一种基于动态导航船域和避碰规则的障碍物避碰方法技术

本发明专利技术涉及一种基于动态导航船域和国际海上避碰规则的障碍物避碰方法，其包括：根据无人船传感器和船舶自动识别系统，获取无人船和干扰船的基本信息，确定无人船和干扰船相对速度和相对方位角β，并基于避碰规则确定船舶间会遇局面；根据会遇船舶尺度、操纵性和相对速度、相对方位角，分别以无人船和干扰船为中心建立动态导航船域；判断无人船和干扰船的船域是否相交，若相交，则具有碰撞风险，则进行避碰操作，根据避碰规则，确定遭遇单干扰船和多干扰船时避碰操作方式，确定局部避碰路点，规划避碰路径并判断何时结束避碰。本发明专利技术使无人船能够沿预先规划的路径航行的同时规避障碍物，为船舶安全航行提供基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态导航船域和避碰规则的障碍物避碰方法
本专利技术涉及无人船自主动态避碰方法，尤其涉及一种基于动态导航船域和避碰规则的障碍物避碰方法。
技术介绍
无人船可在许多科学、民用和军事领域中进行各种应用，具有能耗低、劳动力成本低的优点，许多国家都在大力发展无人船。据研究，大约50％的海上事故是由人为错误引起的，另外30％的事故是由人类发现和预防的。使用智能防撞系统，无人船可以避免人为失误，减少损失。无人船路径规划分为全局路径规划和局部路径规划，其中局部路径规划根据传感器动态检测到的障碍物信息通过避碰算法确定局部避碰路径，是无人船避碰系统核心。当前无人船避碰通常基于船域或最小会遇距离(DCPA)判断碰撞风险，确定何时开始避碰。DCPA方法相当于利用圆形船域来判定碰撞风险，因其未能考虑船舶会遇状态，从而不能充分估计船舶碰撞危险及进行避碰决策。船域是船舶航行时在其四周必须保持的安全区域。在不同遭遇状态下利用船域对本船和干扰船进行安全判断有四种标准，包括：(a)自身船域不被侵犯；(b)不侵犯对方船域；(c)双方船域互不侵犯；(d)双方船域不相交。基于这些标准，利用船域可以判断碰撞风险并确定进行避碰操作的时间。然而，现有关于船域的研究较少回答如何进行局部避碰路径规划的问题。早期的统计船域通常基于船长确定而忽略了船速和遭遇方式等因素建立，为静态模型，没有考虑船舶在不同船速下航行时对碰撞危险的影响。此外，船舶操纵性能对船舶避碰时间有很大影响，操纵性能差的船舶应该保持更大的安全距离。由此提出了解析的动态船域，如四元船域，该船域为由四个半径定义的组合椭圆，半径的尺寸综合考虑了船舶操纵性、船速和航向等信息。但该船域由四个半径确定，直接用于避碰路径规划较为复杂。此外，传统避碰算法当无人船与目标船间距超过一固定距离时才结束避碰，这将导致避碰轨迹过长，增加运行成本。另外，为使船舶间能对避碰操作达成一致的理解，所有海上航行船舶都应遵守《国际海上避碰规则》(简称“避碰规则”)的规定，否则将由于不能理解对方的避碰行为而引起碰撞危险。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提出一种基于动态导航船域(Dynamicnavigationshipdomain,DNSD)和避碰规则的障碍物避碰方法。在船域的设计上充分考虑了无人船操纵特性、船舶尺度、会遇船舶间相对速度和相对方位角等因素影响以及船艏和船尾安全会遇距离的不同，形成了尺寸可变的动态导航船域，实时地反映船舶避碰存在的风险。此外，通过基于避碰规则的不同会遇局面确定避碰操作并判断何时结束避碰操作，为船间动态避碰提供决策依据，降低航行成本。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：101、通过无人船传感器和船舶自动识别系统，获取无人船和干扰船的基本信息，确定无人船和干扰船相对速度和相对方位角β，并基于避碰规则确定船舶间会遇局面；102、根据会遇船舶尺度、操纵性和相对速度、相对方位角，分别以无人船和干扰船为中心建立动态导航船域；103、判断无人船和干扰船的船域是否相交，若相交，则具有碰撞风险，进行避碰操作，根据避碰规则，确定遭遇单干扰船和多干扰船时避碰操作方式，确定局部避碰路点，规划避碰路径并判断何时结束避碰。