【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种适用于受限水域的无人艇避碰方法。
技术介绍
1、作为高度自主的船舶，无人艇(usv)是提高水上工作效率的可靠工具，适用于安全巡逻、应急救援、科学勘探、水文测量等领域。usv在执行任务的过程中会遇到交通船只。为了航行安全，usv必须按照国际海上避碰规则(colregs)采取避碰行动。
2、迄今为止，用于处理避碰问题的算法已经非常广泛。然而，目前的避碰方法大多需要障碍物的完整几何信息，这在一定程度上增加了这些避碰方法的复杂度并降低了实时避碰时的计算效率。此外，大多数现有的避碰方法由于其自身的局限性(仅设计用于避免静态障碍物或单一动态障碍物，或不考虑colregs)而无法应用于多船相遇情况。关于多船相遇情况下符合colregs的避碰，已有多项研究。然而，在现实世界中实施规避机动必须考虑避碰算法的计算效率。反应式方法运行速度非常快，因为它们不涉及复杂的耦合。但是，大多数反应式避碰方法只考虑了同时遇到较少交通船只的理想情况。当从不同方向驶来的交通船只数量增加时，这些算法对遭遇情况的分析就会变得更加复杂和困难，其避碰性能也会大大降低。此外，一些符合colregs标准的避碰方法是基于所有交通船只都符合或不符合colregs标准的假设。实际上，交通船只一般都能符合colregs标准，但也不排除部分交通船只因传感或操纵性能受损等原因而无法进行避碰机动。等效障碍物方法是一种反应式避碰方法，该方法采用整体思维，将所有遭遇的交通船只视为一个或两个等效障碍物，从而简化了对遭遇情况分析。尽管等效障碍物方法在处理多船相遇时具有独
3、目前的避碰方法大多需要障碍物的完整几何信息，这在一定程度上增加了这些避碰方法的复杂度并降低了实时避碰时的计算效率。根据已存在的等效障碍物方法，所有激活岛均为前方障碍物。usv必须从有碰撞风险的岛群的左侧或右侧绕行，从而导致避碰路径过长。此外，当交通船只和岛屿同时存在时，usv无法根据交通船只采取符合colregs的避碰策略。
技术实现思路
1、为解决以上现有技术存在的问题，本专利技术提出一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其是一种解决限制水域多船同时避碰问题的新方法。假设usv正在执行轨迹跟踪任务，并将遇到的交通船只和岛屿视为障碍物。usv根据传感器数据对探测到的障碍物进行碰撞风险评估。如果存在对usv造成碰撞风险的障碍物，usv将暂时放弃跟踪任务并进入避碰程序。在此避碰程序中，交通船只和岛屿被分开考虑，使usv更容易对交通船只执行符合colregs的避碰机动。探测到的岛屿信息用于重新设计usv的期望速度，并将usv的机动空间限制在一定范围内，称为导航通道。然后根据交通船只信息确定航道内usv可选择的避碰速度集合。并根据所提出的避碰策略选择出最合适的避碰速度。usv跟踪避碰的速度，直到所有的碰撞风险被消除。
2、本专利技术可通过以下技术方案予以实现：
3、一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，包括以下步骤：
4、1)碰撞风险评估；
5、2)usv状态更新，如果存在有碰撞风险的障碍物，则usv标记为避碰状态并执行步骤(3)到步骤(7)，否则usv标记为非避碰状态并执行步骤(7)；
6、3)重新设计期望速度；
7、4)采用covd方法确定偏置速度方向；
8、5)确定可选择的避碰速度集；
9、6)确定碰壁速度；
10、7)usv运动控制，如果usv为避碰状态，则通过航向和速度控制使usv的实际速度收敛至避碰速度如果usv为非避碰状态，则通过轨迹跟踪控制使usv跟踪其期望轨迹。
11、进一步地，所述步骤1)具体为：
12、所述碰撞风险评估方法不需要用到障碍物oi的完整几何信息，只需要障碍物oi的几何边界上的三个点和其中和分别为障碍物oi相对于usv的左、右切点，为障碍物oi几何边界上相对于usv最近的点；usv被简化为半径为rusv的圆，ds为usv和障碍物oi两者几何边界之间应保持的安全距离，和分别表示从usv到和这三个点的位置矢量，分别以和为圆心，以和为半径作圆，和分别表示从usv到这三个圆的左切点的位置矢量，和分别表示从usv到这三个圆的右切点的位置矢量，则usv相对于障碍物oi的相对速度危险区域可表示为其中r+为正实数集，和为单位矢量，并由下式求出：
13、
14、
15、其中\为取余符号，由于海洋环境对usv运动控制的影响，usv和障碍物oi两者几何边界之间的实际距离偶尔可能会小于安全距离ds，为了使usv能平稳的驶离障碍物oi，将三个圆的半径和分别定义如下：
16、其中ε为任意小的正实数；
17、usv相对于障碍物oi的实际相对速度表示为其中和分别为usv和该障碍物的实际速度，当在相对速度危险区域hoi中时，usv与该障碍物发生碰撞的时间表示为tr为评估碰撞风险的时间阈值，则将满足以下条件的障碍物标记为有碰撞风险的障碍物：
18、
