一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法技术

本发明专利技术涉及一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法，本发明专利技术方法从安全角度建立避碰决策模块且遵循海事避碰规则，采用软处理的方式分析建立无人艇搭载雷达探测到的障碍物位置、速度等信息的误差模型，给出各信息误差的可能区间，从而在进行碰撞判断后采用修正后的障碍物位置、速度信息来计算，最终考虑探测误差的碰撞判断结果，从而排出了由于探测误差带来的不确定性安全隐患。本发明专利技术将误差模型带入避碰算法中判断是否产生碰撞，通过降维处理及夹角范围判断无人艇的避碰是否满足海事避碰规则。本发明专利技术建立的自主避碰方法符合国际海事避碰规则，提高了无人艇自主避碰过程中的航行安全性。

An error correction and safe collision avoidance method for obstacle detection of unmanned surface craft

【技术实现步骤摘要】
一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法
本专利技术涉及无人水面艇避碰领域，尤其涉及一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法。
技术介绍
无人水面艇，简称无人艇，是一种轻型智能水面运载工具，具有体积小、造价低、速度快、机动性强等特点。随着控制技术、感知技术、无线通信技术的进步，无人艇获得了很大的发展。通过搭载不同的设备，无人艇可以应用在不同的领域，例如，当搭载单波束、多波束、浅底层剖面仪等声呐设备时，可以用于海底测绘、探雷反潜等；当搭载水质采样或检测设备时，可以用于环境检测；当搭载武器时，可以用于区域巡逻、海岸保护、护航、作战等任务。无人艇在航行过程中可能遇到岛屿、暗礁、灯塔、浮标和航行的船只等障碍物，要保证无人艇能够在海洋中正常安全航行，无人艇必须能够自主避开这些障碍物，同时还要考虑无人艇自身的结构特征以及运动规律，所采取的避碰策略要遵循《国际海上避碰规则》；此外，由于海上复杂环境影响以及感知能力的限制，无人艇利用自身搭载的传感器感知得到的水面目标的信息往往不是十分准确，存在一定的误差，给无人艇安全避碰及航行带来意想不到的危险和困难。如何在现有技术手段下实现无人艇水面安全的自主航行是当前急需解决的问题，无人艇水面安全自主避碰技术是无人艇研究中的核心关键技术。
技术实现思路
本申请人针对上述现有问题，进行了研究改进，提供一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法，其不仅能从安全角度建立避碰决策模块，且可遵循海事避碰规则，有效解决了无人艇水面安全的自主航行。本专利技术所采用的技术方案如下：一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：船载雷达探测得到障碍物的信息；第二步：对第一步探测得到的信息进行误差分析；第三步：得到第二步误差分析并进行修正处理后的障碍物信息；第四步：判断是否产生碰撞，若判断产生碰撞跳转至第五步，若判断未产生碰撞则跳转至第六步；第五步：计算出无人艇的避碰速度并判断是否符合避碰规则；若符合避碰规则跳转至第七步，若不符合避碰规则跳转至第八步；第六步：按原速度航行；第七步：按避碰速度航行，躲避障碍物；第八步：重新计算避碰速度并进入第五步直至符合避碰规则。其进一步技术方案在于：在第一步中障碍物的信息包括障碍物在无人艇坐标系中的横向坐标y、纵向坐标x、障碍物的长度L与宽度W、障碍物在无人艇坐标系中的横向运动速度Vy与纵向运动速度Vx；所述误差分析包括以下步骤：A：根据障碍物的信息计算并得到障碍物可能位置区域，根据障碍物可能位置区域作出障碍物可能位置圆；B：根据障碍物的信息计算并得到障碍物可能尺度区域，根据障碍物可能尺度区域作出障碍物可能尺度圆；C：根据障碍物可能位置圆和障碍物可能尺度圆作出障碍物一级膨胀圆、障碍物二级膨胀圆、障碍物三级膨胀圆；D：根据障碍物的信息计算并得到障碍物可能速度区域，根据障碍物可能速度区域作出障碍物可能速度圆；所述修正处理后的障碍物信息包括表征障碍物位置与尺度的障碍物可能位置圆、表征障碍物速度的障碍物可能速度圆；所述碰撞判断的具体步骤如下：E：计算出速度空间内无人艇的碰撞域；F：计算出障碍物速度误差下的无人艇的碰撞域，若障碍物的速度在障碍物速度误差下的无人艇的碰撞域之外则不产生碰撞，若碍物的速度在障碍物速度误差下的无人艇的碰撞域之内则产生碰撞；所述避碰规则为在速度空间内判断无人艇的避碰速度在无人艇的碰撞域所划分区域的位置。本专利技术的有益效果如下：本专利技术方法从安全角度建立避碰决策模块且遵循海事避碰规则，其采用软处理的方式分析建立无人艇搭载雷达探测到的障碍物位置、速度等信息的误差模型，给出各信息误差的可能区间，从而在进行碰撞判断后采用修正后的障碍物位置、速度信息来计算，最终考虑探测误差的碰撞判断结果，从而排出了由于探测误差带来的不确定性安全隐患。本专利技术将误差模型带入避碰算法中判断是否产生碰撞，通过降维处理及夹角范围判断无人艇的避碰是否满足海事避碰规则。本专利技术建立的自主避碰方法符合国际海事避碰规则，提高了无人艇自主避碰过程中的航行安全性。附图说明图1为为本专利技术的运行流程图。图2为雷达坐标系中障碍物尺寸与位置误差修正示意图。图3为本专利技术中障碍物可能位置圆的示意图。图4为本专利技术中障碍物可能尺度圆的示意图。图5为雷达坐标系中障碍物可能速度区域示意图。图6为大地坐标系中无人艇碰撞域示意图。图7为海事避碰规则中四种两船相遇情况的示意图。图8为无人艇避碰速度按区域划分的示意图。图9为合速度按区域划分的示意图。具体实施方式下面说明本专利技术的具体实施方式。一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法包括以下步骤：第一步：船载雷达探测得到障碍物的信息；障碍物的信息包括障碍物在无人艇坐标系中的横向坐标y、纵向坐标x、障碍物的长度L与宽度W、障碍物在无人艇坐标系中的横向运动速度Vy与纵向运动速度Vx。第二步：对第一步探测得到的信息进行误差分析，该误差分析的具体步骤如下(如图2所示)：A：根据障碍物在无人艇坐标系中的横向坐标y、障碍物在无人艇坐标系中的纵向坐标x并由雷达根据标准差公式(该公式为已有公知的公式)计算出横向坐标最大误差ye,纵向坐标最大误差xe；如图3所示，以无人艇雷达中心点、障碍物在无人艇坐标系中纵向坐标x、障碍物在无人艇坐标系中横向坐标y，以及横向坐标最大误差ye、纵向坐标最大误差xe四个坐标点绘制出矩形的障碍物可能位置区域，以该矩形的对角线为直径作圆并得到障碍物可能位置圆，B：如图4所示，根据障碍物的长度L与宽度W并根据雷达最小探测目标尺度L0绘制出矩形的障碍物可能尺度区域，以该矩形的对角线为直径作圆得到障碍物可能尺度圆。C：将障碍物可能位置圆与障碍物可能尺度圆结合后得到障碍物一级膨胀圆加上无人艇等效为质点后附加在障碍物上的增长边界(这个边界可否解释下)，得到障碍物的二级膨胀圆(即二级膨胀圆的半径等于一级膨胀圆半径加上无人艇的半径；考虑到无人艇海上流环境条件下的欠驱动运动特性，无人艇与障碍物之间需要保留一定的非接触距离，(该非接触距离依据工程经验、海况、船的运动特性得出)以此非接触距离为膨胀半径，因此得到障碍物的三级膨胀圆。以障碍物的三级膨胀圆作为误差修正后的障碍物，用于后续避碰计算。D：如图5所示，障碍物在无人艇坐标系中的横向运动速度Vy与纵向运动速度Vx并根据雷达计算出横向运动速度最大误差Vye，纵向运动速度最大误差Vxe，在速度空间中，障碍物的纵向速度与横向速度分别表示为Vx+Vxe，Vy+Vye，以障碍物的纵向速度与横向速度Vx+Vxe，Vy+Vye为矩形相邻的两边作出障碍物可能速度区域，该矩形的对角线为直径作圆得到在无人艇雷达坐标系中的障碍物可能速度圆。第三步：得到第二步误差分析并进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法，其特征在于：包括以下步骤：/n第一步：船载雷达探测得到障碍物的信息；/n第二步：对第一步探测得到的信息进行误差分析；/n第三步：得到第二步误差分析并进行修正处理后的障碍物信息；/n第四步：判断是否产生碰撞，若判断产生碰撞跳转至第五步，若判断未产生碰撞则跳转至第六步；/n第五步：计算出无人艇的避碰速度并判断是否符合避碰规则；若符合避碰规则跳转至第七步，若不符合避碰规则跳转至第八步；/n第六步：按原速度航行；/n第七步：按避碰速度航行，躲避障碍物；/n第八步：重新计算避碰速度并进入第五步直至符合避碰规则。/n