作为本专利技术方法的一种改进，101包括：所述船舶传感器和自动识别系统获取的信息包括干扰船的船长、船速、航向、位置等，以及无人船自身船速、航向、位置、船长和无人船操纵性能指标：滞距、重心横向移动距离、重心纵向移动距离等。作为本专利技术方法的一种改进，101还包括：基于避碰规则确定船舶间的会遇局面包括追越局面、对遇局面和交叉局面。为了确定会遇局面，定义了无人船和干扰船之间的相对方位角β。对遇局面选择为以干扰船航向为中心的30度角，交叉局面为每侧97.5度角，其余范围视为追越情况。相对方位角β计算如下：其中是无人船确定的最危险干扰船的航向；(xTS,yTS)为无人船确定的最危险干扰船船位；(xOS,yOS)是无人船自身船位。作为本专利技术方法的一种改进，102包括：根据会遇船舶尺度、操纵性和相对速度、相对方位角，分别以干扰船和无人船为中心建立动态导航船域，动态导航船域由一个半椭圆和一个半圆组成，它们仅由两个半径(包括Rf和Rs)确定。该模型易于实现局部避障路径规划。为了便于动态导航船域的确定，在地球坐标系原点处的坐标系中建立了动态导航船域。和轴分别朝向与x和y轴相同的方向。动态导航船域可以表达如下：其中sgn(·)是符号函数，定义为:椭圆和圆半径的确定考虑了会遇船舶尺度、操纵性和相对速度、相对方位角和会遇局面。动态半径描述如下：式中，是无人船与干扰船的相对速度，其中vOS为无人船的速度；vTS为干扰船的速度；||·||2为二范数。C为常数；Re为无人船的滞距，当两船的距离小于滞距之和时，认为无法避让，大约为船长的1～2倍；B是船的宽度；DT为旋回初径是无人船转向180°时重心的横向距离，大约为船长的3～6倍；AD为近距又称纵距是无人船从转向开始旋转90°时重心的纵向前进距离，大约为DT的0.6～1.2倍；是动态安全域系数，其值取决于无人船与干扰船的相对方位角β，相对方位角在0°时，此时相对速度最大，AD对动态安全域的影响比较大，故此时的ki比较大，相对方位角在180°时，此时相对速度最小，DT对动态安全域的影响比较大，故此时ki的系数比较小。s为取值范围为0.8～1.2的常数，其值取决于会遇船舶主尺度，可以对ki的系数实现微调。作为本专利技术方法的一种改进，103包括：当无人船的动态导航船域和干扰船的动态导航船域相交时，且随时间变化距离逐渐缩短时认为两船存在碰撞风险，此时应当执行避碰操作，并根据会遇局面和避碰规则规划避碰点；反之，继续执行路径跟踪。为了判断船域是否相交，需要对无人船和干扰船的动态导航船域进行操作。首先，应围绕原点旋转坐标中定义的动态导航船域，使轴指向船舶的航向。然后，将船舶域转换为船体坐标系obxbybzb的原点。坐标旋转矩阵定义为：然后可以得到船域曲线：其中(xDNSD,yDNSD)是地球坐标系中动态导航船域的坐标。根据避碰规则，对于对遇和交叉局面，无人船应向右转向避碰；对于追越局面，无人船既可向右也可向左转向进行避碰。确定追越局面避碰操纵转向的方法为：通过无人船位置与干扰船位置的连线来划分避碰操作区域，如果下一全局目标点在连线的右边，无人船从右舷通过；否则，从左舷通过。作为本专利技术方法的一种改进，103还包括：根据干扰船的位置和DNSD计算避碰点的位置；无人船的避碰点的计算公式为：或其中，R＝r1×Rs(OS)+r2×Rs(TS),是一个调整航路点的参数，它由r1和r2调整，其范围在(0-1)之间。作为本专利技术方法的一种改进，103还包括：计算无人船何时结束避碰从而切换为路径跟踪模式。