势，判断是否存在碰撞危险；步骤3：对于存在碰撞危险的各目标分别计算可行的避碰措施；步骤4：对同类避碰措施进行融合，求取各类避碰措施的最优解；步骤5：建立避碰决策风险评估模型，计算各类避碰措施最优解的风险值；步骤6：根据计算出的风险值选择最优避碰方案输出给执行系统并实时更新，直至完成避碰过程。

【技术特征摘要】
1.一种基于水面无人艇的避碰决策方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：利用水面无人艇的感知系统实时探测并采集各目标；步骤2：分析会遇态势，判断是否存在碰撞危险；步骤3：对于存在碰撞危险的各目标分别计算可行的避碰措施；步骤4：对同类避碰措施进行融合，求取各类避碰措施的最优解；步骤5：建立避碰决策风险评估模型，计算各类避碰措施最优解的风险值；步骤6：根据计算出的风险值选择最优避碰方案输出给执行系统并实时更新，直至完成避碰过程。2.根据权利要求1所述的基于水面无人艇的避碰决策方法，其特征在于：所述各目标包括静态障碍物和动态会遇船只。3.根据权利要求1所述的基于水面无人艇的避碰决策方法，其特征在于：所述感知系统包括导航雷达、AIS、激光雷达、光电系统和视频系统。4.根据权利要求1或2或3所述的基于水面无人艇的避碰决策方法，其特征在于：所述步骤1的实现方法为：水面无人艇的感知系统进行实时探测、目标识别、目标跟踪以及目标融合后获得各目标的方位、距离、航速和航向信息。5.根据权利要求1或2或3所述的基于水面无人艇的避碰决策方法，其特征在于：所述步骤2的实现方法为：根据无人艇的旋回特性、操控精度以及环境参数，计算安全会遇距离SDA；根据无人艇航行状态、目标信息，计算最近会遇距离DC...

【专利技术属性】
技术研发人员：房媛媛，孟凡彬，林春霏，张永兵，苑如滨，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七零七研究所，
类型：发明
国别省市：天津,12