【技术特征摘要】
1.一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：船载雷达探测得到障碍物的信息；
第二步：对第一步探测得到的信息进行误差分析；
第三步：得到第二步误差分析并进行修正处理后的障碍物信息；
第四步：判断是否产生碰撞，若判断产生碰撞跳转至第五步，若判断未产生碰撞则跳转至第六步；
第五步：计算出无人艇的避碰速度并判断是否符合避碰规则；若符合避碰规则跳转至第七步，若不符合避碰规则跳转至第八步；
第六步：按原速度航行；
第七步：按避碰速度航行，躲避障碍物；
第八步：重新计算避碰速度并进入第五步直至符合避碰规则。


2.如权利要求1所述的一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法，其特征在于：在第一步中障碍物的信息包括障碍物在无人艇坐标系中的横向坐标y、纵向坐标x、障碍物的长度L与宽度W、障碍物在无人艇坐标系中的横向运动速度Vy与纵向运动速度Vx。


3.如权利要求1所述的一种无人水面艇障碍物探测误差修正及安全避碰方法，其特征在于：所述误差分析包括以下步骤：
A：根据障碍物的信息计算并得到障碍物可能位置区域，根据障碍物可能位置区域作出障碍物...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，白亚强，张安通，查建波，周则兴，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心中国船舶重工集团公司第七零二研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32