一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法技术

本发明专利技术公开一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法，与现有的轨迹规划方法不同，本发明专利技术采用整体思维简化了对遭遇情况的分析，即基于一致偏置速度方向(COVD)方法，将从USV各个方向接近的船舶视为一个或两个等效障碍，然后利用所提出的符合COLREGS的避碰策略和运动学约束，设计出规划速度。设计出规划速度。设计出规划速度。

【技术实现步骤摘要】
一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法


[0001]本专利技术涉及一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法。

技术介绍

[0002]速度障碍(VO)：该方法将障碍物映射到速度空间中，形成锥形障碍区域。只要USV与障碍物的相对速度矢量在VO之外，就可以保证USV与障碍物不会发生碰撞。为了方便计算VO，我们将USV简化为一个点，并将障碍物膨胀处理。
[0003]从开始往方向的射线表示为：
[0004]闵可夫斯基和：
[0005]镜射：
[0006]如图1所示，给定在位置矢量处形状为A的USV以速度移动。给定在位置矢量处形状为B的障碍物以速度移动。USV边界与障碍物边界的安全距离为d
s
。D是一个半径为d
s
的圆且则障碍物的危险区域为进一步地，障碍物相对于USV的危险区域为所以，在USV相对于障碍物的相对的速度空间中，由障碍物形成的VO可表示为
[0007]目前大多数轨迹规划算法在设计时只考虑静态障碍或单个动态障碍，甚至有的不考虑COLREGS。这在一定程度上限制了它们在海上的实际应用范围。尽管存在一些轨迹规划算法能在多船遭遇情况下生成符合COLREGS的无碰撞轨迹，但它们是建立在交通船舶匀速航行的假设基础之上的。在现实世界中，无论是人工操纵的船舶还是自动化船舶，在遇到碰撞危险时，一般都会采取一定的避碰措施。为了使USV的无碰撞轨迹规划方法具有实用性，除了假设交通船舶具有一定的智能水平以外，也要考虑到这些船舶由于机械故障等原因无法采取避碰措施的意外情况。所以这些方法在现实世界中很难被实现。此外，现有的符合COLREGS的轨迹规划方法广泛使用相对方位和相对航向来分析遭遇情况，从而为遭遇船舶分配保持或让路责任。当多艘船舶同时从不同方向接近USV时，遭遇情况会变得非常复杂和多变。从而这些方法的计算效率会显著降低，甚至这些方法很难再为USV规划安全有效的无碰撞轨迹。

