一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法技术

本发明专利技术涉及一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法，包括：确定安全距离SDA和启避距离DEW；实时获取复杂障碍物多边形位置信息，对其进行多边形简化处理及角平分线膨化计算，得到SDA扩展多边形和DEW扩展多边形；将无人艇简化为质心，找出连接质点与SDA扩展多边形相切的左右两条切线，计算无人艇与障碍物之间相对速度矢量线；根据相对速度矢量线与两条切线相对位置判断是否存在碰撞危险，若存在则跳转下步，否则返回步骤2；根据无人艇质点位置确定避让行动时机；根据无人艇与障碍物的会遇态势，计算可行避碰措施；避碰决策实施之后，实时判断是否已对障碍物驶过让清，若是则跳转下步，否则继续执行避碰决策；驶过让清后无人艇复航。本发明专利技术实现了对复杂障碍物的有效避碰。本发明专利技术实现了对复杂障碍物的有效避碰。本发明专利技术实现了对复杂障碍物的有效避碰。

【技术实现步骤摘要】
一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法


[0001]本专利技术涉及无人艇避碰
，尤其涉及一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法。

技术介绍

[0002]自主避碰是无人艇自主航行的关键技术之一，无人艇在航行过程中，按照路径规划提供的指定航线航行时，可能会因为其它船只或障碍物的影响，而不能沿指定航线航行，此时，就需要避碰决策来重新规划一条航路,使无人艇变向后从障碍物或船只外围通过，从而消除或减小会遇目标对本艇的影响。目前国内外对无人艇避碰问题做了很多研究并取得了很多成果，众多学者将智能算法应用到局部避碰过程中，有些方法考虑了无人艇的操纵运动特性和外界环境的干扰，在环境模型建立过程中利用航海感知仪器进行环境信息提取，利用速度障碍法、动态窗口法、蚁群算法等对动态船舶及静态障碍物进行避让。
[0003]无人艇避碰过程需要实时进行目标信息提取，真实环境下通过雷达、摄像头等传感器探测得到的障碍物形状很复杂，直接对这些未经处理的障碍物进行避让，计算成本很高，为了节省计算时间，需要对障碍物进行膨胀包围处理，从而简化建模过程，国内大多数研究对障碍物进行圆形膨胀处理，将障碍物简化为点目标，但是没有充分考虑到长宽比较大的障碍物，仅仅采取圆形膨胀处理会浪费大量可行区间，甚至导致避碰无解，从而造成避碰失败或不合理避碰。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法。
[0005]本专利技术的上述目的通过如下技术方案来实现：
[0006]一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0007]步骤1、基于船舶尺寸、当前航速、船舶回转性能以及试验海况，确定安全距离SDA和启避距离DEW；
[0008]步骤2、无人艇通过感知系统实时获取复杂障碍物多边形的位置信息，对其进行多边形简化处理及角平分线膨化计算，得到SDA扩展多边形和DEW扩展多边形；
[0009]步骤3、将无人艇简化为质心处理，找出连接无人艇质点与SDA扩展多边形相切的左右两条切线，并计算无人艇与障碍物之间的相对速度矢量线；
[0010]步骤4、根据相对速度矢量线与两条切线的相对位置判断是否存在碰撞危险，若存在则跳转步骤5，否则返回步骤2；
[0011]步骤5、确定有碰撞危险之后，根据无人艇质点位置确定避让行动时机，当无人艇质点进入DEW扩展多边形内开启避让动作；
[0012]步骤6、根据无人艇与障碍物的会遇态势，计算可行的避碰措施，包括转向、变速或同时转向变速，结合海事规则与风险分析最终确定避碰策略；
[0013]步骤7、避碰决策实施之后，实时判断是否已对障碍物驶过让清，如是则跳转步骤8，否则继续执行避碰决策；
[0014]步骤8、驶过让清后无人艇复航。
[0015]而且，步骤2包括：
[0016]2.1无人艇通过感知系统实时获取障碍物多边形的各顶点位置信息，若多边形顶点个数大于最多可处理顶点数Nmax，则利用经典Douglas
‑
Peucker算法减少顶点数，进行简化处理：若多边形顶点个数小于等于Nmax，则不作处理；
[0017]2.2对简化处理过后的障碍物多边形采用经典角平分线法进行膨化，向外扩展SDA距离对应得到SDA扩展多边形，向外扩展DEW距离对应得到DEW扩展多边形。
[0018]而且，步骤3包括：
[0019]3.1连接无人艇质心与障碍物质心之间的连线，遍历SDA扩展多边形的顶点，找出左右两边与质心连接线夹角最大的两个顶点，即两个切点，连接无人艇与这两个切点得到左右两条切线；
[0020]3.2根据本艇航速V
S
、航向C
S
、障碍物航速V
T
、航向C
T
等已知条件，解算得到无人艇与障碍物之间的相对速度矢量线：
