CN110174896A - 一种无人艇多目标自主避碰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无人艇多目标自主避碰方法，包括以下步骤：利用探测信息解算会遇参数；根据本艇航行状态确定安全会遇距离，判断是否存在碰撞危险；对于存在碰撞危险的目标依次计算其碰撞危险度；根据碰撞危险程度确定避让目标的优先级进而设计完成避让方案；选择经济安全的避让方案进行输出并执行。本发明动态设计安全会遇距离和判断碰撞危险度，为无人艇提供多目标场景下的有效避碰方案，并实时输出计算结果，能够实现对多目标的自主避碰决策，保障无人艇的航行安全，通过仿真结果表明，具有良好的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于航海导航技术领域，尤其是一种无人艇多目标自主避碰方法。
背景技术
由于水面无人艇具有体积小、速度快、自主性高、无人员伤亡、活动区域广等优点，因此，其可以在危险区域或者不适宜派遣有人舰船的区域独立自主执行任务，拓展了海上应用范围，具有良好的性价比，因而越来越多地受到很多国家的重视。
在复杂多变的海洋环境中，水面无人艇安全航行、顺利完成各项任务的一个重要的前提就是水面无人艇能够实现自主避碰功能。作为水面无人艇研究的核心技术之一，水面无人艇自主避碰不仅从一定程度上反映了水面无人艇智能化水平的高低，也是水面无人艇实现自主安全可靠航行的关键技术之一。
针对无人艇多目标自主避碰技问题，研究动态安全距离模型、碰撞危险度的意义不但是指多危险目标产生碰撞可能性的度量，同时也是船艇与危险目标间出现碰撞危险的评价标准，更是避碰决策的根据及衡量标准。现有安全距离理论多是基于船舶理论，现有碰撞危险分析多是基于目标间的距离，其实时性差，难以满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种无人艇多目标自主避碰方法，其基于无人艇自身旋回特性开展动态安全距离设计，采用新的碰撞危险度计算方法，结合基于速度障碍法的避碰决策技术，实现无人艇多目标的有效避碰功能。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种无人艇多目标自主避碰方法，包括以下步骤：
步骤1、利用探测信息解算会遇参数；
步骤2、根据本艇航行状态确定安全会遇距离，判断是否存在碰撞危险；
步骤3、对于存在碰撞危险的目标依次计算其碰撞危险度；
步骤4、根据碰撞危险程度确定避让目标的优先级进而设计完成避让方案；
步骤5、选择经济安全的避让方案进行输出并执行。
所述探测信息包括目标信息和本艇航行状态信息；所述会遇参数包括最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA。
所述步骤2确定安全会遇距离的方法为：根据当前无人艇航速、航行海况，采用如下动态安全距离模型计算安全会遇距离：
SDA＝floor(w1×hl×w2×vn)+w3
上式中，hl为海况级别，Vn为本艇与危险目标的相对航速，w1为海况权值，w2为相对速度权值，w3为安全余量，floor为向下取整函数。
所述步骤2判断是否存在碰撞危险的方法为：将得到的安全会遇距离与最近会遇距离进行比较，如果最近会遇距离小于安全会遇距离，则存在避碰危险，进入步骤3；反之无避碰危险则返回步骤1继续探测。
所述步骤3计算碰撞危险度的具体方法为：
按下式计算各危险障碍物或会遇船艇对于本艇的威胁系数Ci：
式中：为当前会遇态势决定的碰撞危险度，本艇与会遇船艇的速度方向夹角越接近180°表明该危险目标的碰撞危险度越大，相对速度vn越大，表明该目标船的碰撞危险度越大。
所述步骤4的具体实现方法为：根据各危险目标的碰撞危险程度确定避让目标的优先级，进而基于速度障碍原理进行避让方案设计，包括转向从目标右侧通过、转向从目标左侧通过、减速转向从目标右侧通过和减速转向从目标左侧通过。
所述步骤5经济安全的避让方案为：有效避让且偏航最小的必然方案。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明根据海况和相对航速动态地确定安全会遇距离，贴合无人艇旋回特性，同时结合相对运动状态提出一种新的分析多目标的碰撞危险度的方法，并以此制定避让优先顺序，从经济性和安全性角度保障了无人艇的有效避障。
2、本发明动态设计安全会遇距离和判断碰撞危险度，为无人艇提供多目标场景下的有效避碰方案，并实时输出计算结果，能够实现对多目标的自主避碰决策，保障无人艇的航行安全，通过仿真结果表明，具有良好的实际应用价值。
附图说明
图1是本发明的处理流程图；
图2是本发明的自主避碰仿真效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种无人艇多目标自主避碰方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1、基于探测的目标信息和本艇航行状态信息解算最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA。
如图2所示，本实施例中的1个静态目标距本艇102m，方位-11.3°；另1个动态目标距本艇170m，方位24.3°，航速10kn，航向225°。本艇初始以18kn航速向0°航行；目标航路点在正前方300m处。其中静态目标的DCPA1＝20,TCPA1＝11.1；动态目标的DCPA2＝25.3，TCPA2＝12.9。
步骤2、根据本艇航行状态确定安全会遇距离，判断是否存在碰撞危险。
根据当前无人艇航速、航行海况，调用动态安全距离模型计算安全会遇距离SDA：
SDA＝floor(w1×hl×w2×vn)+w3。
上式中，hl为海况级别，Vn为本艇与危险目标的相对航速，w1为海况权值，w2为相对速度权值(与无人艇自身旋回特性有关)，w3为安全余量，上述3个参数均由无人艇海上试验测试数据分析确定，floor为向下取整函数。得到安全会遇距离SDA后与最近会遇距离DCPA进行比较，如果DCPA＜SDA则存在避碰危险，进入步骤3；反之无避碰危险则返回步骤1继续探测。
在本实施例中，设海况1级，为简化说明取w1＝1，w2＝3，w3＝11，本艇与静态目标的相对速度vn1＝8.8，故计算得SDA1＝37>DCPA1，存在碰撞危险；本艇与动态目标的相对速度vn2＝13，故计算得SDA2＝50>DCPA2，存在碰撞危险。
步骤3、对于存在碰撞危险的目标依次计算其碰撞危险度，具体计算方法如下：
计算各危险障碍物或会遇船艇对于本艇的威胁系数Ci：