当无人船已经通过干扰本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态导航船域和避碰规则的障碍物避碰方法，其特征在于，其包括：/n101、通过无人船传感器和船舶自动识别系统，获取无人船和干扰船的基本信息，确定无人船和干扰船相对速度和相对方位角β，并基于避碰规则确定船舶间会遇局面，所述步骤101包括：/n船舶基本信息包括干扰船的船长、船速、航向、位置等，以及无人船自身船速、航向、位置、船长和无人船操纵性能指标如：滞距、重心横向移动距离、重心纵向移动距离等；根据避碰规则确定船舶间的会遇局面，包括追越局面、对遇局面和交叉局面；/n102、根据会遇船舶尺度、操纵性和相对速度、相对方位角，分别以无人船和干扰船为中心建立动态导航船域；若无人船附近有多个干扰船时，则利用最近会遇距离方法确定干扰船中最具有危险的干扰船，之后确定动态导航船域；若无人船中最具有危险的干扰船有多个，无人船会随机选择一个最具有危险的干扰船；/n103、判断无人船和干扰船的动态导航船域是否相交，若相交，则具有碰撞风险，进行避碰操作，根据避碰规则，确定遭遇单干扰船和多干扰船时避碰操作方式，确定局部避碰路点，规划避碰路径并判断何时结束避碰，所述步骤103包括：/n若无人船的动态导航船域和干扰船的动态导航船域相交时，且随时间变化距离逐渐缩短时认为两船存在碰撞风险，则认为两船存在碰撞风险，此时应当执行避碰操作，并根据会遇局面和避碰规则规划避碰点；反之，继续执行路径跟踪；根据避碰规则，对于对遇和交叉局面，无人船应向右转向避碰；对于追越局面，无人船既可向右也可向左转向进行避碰；/n确定追越局面避碰操纵转向的方法为：通过无人船位置与干扰船位置的连线来划分避碰操作区域，如果下一全局目标点在连线的右边，无人船从右舷通过；否则，从左舷通过；/n根据干扰船的位置和动态导航船域计算避碰点的位置，无人船的避碰点的计算公式为：/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于动态导航船域和避碰规则的障碍物避碰方法，其特征在于，其包括：
101、通过无人船传感器和船舶自动识别系统，获取无人船和干扰船的基本信息，确定无人船和干扰船相对速度和相对方位角β，并基于避碰规则确定船舶间会遇局面，所述步骤101包括：
船舶基本信息包括干扰船的船长、船速、航向、位置等，以及无人船自身船速、航向、位置、船长和无人船操纵性能指标如：滞距、重心横向移动距离、重心纵向移动距离等；根据避碰规则确定船舶间的会遇局面，包括追越局面、对遇局面和交叉局面；
102、根据会遇船舶尺度、操纵性和相对速度、相对方位角，分别以无人船和干扰船为中心建立动态导航船域；若无人船附近有多个干扰船时，则利用最近会遇距离方法确定干扰船中最具有危险的干扰船，之后确定动态导航船域；若无人船中最具有危险的干扰船有多个，无人船会随机选择一个最具有危险的干扰船；
103、判断无人船和干扰船的动态导航船域是否相交，若相交，则具有碰撞风险，进行避碰操作，根据避碰规则，确定遭遇单干扰船和多干扰船时避碰操作方式，确定局部避碰路点，规划避碰路径并判断何时结束避碰，所述步骤103包括：
若无人船的动态导航船域和干扰船的动态导航船域相交时，且随时间变化距离逐渐缩短时认为两船存在碰撞风险，则认为两船存在碰撞风险，此时应当执行避碰操作，并根据会遇局面和避碰规则规划避碰点；反之，继续执行路径跟踪；根据避碰规则，对于对遇和交叉局面，无人船应向右转向避碰；对于追越局面，无人船既可向右也可向左转向进行避碰；
确定追越局面避碰操纵转向的方法为：通过无人船位置与干扰船位置的连线来划分避碰操作区域，如果下一全局目标点在连线的右边，无人船从右舷通过；否则，从左舷通过；
根据干扰船的位置和动态导航船域计算避碰点的位置，无人船的避碰点的计算公式为：

或
其中，R＝r1×Rs(...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓芳，靳磊磊，李博洋，于敦敬，杨化林，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37