CN111538332B - 一种无人船自动航迹规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人船自动航迹规划方法，包括以下步骤：通过AIS接收器获得其余船舶的距离和航向；计算出最近会遇时间和最近会遇距离；建立危险度判断模型，并判断是否进行避碰规划；进行所述其余船舶与所述无人船的会遇局面划分及行为决策；通过建立无人船运动目标规划模型并对其进行约束，加入混合整数线性规划器中，由规划器获得规划间隔时间内无人船的期望转向角及无人船的期望速度，通过所述航行控制器输出所述发动机的转速和舵角，使所述无人船达到期望的航向和航速，检测是否达到目标进而决定是否继续循环航迹规划步骤，能根据所述无人船和所述其余船舶的运动速度实时进行路径规划，遇到避碰危险情况时，能有效安全地避免碰撞。

Description

一种无人船自动航迹规划方法

技术领域

本发明属于无人船技术领域，尤其涉及一种无人船自动航迹规划方法。

背景技术

伴随着人工智能技术的发展，无人船能够在一些领域替代人工，降低水域的探测成本，提高了工作效率，成为一种基本的海洋探测工具。无人船具有动态、突发性、不可预测性、体积小、速度快、灵活性高等特点，瞬间的失误可能造成无法弥补的损失，如何对无人船进行安全有效的路径规划显得十分重要。路径规划是指基于无人船上的导航雷达获得周围船舶、浮标、岛屿等障碍物信息，实时规划自身的速度和航向以产生避开障碍、到达目标的最优或最佳无障碍物路径路径。在路径规划时，目前大多规划装置是没有考虑遵循国际海上避碰规则公约，当无人船与其他船舶相遇，存在碰撞的危险时，容易因操作规则不一致，导致碰撞事故发生。鉴于无人船在航行时具有偏航、前进、横移、横倾、纵倾等运动能力，遵循国际海上避碰规则公约路径规划显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够遵循国际海上避碰规则公约路径，统一规划路径，避免碰撞事故发生问题的一种无人船自动航迹规划方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人船自动航迹规划方法，包括以下步骤：

1)通过定位设备获得无人船自身的经纬度和航向，通过AIS接收器获得其余船舶的距离和航向；

2)计算出每艘所述其余船舶与所述无人船之间的最近会遇时间TCPA和最近会遇距离DCPA；

3)建立危险度判断模型，通过所述危险度判断模型判断是否处于危险状态，如果危险则开启下一步避碰行为，否则不实施避碰行为；

4)进行所述其余船舶与所述无人船的会遇局面划分及行为决策；

5)建立无人船运动目标规划模型；

6)约束所述步骤5)所建立的无人船运动目标规划模型；

7)将所述约束后的模型加入混合整数线性规划器中，由规划器获得规划间隔时间内无人船的期望转向角及无人船的期望速度；

8)将所述期望转向角和所述期望速度输入到航行控制器中，通过所述航行控制器输出所述发动机的转速和舵角，使所述无人船达到期望的航向和航速；

9)检测是否达到目标，如果达到则结束，否则进行下一规划周期，重复所述步骤1-9)，直至达到所述目标，结束所述无人船自动航迹规划；

所述步骤5)中对无人船运动目标规划模型的建模方法，包括以下步骤：

S1：将所述无人船所在位置以点U表示，将一艘所述其余船舶的路径视为一个圆，圆心为O，所述无人船的速度矢量为V_U，一艘所述其余船舶的速度矢量为V_O，所述无人船与一艘所述其余船舶的相对速度为V_UO，V_UO＝V_U-V_O，计算一艘所述其余船舶所形成的障碍半径R，R＝V_U/Δγ_UO，避碰角Δγ_UO为所述相对速度V_UO矢量与L_UO形成的避碰角度，所述L_UO为所述无人船朝着一艘所述其余船舶的圆心O的速度矢量：

S2：建立碰撞区域

S3：计算避碰角Δγ_UO，公式如下：

所述ΔV_UO为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量；所述ρ为碰撞危险度；

S4：计算碰撞时间τ，所述

即当相对速度处于碰撞区时，所述无人船与一艘所述其余船舶O的碰撞时间；

S5：计算碰撞危险度ρ，所述ρ＝(a×DCPA)²+(b×TCPA)²，其中所述a为所述最近会遇距离DCPA的权值，所述b为所述最近会遇时间TCPA的权值；

S6：计算所述无人船避碰所需的规划时间

所述w1为用于所述规划时间T计算的所述碰撞危险度ρ加权系数，所述w₂为用于所述规划时间T计算的所述碰撞时间τ加权系数；

S7：所述无人船按照所述S4步骤计算的碰撞时间点τ和所述S5步骤得到的碰撞危险度ρ得到所述S6步骤的避碰所需的规划时间T；并根据所述S5步骤评估的碰撞危险度ρ，进行所述S3步骤的避碰角Δγ_UO的角度计算，得到所需的避碰角Δγ_UO，按照所需的规划时间T和所需的避碰角Δγ_UO选择行进期望速度和期望方向来进行无人船运动目标规划，最终脱离所述碰撞区域C_UO。

