一种内河无人船自主避碰方法技术

本发明专利技术公开一种内河无人船自主避碰方法，包括如下步骤：S1、初始化环境和动态窗口信息；S2、判断动、静态障碍物与USV是否存在碰撞危险并对USV和对方船只的会遇局面进行划分，最后判断USV是否为让路船；S3、开始迭代i＝1并判断是否采取避让行动，随后创建避碰时机模型和避让幅度模型和复航时机模型，并简化速度搜索窗口，选择下一时间段最佳速度矢量并进行位置更新；S4、判断USV是否已到达目的地。本发明专利技术简化速度窗口，提高了算法效率，重新设计了动态窗口法的评价函数，确保USV在相遇时能够做出符合中华人民共和国内河避碰规则的避碰动作。合中华人民共和国内河避碰规则的避碰动作。合中华人民共和国内河避碰规则的避碰动作。

【技术实现步骤摘要】
一种内河无人船自主避碰方法


[0001]本专利技术涉及内河无人船智能航行
，具体涉及一种无人船自主动态避碰方法。

技术介绍

[0002]无人水面船(USV)是一种智能化、无人操作的水面舰船，USV借助自身搭载的传感器感知环境信息、建立作业环境模型即可在复杂、恶劣的水域按照预设任务进行作业。近年来，随着军用和民用方面的需求加深，进一步推动了USV在货物运输、水文监测、航道测量、军事巡逻领域的应用。在复杂的水面环境中，USV的航行受到多种障碍物的威胁，因此，自主避碰技术是USV的核心技术之一。
[0003]USV自主避碰是利用船舶周围的局部环境信息，结合传感器的信息进行态势感知，主动避开动态障碍物，生成可行、安全的路径，是USV的研究重点。针对USV自主避碰，国内外常用的算法有模型预测控制算法、人工势场算法、速度障碍法、深度学习算法以及各类改进变种算法等。但是，常见的这些算法都存在一些不足。例如在面临拥挤水域(如内河流域)的情况下会面临失效的风险，有些算法是为了适应某些特定的理想区域而设计的，不具有普适性。相比于以上的算法，动态窗口法作为一种局部路径规划算法，其工作流程比较简单，常用于USV实时动态避碰。动态窗口法是在每一次迭代中，算法可以计算出下一次迭代的所有可行速度组。
[0004]专利CN114839968A提出一种基于动态窗口法与优化LPA*算法。通过动态窗口法，构造路径全局最优的评价函数，进行局部路径动态规划，达到全局最优路径前提下的局部动态规划能力。但是该方法仅适用理想环境，在复杂环境下(内河航行环境)避碰能力会面临失效的风险。专利CN114326702A提出了一种基于模型预测控制的内河无人船避碰方法，该方法采用模型预测控制方法，综合考虑内河航行规则、无人船运动学约束、航道条件等因素的影响的问题，但是模型预测控制计算量大，避碰的实时性难以保证。
[0005]目前大多数USV的避碰是基于国际海事避碰规则，基于内河避碰规则的研究较少；大部分研究是为了适应某些特定的理想区域而设计的，难以适应复杂的内河航行环境，不具有普适性。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种内河无人船自主避碰方法，该方法可以解决现有技术普适性和实时性差的问题。
[0007]技术方案：本专利技术提供内河无人船自主避碰方法，包括以下步骤：
[0008]S1初始化环境信息和动态化窗口信息，所述初始化环境信息包括：无人水面船的起点和目的地信息、动态障碍物信息和静态障碍物信息，所述动态化窗口信息为根据无人水面船的特性和当前速度v以及角速度w，得到一系列速度对(v,w)，进而得到无人水面船在动态窗口中运动的时间间隔内的速度约束；
[0009]S2判断动态障碍物和静态障碍物与无人水面船是否存在碰撞风险，若不存在碰撞风险，则保持航向和航速航行，并更新无人水面船的位置；否则，若所述无人水面船与所述静态障碍物存在碰撞风险，则无人水面船进行位置更新，保持安全距离避让；若所述无人水面船与所述动态障碍物存在碰撞风险，则对无人水面船和对方船只的会遇局面进行划分，并判断无人水面船是否为让路船，如果无人水面船为让路船，则跳转进行步骤S3，否则，若无人水面船为直航船，则保持航向和航速航行，并更新无人水面船的位置；