19、进一步地，所述步骤3)具体为：根据usv周围的岛屿信息，重新为usv设计期望速度，通过代价函数jvd从集合中选择最合适的矢量作为重新设计的期望速度，其中和由求出，代价函数jvd表示为其中w1为权重，∈是一个附加项，为了使多个usv在同时遭遇同一岛屿时采取一致的避碰行动，以避免交通复杂化，
20、其中w2为权重，重新设计的期望速度表示为
21、
22、进一步地，所述步骤4)具体为：采用一致性偏置速度方向(covd)方法确定偏置速度方向，通过在usv期望速度矢量的基础上增加一个偏置速度矢量来达到避碰的目的，此部分只根据有碰撞风险的交通船只信息来确定偏置速度的方向，usv的期望速度为障碍物oi的实际速度为则usv相对于障碍物oi的期望相对速度表示为usv相对于所有交通船只的期望相对速度的集合可表示为其中m为usv所遭遇到的交通船只的数量，集合中相邻矢量之间夹角的平分线的集合表示为l＝{l1，l2，...，ln}。θi是集合中与li相邻的两个矢量之间的夹角，且集合θ＝{θ1，θ2，...，θm}。
23、进一步地，所述步骤5)中采用改进的等效障碍物方法确定可选择的避碰速度集，交通船只和岛屿被分开考虑，以方便usv对交通船只执行符合colregs的避碰机动，有碰撞风险的岛屿信息被用来确定usv的航行通道范围，有碰撞风险的交通船只信息被用来进一步确定usv的可选择避碰速度集。
24、进一步地，所述改进的等效障碍物方法，具体方法如下：usv通过在其期望速度矢量的基础上增加一个偏置本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
3.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：根据USV周围的岛屿信息，重新为USV设计期望速度，通过代价函数Jvd从集合中选择最合适的矢量作为重新设计的期望速度，其中和由求出，代价函数Jvd表示为其中w1为权重，∈是一个附加项，为了使多个USV在同时遭遇同一岛屿时采取一致的避碰行动，以避免交通复杂化，其中w2为权重，重新设计的期望速度表示为
4.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：采用一致性偏置速度方向(COVD)方法确定偏置速度方向，通过在USV期望速度矢量的基础上增加一个偏置速度矢量来达到避碰的目的，此部分只根据有碰撞风险的交通船只信息来确定偏置速度的方向，USV的期望速度为障碍物Oi的实际速度为则USV相对于障碍物Oi的期望相对速度表示为USV相对于所有交通船只的期望相对速度的集合
5.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤5)中采用改进的等效障碍物方法确定可选择的避碰速度集，交通船只和岛屿被分开考虑，以方便USV对交通船只执行符合COLREGS的避碰机动，有碰撞风险的岛屿信息被用来确定USV的航行通道范围，有碰撞风险的交通船只信息被用来进一步确定USV的可选择避碰速度集。
6.根据权利要求5所述的一种适用于受限水域并符合国际海上避碰规则的无人艇避碰方法，其特征在于，所述改进的等效障碍物方法，具体方法如下：
7.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤6)具体为：采用所提出的基于COLREGS的避碰策略确定避碰速度基于COLREGS第9条，将USV沿着航行通道右边界行驶的基本条件设定为条件1，
...【技术特征摘要】
1.一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
3.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：根据usv周围的岛屿信息，重新为usv设计期望速度，通过代价函数jvd从集合中选择最合适的矢量作为重新设计的期望速度，其中和由求出，代价函数jvd表示为其中w1为权重，∈是一个附加项，为了使多个usv在同时遭遇同一岛屿时采取一致的避碰行动，以避免交通复杂化，其中w2为权重，重新设计的期望速度表示为
4.根据权利要求1所述的一种适用于受限水域的无人艇避碰方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：采用一致性偏置速度方向(covd)方法确定偏置速度方向，通过在usv期望速度矢量的基础上增加一个偏置速度矢量来达到避碰的目的，此部分只根据有碰撞风险的交通船只信息来确定偏置速度的方向，usv的期望速度为障碍物oi的实际速度为则usv相对于障碍物oi的期望相对速度表示为usv相对于所有交...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢少荣，刘坚坚，张丹，彭艳，王曰英，李孝伟，陈耀然，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：
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