进一步地，所述步骤S1中的障碍半径R等于与其会遇的所述其余船舶的安全距离，所述安全距离取决于所述无人船的在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO和转向率。

进一步地，所述步骤2)中的最近会遇距离DCPA＝|UO|sin(|Δγ_UO|)，其中所述UO为所述无人船与一艘所述其余船舶O的距离。

进一步地，所述步骤2)中的最近会遇时间TCPA＝|UO|cos(|Δγ_UO|/|ΔV_UO|)，其中所述UO为所述无人船与一艘所述其余船舶O的距离，所述ΔV_UO为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量。

进一步地，所述步骤3)中的危险度判断模型为

其中，所述μ_DCPA为基于模糊数学中S型计算得到的最近会遇距离DCPA风险隶属函数，所述μ_TCPA为基于模糊数学中S型计算得到的最近会遇时间TCPA风险隶属函数。

进一步地，所述步骤6)中的对所述无人船运动目标规划模型的约束条件为，对向右侧避碰时向右侧避碰的规避角

进行约束，约束条件如下：

其中

为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO的转置矩阵，所述π为圆周率；所述无人船与所述圆的右侧切线为UM，所述相对速度V_UO与所述UM的夹角为

进一步地，所述步骤6)中的对所述无人船运动目标规划模型的约束条件为，对向左侧避碰时的向左侧避碰的规避角

进行约束，约束条件如下：

其中

为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO的转置矩阵，所述π为圆周率；所述无人船与所述圆的左侧切线为UN，所述相对速度V_UO与所述UN的夹角为

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明提供的方法完全遵循国际海上避碰规则公约，在海上航行时，有清晰明确的会遇避碰规则，大大提高了海上航行的安全性；

2)本发明提供的方法能根据所述无人船和所述其余船舶的运动速度实时进行路径规划，遇到避碰危险情况时，能有效安全地避免碰撞；

3)本发明提供的方法能够使无人船的避碰策略是首先将相对速度增量线性化为避碰角，然后通过避碰角选择方向来脱离碰撞区域，最终实现避碰过程，该方法能够使无人船能够不断建立避碰模型和自学习能力，避碰能力能不断提升。

附图说明

图1为本发明提供的无人船自动航迹规划方法流程图；

图2为本发明提供的无人船运动目标规划模型建模流程图；

图3为本发明提供的无人船及其余船舶于坐标系中的位置图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，无人船会遇障碍物时，因为船体本身具有较大的惯性，所以在极为短的规划时间Δt内，可以将障碍物设为保持匀速运动，即无人船相对运动障碍物的速度改变量等于无人船自身的速度改变量。由此，路径规划的任务即是在每个规划时间间隔搜索出最优的速度矢量增量，使其既能遵守国际海上避碰规则公约从而躲避运动中的障碍物，同时能搜索到达目标的全局最优或次最优(无碰撞)的最佳路径。

如图2所示，为本发明提供的一种无人船自动航迹规划方法，包括以下步骤：

1)通过定位设备获得无人船自身的经纬度和航向，通过AIS接收器获得其余船舶的距离和航向；

2)计算出每艘其余船舶与无人船之间的最近会遇时间TCPA和最近会遇距离DCPA，其中最近会遇距离DCPA＝|UO|sin(|Δγ_UO|)，最近会遇时间TCPA＝|UO|cos(|Δγ_UO|/|ΔV_UO|)，其中将无人船所在位置为点U，将一艘其余船舶的路径视为一个圆，圆心为O，无人船的速度矢量为V_U，一艘其余船舶的速度矢量为V_O，无人船与一艘其余船舶的相对速度为V_UO，V_UO＝V_U-V_O，避碰角Δγ_UO为相对速度矢量V_UO与L_UO形成的避碰角度，UO为无人船与一艘其余船舶的圆心O的距离，ΔV_UO为无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量；