[0010]S3设置最大迭代次数，并开始迭代计算并判断是否采取避让行动，随后创建避碰时机模型和避让幅度模型以及复航时机模型，进而得到避碰规则函数，进入步骤S4；
[0011]S4简化速度搜索窗口，选择下一时间段最佳速度矢量并进行位置更新；
[0012]S5判断无人水面船是否已到达目的地。
[0013]进一步的，包括：
[0014]所述步骤S1中，所述动态障碍物信息包括对方船只纵向航速、航向、当前位置；静态障碍物信息指其位置和形状信息；所述速度约束表示为：
[0015][0016]其中，v
a
，w
a
表示无人水面船的当前速度，表示无人水面船的最大减速度,表示无人水面船的最大减速度,表示无人水面船的最大加速度。
[0017]进一步的，包括：
[0018]所述步骤S2中，若所述无人水面船与所述动态障碍物存在碰撞风险判定方法为：
[0019]当无人水面船与对方船只对驶相遇时，计算会遇安全距离d
safe
，之后，根据两船纵荡方向上的相对距离d
R
的相对参数差值来判断是否有碰撞风险，当相对距离(d
safe
‑
d
R
)接近0时，则判断有碰撞风险；
[0020]所述对无人水面船和对方船只的会遇局面进行划分，包括：当无人水面船与对方船只形成不同会遇局面时，根据内河避碰规则，将两船相遇的情形分为对驶相遇、交叉、追越三种情形：
[0021]两艘船舶在对遇局面下，应当互以左舷会船，以同时满足两船的航向夹角小于等于5
°
和两船的艏向线有交叉两个条件判定两船属于对驶相遇；
[0022]同时满足以下三点条件对方船为追越船：无人水面船处于对方船只正横后大于22.5
°
的位置；V
A
>V
B
，V
A
为无人水面船的速度，V
B
为对方船只的速度；对方船只的航向角在无人水面船的航向角左右10
°
范围内；
[0023]满足以下三点条件，则判断两船处于交叉相遇局面：不属于对驶相遇局面和追越局面；对方船只在无人水面船的右舷方向；|Ψ
B
‑
Ψ
A
|≥90
°
，ψ
A
为无人水面船的航向角，Ψ
B
为对方船只的航向角，无人水面船需以左舷会船的方式从对方船只的尾部通过。
[0024]进一步的，包括：
[0025]所述判断无人水面船是否为让路船的方法为：
[0026]当无人水面船与对方船只的航向交叉且有碰撞危险时，若两船的航向角度差满足则构成左舷交叉，此时无人水面船为直航船，对方船只为让路船；否则，若航向角度差满足则构成右舷交叉，此时对方船只为直航船，无人水面船为让路船。
[0027]进一步的，包括：
[0028]所述步骤S3具体包括：
[0029]S31当无人水面船与对方船只对驶相遇时，如果判断有碰撞风险，此时，建立避碰时机模型为(d
safe
‑
d
R
)/v
r
，v
r
为r时刻两船的相对速度，当相对距离(d
safe
‑
d
R
)接近0时，此时应立即采取避碰行动，并且在避碰过程中，两船需要时刻保持避碰安全距离d
safe
；
[0030]S32根据内河避碰规则，无人水面船需要以左舷会船的方式来避碰对方船只，此时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种内河无人船自主避碰方法，其特征在于，包括以下步骤：S1初始化环境信息和动态化窗口信息，所述初始化环境信息包括：无人水面船的起点和目的地信息、动态障碍物信息和静态障碍物信息，所述动态化窗口信息为根据无人水面船的特性和当前速度v以及角速度w，得到一系列速度对(v,w)，进而得到无人水面船在动态窗口中运动的时间间隔内的速度约束；S2判断动态障碍物和静态障碍物与无人水面船是否存在碰撞风险，若不存在碰撞风险，则