一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰决策方法技术

本发明专利技术公开了一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法。该避碰策略方法中包含的内容有基于无人艇跟踪航路的航道边界设置，基于航道方向的障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分，动静障碍物的分析处理，避障航向和航速解算，无人艇距航道边界距离检测及航向调整等内容；并按照合理的处理流程将各部分内容进行组织，实现狭窄水道内的避碰解算。本发明专利技术解决了无人艇在狭窄水道内的避碰问题，实现无人艇在狭窄水道内安全航行。现无人艇在狭窄水道内安全航行。现无人艇在狭窄水道内安全航行。

【技术实现步骤摘要】
一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰决策方法


[0001]本专利技术涉及水面无人艇运动控制
，具体为一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰决策方法。

技术介绍

[0002]水面无人艇因其具有体积小，速度快，较好的隐身性，较高的智能化等特点被世界各国广泛应用，随着其应用价值的不断提高，水面无人艇日益成为国内外研究的焦点，避碰技术作为水面无人艇的核心技术之一，是实现无人艇安全航行正常执行任务的重要前提。在无人艇局部避碰的研究领域，相关局部反应避障方法有速度障碍法，虚拟力场和Voronoi图等。通过局部航路规划避障的方法有RRT和A*路径规划方法，以及动态窗口法和利用PSO进行局部最优航路的优化计算。
[0003]目前在无人艇避碰的有关研究中，主要针对无人艇在开阔的水域环境下的避碰问题，例如公开号为CN111158361A、名称为基于船舶领域模型的水面无人艇避碰方法的中国专利，很少有专门针对无人艇在狭窄航道内安全航行的相关研究，仅有部分关于有人船舶在内河航道内的安全航行研究，例如公开号为CN109491386A、名称为基于路径规划跟踪控制的狭水道船舶避碰方法的中国专利，适用于有人船舶。而狭窄水道内的避碰策略对提高无人艇的任务能力，保证无人艇在港口和狭窄水道等受限制水域内安全航行具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]针对现有无人艇避障研究的不足，本专利技术提供一种无人艇在狭窄水道内安全航行的避碰策略方法，旨在解决无人艇在狭窄水道内航行时对静态和动态碍航物进行合理规避，同时和岸壁之间保持安全的距离。
[0005]实现本专利技术目的的技术解决方案为：
[0006]一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，包括步骤：
[0007]基于无人艇跟踪航路进行航道边界设置；
[0008]基于航道方向进行障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分；
[0009]分析处理动静障碍物确定障碍冲突范围和可航行范围；
[0010]避障航向和航速解算；
[0011]无人艇距航道边界距离检测及航向调整以及避碰策略；
[0012]获得避障航向和航速或停船指令或回归指令。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术基于无人艇跟踪航路的航道边界设置，基于航道方向的障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分，动静障碍物的分析处理，避障航向和航速解算，无人艇距航道边界距离检测及航向调整等进行避碰，实现狭窄水道内的避碰解算。本专利技术解决了无人艇在狭窄水道内的避碰问题，能够实现无人艇在狭窄水道内对碍航物进行避让同时与边界保持安全的距离，实现无人艇在狭窄水道内安全航行。
附图说明
[0014]图1为无人艇在狭水道内的航道边界设置示意图。
[0015]图2为无人艇会遇局面和安全领域划分示意图。
[0016]图3为障碍冲突范围和可航行范围计算示意图。
[0017]图4为无人艇狭窄水道避碰策略流程图。
[0018]图5为无人艇狭窄水道避障仿真图，其中图5(a)为开始避障仿真图，图5(b)为完成避障仿真图，图5(c)为回归航路仿真图。
具体实施方式
[0019]以下进一步描述本专利技术的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本专利技术，而不构成对其权利的限制。
[0020]本专利技术所设计的狭窄水道避障方法，对狭窄水道的边界是根据航线来设定的，该边界是相对边界不是绝对边界。这增加了该算法使用的灵活性，能够应用在非常多的场景下。所述的狭窄水道是相对与艇体大小来定义的，本专利技术中所述的狭窄水道指一般只能容纳两艘左右的无人艇并行通过的航道。
[0021]本专利技术提供的一种无人艇在狭窄水道内安全航行的避碰策略方法，基于航路的航道边界设置，基于航道方向的船舶安全领域构建，动静障碍物的避障解算，避障航向和航速解算，航道边界距离的检测，然后基于上述内容通过合理的处理流程进行组织，以获得较好的避障效果。
[0022]关于无人艇狭窄水道避障决策中采用最近会遇点评估无人艇和障碍之间的碰撞风险：
[0023]本专利技术中无人艇的位置坐标用速度矢量障碍物的位置速度矢量则最近会遇距离d