3)建立危险度判断模型，公式为

其中，μ_DCPA为基于模糊数学中S型计算得到的最近会遇距离DCPA风险隶属函数，μ_TCPA为基于模糊数学中S型计算得到的最近会遇时间TCPA风险隶属函数；

通过危险度判断模型判断是否处于危险状态，如果危险则开启下一步避碰行为，否则不实施避碰行为；

4)进行其余船舶与无人船的会遇局面划分及行为决策；

5)建立无人船运动目标规划模型；

6)约束步骤5)所建立的无人船运动目标规划模型；

7)将约束后的模型加入混合整数线性规划器中，由规划器获得规划间隔时间内无人船的期望转向角及无人船的期望速度；

8)将期望转向角和期望速度输入到航行控制器中，通过航行控制器输出发动机的转速和舵角，使无人船达到期望的航向和航速；

9)检测是否达到目标，如果达到则结束，否则进行下一规划周期，重复步骤1-9)，直至达到目标，结束无人船自动航迹规划。

其中，步骤5)中对无人船运动目标规划模型的建模方法，包括以下步骤：

S1：计算一艘其余船舶所形成的障碍半径R，R＝V_U/Δγ_UO，避碰角Δγ_UO为相对速度V_UO矢量与L_UO形成的避碰角度，L_UO为无人船朝着一艘其余船舶的圆心O的速度矢量：障碍半径R等于与其会遇的其余船舶的安全距离，安全距离取决于无人船的在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO和转向率；

S2：建立碰撞区域

即碰撞区域C_UO为有会导致无人船与其余船舶碰撞的相对速度V_UO的集合；

S3：计算避碰角Δγ_UO，公式如下：

ΔV_UO为无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量；ρ为碰撞危险度；

即避碰角Δγ_UO为在规划时间内，相对速度夹角的改变量；本发明提供的避碰策略是首先将相对速度增量线性化ΔV_UO为避碰角Δγ_UO，然后通过避碰角选择方向来脱离碰撞区域，最终实现避碰过程；

S4：计算碰撞时间τ，

即当相对速度处于碰撞区时，无人船与一艘其余船舶O的碰撞时间；

S5：计算碰撞危险度ρ，ρ＝(a×DCPA)²+(b×TCPA)²，其中a为最近会遇距离DCPA的权值，b为最近会遇时间TCPA的权值；

S6：计算无人船避碰所需的规划时间

w1为用于所述规划时间T计算的碰撞危险度ρ加权系数，w₂为用于规划时间T计算的碰撞时间τ加权系数；

通过S6步骤得到无人船避碰所需的规划时间T与通过S5步骤计算得到碰撞危险度ρ成正比，与S4步骤得到的碰撞时间τ成反比，因为无人船受到本体运动性能约束，其转角加速度和纵向加速度受到限制，所以碰撞危险度ρ越大，碰撞时间τ越短，所需的规划时间T就越短，否则无法及时进行航速和方向的规划；

S7：无人船按照S4步骤计算的碰撞时间点τ和S5步骤得到的碰撞危险度ρ得到S6步骤的避碰所需的规划时间T；并根据S5步骤评估的碰撞危险度ρ，进行S3步骤的避碰角Δγ_UO的角度计算，得到所需的避碰角Δγ_UO，按照所需的规划时间T和所需的避碰角Δγ_UO选择行进期望速度和期望方向来进行无人船运动目标规划，最终脱离碰撞区域C_UO。

从上述避障法的原理可以看出，要使无人船不与障碍物发生碰撞，其相对速度V_UO必须产生一个转角，使其脱离碰撞区。从图3可以看出它有2个方向可以选择，当向左转时，即使相对速度产生

的转动，向右转时，使相对速度

产生的转动。

本实施例提供过的无人船自动航迹规划方法的步骤6)中对无人船运动目标规划模型的约束条件为，对向右侧避碰时的避碰角Δγ_UO进行约束，即对向右侧避碰的规避角

进行约束，约束条件如下：

其中

为无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO的转置矩阵，π为圆周率，无人船U与圆的右侧切线为UM，相对速度V_UO与UM的夹角为

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于，本实施例提供的无人船自动航迹规划方法的步骤6)中的对无人船运动目标规划模型的约束条件为，对向左侧避碰时的避碰角Δγ_UO进行约束，即对向左侧避碰的规避角

进行约束，约束条件如下：

其中

为无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO的转置矩阵，π为圆周率，π为圆周率；无人船U与圆的左侧切线为UN，相对速度V_UO与UN的夹角为

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例。本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无人船自动航迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过定位设备获得无人船自身的经纬度和航向，通过AIS接收器获得其余船舶的距离和航向；