保持航向和航速航行，并更新无人水面船的位置；否则，若所述无人水面船与所述静态障碍物存在碰撞风险，则无人水面船进行位置更新，保持安全距离避让；若所述无人水面船与所述动态障碍物存在碰撞风险，则对无人水面船和对方船只的会遇局面进行划分，并判断无人水面船是否为让路船，如果无人水面船为让路船，则跳转进行步骤S3，否则，若无人水面船为直航船，则保持航向和航速航行，并更新无人水面船的位置；S3设置最大迭代次数，并开始迭代计算并判断是否采取避让行动，随后创建避碰时机模型和避让幅度模型以及复航时机模型，进而得到避碰规则函数，进入步骤S4；S4简化速度搜索窗口，选择下一时间段最佳速度矢量并进行位置更新；S5判断无人水面船是否已到达目的地。2.根据权利要求1所述的内河无人船自主避碰方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述动态障碍物信息包括对方船只纵向航速、航向、当前位置；静态障碍物信息指其位置和形状信息；所述速度约束表示为：其中，v
a
，w
a
表示无人水面船的当前速度，表示无人水面船的最大减速度,表示无人水面船的最大减速度,表示无人水面船的最大加速度。3.根据权利要求1所述的内河无人船自主避碰方法，其特征在于，所述步骤S2中，若所述无人水面船与所述动态障碍物存在碰撞风险判定方法为：当无人水面船与对方船只对驶相遇时，计算会遇安全距离d
safe
，之后，根据两船纵荡方向上的相对距离d
R
的相对参数差值来判断是否有碰撞风险，当相对距离(d
safe
‑
d
R
)接近0时，则判断有碰撞风险；所述对无人水面船和对方船只的会遇局面进行划分，包括：当无人水面船与对方船只形成不同会遇局面时，根据内河避碰规则，将两船相遇的情形分为对驶相遇、交叉、追越三种情形：两艘船舶在对遇局面下，应当互以左舷会船，以同时满足两船的航向夹角小于等于5
°
和两船的艏向线有交叉两个条件判定两船属于对驶相遇；同时满足以下三点条件对方船为追越船：无人水面船处于对方船只正横后大于22.5
°
的位置；V
A
>V
B
；对方船只的航向角在无人水面船的航向角左右10
°
范围内；其中，V
A
为无人水面船的速度，V
B
为对方船只的速度；满足以下三点条件，则判断两船处于交叉相遇局面：不属于对驶相遇局面和追越局面；对方船只在无人水面船的右舷方向；|Ψ
B
‑
Ψ
A
|≥90
°
，无人水面船需以左舷会船的方式从对方船只的尾部通过，其中，ψ
A
为无人水面船的航向角，Ψ
B
为对方船只的航向角。4.根据权利要求3所述的内河无人船自主避碰方法，其特征在于，所述判断无人水面船
是否为让路船的方法为：当无人水面船与对方船只的航向交叉且有碰撞危险时，若两船的航向角度差满足则构成左舷交叉，此时无人水面船为直航船，对方船只为让路船；否则，若两船的航向角度差满足则构成右舷交叉，此时对方船只为直航船，无人水面船为让路船。5.根据权利要求1所述的内河无人船自主避碰方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：S31当无人水面船与对方船只对驶相遇时，如果判断有碰撞风险，此时，建立避碰时机模型为(d
safe
‑
d
R
)/v
r
，v
r
为r时刻两船的相对速度，当相对距离(d
safe
‑
d
R
)接近0时，此时应立即采取避碰行动，并且在避碰过程中，两船需要时刻保持避碰安全距离d
safe
；S32根据内河避碰规则，无人水面船需要以左舷会船的方式来避碰对方船只，此时向右转向
△
C，确立转向...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁伟，朱杰，齐亮，苏贞，杨奕飞，俞孟蕻，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：