CPA
，和最短会遇时间t
CPA
，的计算公式如下：
[0024][0025][0026]关于无人艇狭窄水道内的避碰策略流程所提及的障碍会遇局面判断和船舶安全领域划分方法：
[0027]1)位置区域划分和安全领域的设置
[0028]为适应狭窄航道的特点，会遇局面的划分方式和开阔水域的略有差异，会遇局面的划分示意图和船舶安全领域图，如图2；
[0029]设船舶的探测半径为R，船舶安全领域的宽度为W,长度为L,正横领域的宽度也设为W。将船舶探测范围划分成9个位置区域，用来描述障碍同本艇的位置关系，为后续处理奠定基础。分别为正前方、左前方、右前方、正横左方、正横右方、正后方、左后方、右后方、危险区。
[0030]其中正前方位置区域加上危险区域设为无人艇的安全领域。船舶的安全领域设置成沿航道方向的长条矩形，宽度设置较小是为了减少两侧航行船舶对无人艇的影响。其中位置区域划分中，正横左和正横右区域主要起到从前到后的一个过渡作用。因为障碍物的
位置测量值存在一定程度的振荡，若仅采用横向y轴来区分前后，当障碍在y轴附近区域时，容易出现位置区域判定的前后振荡，若对前后位置区域的障碍处理存在差异，必然会引起避障决策的振荡。
[0031]2)会遇局面判定
[0032]在会遇局面判断中对静态障物只需要判断其所在的位置区域即可，对处于船舶安全领域(即正前方位置区域)的动态障碍还需进一步根据其航向判断交叉类型。动态障碍的交叉类型包括对遇、追越、左交叉、右交叉。
[0033]2.1)正前方位置区域内动态障碍会遇局面判断
[0034]以航道方向为0
°
基准，根据动态障碍的相对航向判断会遇类型如下：
[0035]对遇局面：
[0036]左交叉局面：
[0037]右交叉局面：
[0038]追越局面：
[0039]2.2)右前方位置区域内动态障碍会遇局面判断
[0040]在狭窄水道内主要的会遇局面是对遇和追越，但不排除有他船从右前或左前横向航行从本船前方通过的可能，基于靠右航行的原则，因此需要关注右前位置区域的动态障碍。对位于右前方的障碍也需要考虑其会遇局面，主要考虑右交叉会遇局面。
[0041]右交叉局面的判定条件如下：
[0042][0043]b)d
CPA
＜R
O
+R
USV
&&0＜t
CPA
＜t
CPA_min
[0044][0045]满足上述三个条件时，即构成右交叉局面，其中，d
CPA
为最近会遇距离，t
CPA
为最短会遇时间，t
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，包括步骤：基于无人艇跟踪航路进行航道边界设置；基于航道方向进行障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分；分析处理动静障碍物确定障碍冲突范围和可航行范围；避障航向和航速解算；无人艇距航道边界距离检测及航向调整以及避碰策略；获得避障航向和航速或停船指令或回归指令。2.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述基于无人艇跟踪航路进行航道边界设置具体为：根据无人艇当前跟踪航路段设定航道的左右边界和长度，可将左右边界到航线的距离设为不同的值，航道的长度大于当前跟踪航路长度，将目标航点周围的障碍包含。3.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述的基于航道方向进行障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分具体包括：将船舶探测范围划分成9个位置区域，用来描述障碍同本艇的位置关系，分别为正前方、左前方、右前方、正横左方、正横右方、正后方、左后方、右后方和危险区，其中正前方位置区域和危险区域设为无人艇的安全领域。4.根据权利要求3所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述正前方区域的会遇局面包括对遇局面、左交叉局面、右交叉局面和追越局面，以航道方向为0
°
基准，根据动态障碍的相对航向判断会遇类型如下：对遇局面：左交叉局面：右交叉局面：追越局面：5.根据权利要求3所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述右前方区域的会遇局面为动态目标右交叉局面，其满足以下三个条件：1)2)d
CPA
<R
O
+R
USV
&&0<t
CPA
<t
CPA_min
3)其中，d
CPA
为最近会遇距离，t
CPA
为最短会遇时间，t
CPA_min
为最短会遇时间的最小值，为障碍物位置，为无人艇的位置，R
USV
为无人艇的长度，R
O
为障碍物半径，R
safe
为安全距离。6.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述分析处理动静障碍物确定障碍冲突范围和可航行范围具体包括：
①
计算艇到障碍的两条切线；
②
将障碍速度平移到无人艇中心处并取反；
③
以无人艇期望航速为半径，以取反的障碍速度为圆心做圆；
④
该圆若同切线产生交点...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴昌楠，梁立，李锋，严科伟，雷勇，时伟，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一六研究所，
类型：发明
国别省市：