式中：为当前会遇态势决定的碰撞危险度，本艇与危险障碍物或会遇船艇的速度方向夹角越接近180°表明该危险目标的碰撞危险度越大，相对速度vn越大，表明该目标船的碰撞危险度越大。
按上述计算公式，本实施例中的静态目标的碰撞危险度动态目标的碰撞危险度
步骤4、根据碰撞危险程度确定避让目标的优先级进而设计避让方案。
在本步骤中，根据各危险目标的碰撞危险程度确定避让目标的优先级，进而基于速度障碍原理开展避让方案的设计，包括转向从目标右侧通过、转向从目标左侧通过、减速转向从目标右侧通过、减速转向从目标左侧通过。
本实施例中，经上一步计算可知动态目标的碰撞危险度更高，故基于碰撞危险度高低的顺序开展避碰方案设计，基于速度障碍原理得到动态目标的避让方案1为右转39.4°从动目标右侧通过；同时由于从动目标右侧通过的最小允许航速为1kn，故建议可适当减速，得避让方案2减速右转39.4°从动目标右侧通过；避让方案3为左转40.6°从静态目标左侧通过。
步骤5、优选经济安全的避让方案进行输出并执行。
本步骤优选有效避让且偏航最小的必然方案进行决策输出与执行。本实施例中，优选避让方案2，减速右转39.4°从动目标右侧通过。本发明根据实时获取的目标信息进行实时解算，以保证实时输出最优的避碰方案。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种无人艇多目标自主避碰方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、利用探测信息解算会遇参数；
步骤2、根据本艇航行状态确定安全会遇距离，判断是否存在碰撞危险；
步骤3、对于存在碰撞危险的目标依次计算其碰撞危险度；
步骤4、根据碰撞危险程度确定避让目标的优先级进而设计完成避让方案；
步骤5、选择经济安全的避让方案进行输出并执行。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇多目标自主避碰方法，其特征在于：所述探测信息包括目标信息和本艇航行状态信息；所述会遇参数包括最近会遇距离DCPA和最近会遇时间TCPA。
3.根据权利要求1所述的一种无人艇多目标自主避碰方法，其特征在于：所述步骤2确定安全会遇距离的方法为：根据当前无人艇航速、航行海况，采用如下动态安全距离模型计算安全会遇距离：
SDA＝floor(w1×hl×w2×vn)+w3
上式中，hl为海况级别，Vn为本艇与危险目标的相对航速，w1为海况权值，w2为相对速度权值，w3为安全余量，floor为向下取整函数。
4.根据权利要求1所述的一种无人艇多目标自主避碰方法，其特征在于：所述步骤2判断是否存在碰撞危险的方法为：将得到的安全会遇距离与最近会遇距离进行比较，如果最近会遇距离小于安全会遇距离，则存在避碰危险，进入步骤3；反之无避碰危险则返回步骤1继续探测。
5.根据权利要求1所述的一种无人艇多目标自主避碰方法，其特征在于：所述步骤3计算碰撞危险度的具体方法为：
按下式计算各危险障碍物或会遇船艇对于本艇的威胁系数Ci：
式中：为当前会遇态势决定的碰撞危险度，本艇与会遇船艇的速度方向夹角越接近180°表明该危险目标的碰撞危险度越大，相对速度vn越大，表明该目标船的碰撞危险度越大。
6.根据权利要求1所述的一种无人艇多目标自主避碰方法，其特征在于：所述步骤4的具体实现方法为：根据各危险目标的碰撞危险程度确定避让目标的优先级，进而基于速度障碍原理进行避让方案设计，包括转向从目标右侧通过、转向从目标左侧通过、减速转向从目标右侧通过和减速转向从目标左侧通过。
7.根据权利要求1所述的一种无人艇多目标自主避碰方法，其特征在于：所述步骤5经济安全的避让方案为：有效避让且偏航最小的必然方案。
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|---|---|
| CN (1) | CN110174896A (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109753068A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-14 | 哈尔滨工程大学 | 一种考虑通信情况的多usv群体协同避碰规划方法 |
| CN109782760A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种考虑无通信的多usv群体协同避碰规划方法 |
| CN110837255A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-02-25 | 哈尔滨工程大学 | 一种适用于高速水面无人艇的自主危险规避方法 |
| CN111260963A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-06-09 | 武汉理工大学 | 一种多船会遇避碰方法 |
| CN111474916A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-31 | 智慧航海（青岛）科技有限公司 | 船舶航行自主避碰算法测试方法和装置 |
| CN111813128A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-23 | 浙江北鲲智能科技有限公司 | 一种无人艇自主航行性能评估方法 |
| CN111984006A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-24 | 哈尔滨工程大学 | 融合海流及尺度差异影响的无人艇多目标会遇避碰方法 |
| CN112542064A (zh) * | 2019-09-23 | 2021-03-23 | 廖秉军 | 一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法 |
| CN113671968A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-19 | 大连海事大学 | 一种基于改进动态最优互惠避碰机制的无人水面艇实时避碰方法 |
| CN115657685A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-31 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 | 水上避障方法、装置、计算机设备和存储介质 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106094606A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-11-09 | 南通航运职业技术学院 | 一种水面无人艇导航与控制遥操作平台 |