技术实现思路

[0008]本专利技术针对多船遭遇情况下无USV无碰撞轨迹规划问题，提出了一种新的轨迹规划方法。在USV驶向目标位置的过程中遭遇多艘交通船舶时，无论所遭遇船舶是否遵守COLREGS，也无论这些船舶的数量有多少以及从多少个不同方位接近USV，应用所提出的轨迹规划方法能快速为USV规划出符合COLREGS的无碰撞轨迹。与现有的轨迹规划方法不同，本专利技术采用整体思维简化了对遭遇情况的分析。即基于一致偏置速度方向(COVD)方法，将从USV各个方向接近的船舶视为一个或两个等效障碍。然后利用所提出的符合COLREGS的避
碰策略和运动学约束，设计出规划速度。
[0009]本专利技术可通过以下技术方案予以实现：
[0010]一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法，包括以下步骤：
[0011]1)设计期望速度；
[0012]2)碰撞风险评估；
[0013]3)更新USV的状态；
[0014]4)通过COVD方法确定偏置速度方向；
[0015]5)通过等效障碍方法将所有已激活障碍物简化为一个或两个等效障碍；
[0016]6)采用符合COLREGS的避碰策略；
[0017]7)设计避碰速度；
[0018]8)设计规划速度和下一时刻的轨迹点。
[0019]本专利技术具有以下有益效果：
[0020]1)所提出的等效障碍方法采用整体思维将所遭遇船舶简化为一个或两个等效障碍，从而简化了对遭遇情况的分析。无论多复杂的多船遭遇情况，本专利技术都能适用且计算效率高。
[0021]2)所提出的符合COLREGS的避碰策略适合应用于所遭遇船舶遵守和不遵守COLREGS的情况，适用范围广且切合实际。
附图说明
[0022]图1为障碍物膨胀与速度障碍示意图；
[0023]图2为本专利技术所提出的轨迹规划方法流程图；
[0024]图3为碰撞风险评估示意图；
[0025]图4为设计偏置速度的方向示意图；
[0026]图5为所有已激活障碍物被分为两部分前方障碍物和后方障碍物的示意图；
[0027]图6为将已激活障碍物被映射到OD坐标轴上示意图；
[0028]图7为通过等效障碍方法将所有已激活障碍物简化为一个或两个等效障碍示意图；
[0029]图8为遭遇情况S＝0时，USV需要同时避开前方等效障碍EO
f
和后方等效障碍EO
r
示意图。
具体实施方式
[0030]以下通过特定的具体实施例说明本专利技术的实施方式，本领域的技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本专利技术的其他优点及功效。
[0031]本专利技术所提出的轨迹规划方法流程图如图2所示，且具体步骤如下：
[0032]1)设计期望速度。根据USV的目标位置和当前运动信息，采用不变方位制导设计USV的期望速度USV的期望速度其中表示USV的目标位置。U
d
表示驶向目标位置时的期望接近速度。
[0033][0034]其中U
dmax
表示驶向目标位置时的最大接近速度。k
p
＞0影响USV即将到达目标位置时的减速行为；
[0035]2)碰撞风险评估。对USV实时检测到的各个障碍物，同时进行碰撞风险评估。该碰撞风险评估算法在速度空间中执行，并使用速度障碍。为了便于避碰过程，根据传感器数据将USV实时检测到的障碍物分类为：已激活障碍物和非激活障碍物。与USV有碰撞风险的障碍物被标记为激活，其他障碍物被标记为非激活。
[0036]USV相对于障碍物的期望相对速度和实际相对速度表示为：
[0037][0038]如图3所示(图中圆圈代表已膨胀障碍物。和分别为从USV到已膨胀障碍物左切点和右切点的位置矢量。表示USV从当前位置沿到已膨胀障碍物边界的位置矢量)，当时，意味着以期望速度行驶的USV迟早会与已膨胀障碍物发生碰撞。当对，意味着以当前速度行驶的USV在短期内可能会与障碍物发生碰撞。此时需要计算避碰反应时间t
a
。其中表示USV从当前位置沿到已膨胀障碍物边界的位置矢量。并通过阈值t
r
来判断短期内USV与该障碍物是否存在碰撞风险。也就是说，当满足如下条件时，该障碍物被标记为激活状态，
[0039]或
[0040]3)更新USV的状态。根据所有已激活的障碍物信息更新USV的状态。只要存在已激活的障碍物，USV就处于避碰状态并进入避碰程序执行步骤4)到步骤8)，否则处于非避碰状态并执行步骤8)；
[0041]4)通过COVD方法确定偏置速度方向。避碰过程只需要考虑已激活的障碍物。设计避碰速度是在USV的期望速度基础上加上偏置速度，使USV在避开障碍物的同时接近目标位置。假设已激活的障碍物数量为n，且n为非负实数。O
i
代表编号为i的已激活障碍物，其中i≠0且i＝1，2，
…
，n。表示USV相对于O
i
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：1)设计期望速度；2)碰撞风险评估；3)更新USV的状态；4)通过COVD方法确定偏置速度方向；5)通过等效障碍方法将所有已激活障碍物简化为一个或两个等效障碍；6)采用符合COLREGS的避碰策略；7)设计避碰速度；8)设计规划速度和下一时刻的轨迹点。2.根据权利要求1所述的一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：根据USV的目标位置和当前运动信息，采用不变方位制导设计USV的期望速度望速度其中表示USV的目标位置，U
d
表示驶向目标位置时的期望接近速度，其中U
dmax
表示驶向目标位置时的最大接近速度，k
p
＞0影响USV即将到达目标位置时的减速行为。3.根据权利要求1所述的一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：1)对USV实时检测到的各个障碍物，同时进行碰撞风险评估，该碰撞风险评估算法在速度空间中执行，并使用速度障碍，根据传感器数据将USV实时检测到的障碍物分类为:已激活障碍物和非激活障碍物，与USV有碰撞风险的障碍物被标记为激活，其他障碍物被标记为非激活；USV相对于障碍物的期望相对速度和实际相对速度表示为:当时，意味着以期望速度行驶的USV迟早会与已膨胀障碍物发生碰撞；当时，意味着以当前速度行驶的USV在短期内可能会与障碍物发生碰撞，此时需要计算避碰反应时间t
a
，其中表示USV从当前位置沿到已膨胀障碍物边界的位置矢量，并通过阈值t
r
来判断短期内USV与该障碍物是否存在碰撞风险，当满足如下条件时，该障碍物被标记为激活状态，或4.根据权利要求1所述的一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤3)中根据所有已激活的障碍物信息更新USV的状态，只要存在已激活的障碍物，USV就处于避碰状态并进入避碰程序执行所述步骤4)到步骤8)，否则处于非避碰状态并执行所
述步骤8)。5.根据权利要求1所述的一种多船遭遇情况下无人艇的轨迹规划方法，其特征在于，所述步骤4)具体为:假设已激活的障碍物数量为n,且n为非负实数，O
i
代表编号为i的已激活障碍物,其中i≠0且i＝1，2，...，n，表示USV相对于O
i
的期望相对速度，l
OD
表示与偏置速度矢量平行的直线，当以移动的USV被视为参照时，已激活障碍物O
i
以从USV周围的各个方向接近，当USV以移动时，会分别以不同速度同时接近每个已激活障碍物，USV需要找到一个合适的偏置速度方向，使USV有足够的安全机动空间能同时避开所有已激活障碍物，即l
OD
和之间的最小夹角应尽可能大，θ＝{θ1，θ2，...，θ
2n
}表示集合中相邻向量之间夹角的集合，直线l
i
平分θ
i
，为了选择合适的l
OD
，设计成本函数J
OD
(l
i
)＝θ
i
+wβ
i
，其中w是权重，β...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢少荣，刘坚坚，张丹，王曰英，彭艳，张翔宇，周熙，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：