[0021][0022][0023]C
V0
＝C
S
+c
[0024]其中，V0和C
V0
分别是相对速度大小与方向。
[0025]而且，步骤4具体为：
[0026]计算左右两条切线相对正北方向的两个偏向角θ
L
、θ
R
，如果满足条件θ
L
<C
V0
<θ
R
，即相对速度矢量线位于两条切线中间，则无人艇与当前障碍物存在碰撞危险，否则不存在碰撞危险。
[0027]而且，步骤6中避碰策略包括转向避碰策略和变速、转向变速避碰策，具体为：
[0028]若态势允许，及时大幅度的转向不致造成紧迫局面的情况下，首先考虑采用单用转向策略；当无人艇航行于繁忙或复杂水域，首先考虑采取变速避让方式；若仅采用转向不能保证安全驶过时，可同时采取转向和变速来避让；确定转向角的大小或和变速大小均以得到的相对速度矢量线不在两条切线中间为原则通过几何作图法获得。
[0029]本专利技术具有的优点和积极效果：
[0030]1、本专利技术方法在步骤2中对障碍物进行简化和膨胀处理，减少了计算消耗，缩短了计算时间，并且针对长宽比较大的障碍物，采用多边形包围处理方式，解决了采用圆形包围处理而导致的损失可行避碰区间、产生不合理避碰策略的问题。
[0031]2、本专利技术方法在步骤4中利用相对速度矢量线与障碍物切线之间的相对位置来判断是否有碰撞危险，在步骤5中通过无人艇是否在DEW扩展多边形内来判断避碰时机，在步骤6中利用矢量三角形确定转向/变速避让幅度，从而实现了对复杂障碍物的有效避碰。
附图说明
[0032]图1为本专利技术避碰方法流程图；
[0033]图2为本专利技术实施例的避碰模型示意图。
具体实施方式
[0034]以下结合附图并通过实施例对本专利技术的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
[0035]一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法，请参见图1
‑
图2，其专利技术点为：包括如下具体步骤：
[0036]步骤1、基于船舶尺寸、当前航速、船舶回转性能以及试验海况，确定安全距离SDA和启避距离DEW。具体的：
[0037]《1972年国际海上避碰规则》(以下简称《规则》)中要求：“为避免与他船碰撞而采取的行动，应能导致两船在安全的距离驶过。”对于无人艇来说，必须与障碍物有足够的距离，安全距离SDA受到多种因素的影响，例如可航水域的范围、交通流密度、船舶尺度、会遇态势、船舶操纵性等。在面临碰撞危险或紧迫局面时，只要环境允许，驾驶员应及早按照规则要求采取避让行动。安全距离SDA和启避距离DEW与能见度、船舶尺寸、船舶操纵性等因素有关,这里采用如下公式计算：
[0038]SDA＝(L
o
+L
T
)+2P+(L
o
π/135+L
T
π/45)+本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向复杂障碍物的无人艇避碰方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1、基于船舶尺寸、当前航速、船舶回转性能以及试验海况，确定安全距离SDA和启避距离DEW；步骤2、无人艇通过感知系统实时获取复杂障碍物多边形的位置信息，对其进行多边形简化处理及角平分线膨化计算，得到SDA扩展多边形和DEW扩展多边形；步骤3、将无人艇简化为质心处理，找出连接无人艇质点与SDA扩展多边形相切的左右两条切线，并计算无人艇与障碍物之间的相对速度矢量线；步骤4、根据相对速度矢量线与两条切线的相对位置判断是否存在碰撞危险，若存在则跳转步骤5，否则返回步骤2；步骤5、确定有碰撞危险之后，根据无人艇质点位置确定避让行动时机，当无人艇质点进入DEW扩展多边形内开启避让动作；步骤6、根据无人艇与障碍物的会遇态势，计算可行的避碰措施，包括转向、变速或同时转向变速，结合海事规则与风险分析最终确定避碰策略，并实施避碰决策；步骤7、避碰决策实施之后，实时判断是否已对障碍物驶过让清，如是则跳转步骤8，否则继续执行避碰决策；步骤8、驶过让清后无人艇复航。2.根据权利要求1所述的面向复杂障碍物的无人艇避碰方法，其特征在于：步骤2包括：2.1无人艇通过感知系统实时获取障碍物多边形的各顶点位置信息，若多边形顶点个数大于最多可处理顶点数Nmax，则利用Douglas
‑
Peucker算法减少顶点数，进行简化处理：若多边形顶点个数小于等于Nmax，则不作处理；2.2对简化处理过后的障碍物多边形采用角平分线法进行膨化，向外扩展SDA距离对应得到SDA扩展多边形，向外扩展DEW距离对应得到DEW扩展多边形。3.根据权利要求2所述的面向复杂障碍物的无人艇避碰方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凯丽，刘乃道，李玉丛，赵宇旻，杨晓昆，张永兵，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：