| CN108445879A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-08-24 | 上海大学 | 一种基于预测碰撞危险区域的无人艇避障方法 |
| CN108630017A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-10-09 | 上海海洋大学 | 一种船舶航行避碰方法及系统 |
-
2019
- 2019-05-31 CN CN201910466346.3A patent/CN110174896A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106094606A (zh) * | 2016-05-19 | 2016-11-09 | 南通航运职业技术学院 | 一种水面无人艇导航与控制遥操作平台 |
| CN108445879A (zh) * | 2018-03-12 | 2018-08-24 | 上海大学 | 一种基于预测碰撞危险区域的无人艇避障方法 |
| CN108630017A (zh) * | 2018-05-04 | 2018-10-09 | 上海海洋大学 | 一种船舶航行避碰方法及系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 唐平鹏等: "水面无人艇近程反应式危险规避方法研究", 《华中科技大学学报(自然科学版)》 * |
| 房媛媛等: "水面无人艇的避碰决策设计", 《天津航海》 * |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109753068A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-14 | 哈尔滨工程大学 | 一种考虑通信情况的多usv群体协同避碰规划方法 |
| CN109782760A (zh) * | 2019-01-14 | 2019-05-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种考虑无通信的多usv群体协同避碰规划方法 |
| CN109753068B (zh) * | 2019-01-14 | 2022-06-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种考虑通信情况的多usv群体协同避碰规划方法 |
| CN109782760B (zh) * | 2019-01-14 | 2022-06-21 | 哈尔滨工程大学 | 一种考虑无通信的多usv群体协同避碰规划方法 |
| CN112542064A (zh) * | 2019-09-23 | 2021-03-23 | 廖秉军 | 一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法 |
| CN112542064B (zh) * | 2019-09-23 | 2024-03-26 | 廖秉军 | 一种快速移动物体与慢速移动物体动态避碰方法 |
| CN110837255B (zh) * | 2019-11-08 | 2022-07-15 | 哈尔滨工程大学 | 一种适用于高速水面无人艇的自主危险规避方法 |
| CN110837255A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-02-25 | 哈尔滨工程大学 | 一种适用于高速水面无人艇的自主危险规避方法 |
| CN111260963A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-06-09 | 武汉理工大学 | 一种多船会遇避碰方法 |
| CN111260963B (zh) * | 2020-03-11 | 2021-02-26 | 武汉理工大学 | 一种多船会遇避碰方法 |
| CN111474916A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-31 | 智慧航海（青岛）科技有限公司 | 船舶航行自主避碰算法测试方法和装置 |
| CN111474916B (zh) * | 2020-03-30 | 2023-08-29 | 智慧航海（青岛）科技有限公司 | 船舶航行自主避碰算法测试方法和装置 |
| CN111984006B (zh) * | 2020-07-24 | 2021-07-06 | 哈尔滨工程大学 | 融合海流及尺度差异影响的无人艇多目标会遇避碰方法 |
| CN111984006A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-11-24 | 哈尔滨工程大学 | 融合海流及尺度差异影响的无人艇多目标会遇避碰方法 |
| CN111813128A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-23 | 浙江北鲲智能科技有限公司 | 一种无人艇自主航行性能评估方法 |
| CN111813128B (zh) * | 2020-07-29 | 2023-01-13 | 浙江北鲲智能科技有限公司 | 一种无人艇自主航行性能评估方法 |
| CN113671968A (zh) * | 2021-08-25 | 2021-11-19 | 大连海事大学 | 一种基于改进动态最优互惠避碰机制的无人水面艇实时避碰方法 |
| CN113671968B (zh) * | 2021-08-25 | 2023-12-12 | 大连海事大学 | 一种无人水面艇实时避碰方法 |
| CN115657685A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-01-31 | 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 | 水上避障方法、装置、计算机设备和存储介质 |
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