2)计算出每艘所述其余船舶与所述无人船之间的最近会遇时间TCPA和最近会遇距离DCPA；

3)建立危险度判断模型，通过所述危险度判断模型判断是否处于危险状态，如果危险则开启下一步避碰行为，否则不实施避碰行为；

4)进行所述其余船舶与所述无人船的会遇局面划分及行为决策；

5)建立无人船运动目标规划模型；

6)约束所述步骤5)所建立的无人船运动目标规划模型；

7)将所述约束后的模型加入混合整数线性规划器中，由混合整数线性规划器获得规划间隔时间内无人船的期望转向角及无人船的期望速度；

8)将所述期望转向角和所述期望速度输入到航行控制器中，通过所述航行控制器输出发动机的转速和舵角，使无人船达到期望的航向和航速；

9)检测是否达到目标，如果达到则结束，否则进行下一规划周期，重复所述步骤1-9)，直至达到所述目标，结束所述无人船自动航迹规划；

所述步骤5)中对无人船运动目标规划模型的建模方法，包括以下步骤：

S1：将所述无人船所在位置以点U表示，将一艘所述其余船舶的路径视为一个圆，圆心为O，所述无人船的速度矢量为V_U，一艘所述其余船舶的速度矢量为V_O，所述无人船与一艘所述其余船舶的相对速度为V_UO，V_UO＝V_U-V_O，计算一艘所述其余船舶所形成的障碍半径R，R＝V_U/Δγ_UO，避碰角Δγ_UO为所述相对速度V_UO矢量与L_UO形成的避碰角度，所述L_UO为所述无人船朝着一艘所述其余船舶的圆心O的速度矢量：

S2：建立碰撞区域

S3：计算避碰角Δγ_UO，公式如下：

所述ΔV_UO为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量；所述ρ为碰撞危险度；

S4：计算碰撞时间τ，所述

即当相对速度处于碰撞区时，所述无人船与一艘所述其余船舶O的碰撞时间；

S5：计算碰撞危险度ρ，所述ρ＝(a×DCPA)²+(b×TCPA)²，其中所述a为所述最近会遇距离DCPA的权值，所述b为所述最近会遇时间TCPA的权值；

S6：计算所述无人船避碰所需的规划时间

S7：所述无人船按照所述S4步骤计算的碰撞时间点τ和所述S5步骤得到的碰撞危险度ρ得到所述S6步骤的避碰所需的规划时间T；并根据所述S5步骤评估的碰撞危险度ρ，进行所述S3步骤的避碰角Δγ_UO的角度计算，得到所需的避碰角Δγ_UO，按照所需的规划时间T和所需的避碰角Δγ_UO选择行进期望速度和期望方向来进行无人船运动目标规划，最终脱离所述碰撞区域C_UO。

2.根据权利要求1所述的一种无人船自动航迹规划方法，其特征在于，所述步骤S1中的障碍半径R等于与其会遇的所述其余船舶的安全距离，所述安全距离取决于所述无人船的在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO和转向率。

3.根据权利要求1所述的一种无人船自动航迹规划方法，其特征在于，所述步骤2)中的最近会遇距离DCPA＝|UO|sin(|Δγ_UO|)，其中所述UO为所述无人船与一艘所述其余船舶的距离。

4.根据权利要求1所述的一种无人船自动航迹规划方法，其特征在于，所述步骤2)中的最近会遇时间TCPA＝|UO|cos(|Δγ_UO|/|ΔV_UO|)，其中所述UO为所述无人船与一艘所述其余船舶的距离，所述ΔV_UO为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量。

5.根据权利要求1所述的一种无人船自动航迹规划方法，其特征在于，所述步骤3)中的危险度判断模型为

其中，所述μ_DCPA为基于模糊数学中S型计算得到的最近会遇距离DCPA风险隶属函数，所述μ_TCPA为基于模糊数学中S型计算得到的最近会遇时间TCPA风险隶属函数。

6.根据权利要求1所述的一种无人船自动航迹规划方法，其特征在于，所述步骤6)中的对所述无人船运动目标规划模型的约束条件为，对向右侧避碰时向右侧避碰的规避角

进行约束，约束条件如下：

其中

为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO的转置矩阵，所述π为圆周率；所述无人船与所述圆的右侧切线为UM，所述相对速度V_UO与所述UM的夹角为

7.根据权利要求1所述的一种无人船自动航迹规划方法，其特征在于，所述步骤6)中的对所述无人船运动目标规划模型的约束条件为，对向左侧避碰时的向左侧避碰的规避角

进行约束，约束条件如下：

其中

为所述无人船在避碰所需的规划时间T内的相对速度增量ΔV_UO的转置矩阵，所述π为圆周率；所述无人船与所述圆的左侧切线为UN，所述相对速度V_UO与所述UN的夹角为

Images