CN111679674A - 一种无人艇灵活会遇规避方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人艇自动航行技术领域，具体涉及一种无人艇灵活会遇规避方法。本发明旨在解决开阔水域中两船的节能避让问题，通过传感器获取周围的海流情况和他船的位置情况，综合解算出一条安全，且能耗较小的路径用于无人艇规避动态危险障碍物，从而提高无人艇的续航力。

Description

一种无人艇灵活会遇规避方法
技术领域
本发明属于无人艇自动航行技术领域，具体涉及一种无人艇灵活会遇规避方法。
背景技术
无人艇相对常规船舶体积小巧，能承担海洋监测、海上巡逻等多种任务。但也由于其体积的制约，不能携带充足的能源来支持自己航行。在海洋中由于海水温度、盐度分布的不均匀而产生的海水密度和压力梯度，或由于海面上风的作用等原因产生的海水大规模的方向基本稳定的流动，进而会产生巨大能量。据估计全球海流能高达5TW。人类在古代就利用海流漂航，18世纪时，美国政治家兼科学家富兰克林曾绘制了一幅墨西哥湾流图。该图特别详细地标绘了北大西洋海流的流速流向，供来往于北美和西欧的帆船使用，大大缩短了横渡北大西洋的时间。在东方，相传二战时，日本人曾利用黑潮从中国、朝鲜以木筏向本土漂送粮食。现代人造卫星遥感技术可以随时测定各海区的海流数据，为大洋上的轮船提供最佳航线导航服务。
船舶碰撞事故是对海上安全航行的最大威胁，在《规则》诞生之前，据有关部门不完全统计世界上83％的船舶碰撞事故是由于双方驾驶员在船舶会遇时，避碰动作不协调造成的。1972年10月，IMO在伦敦召开修订1960年规则的大会，签署了《1972年国际海上避碰规则公约》，将避碰规则作为该公约的附件。从此《规则》成为了确保船舶航行安全，预防和减少船舶碰撞，规定在公海和连接于公海的一切通航水域共同遵守的海上交通规则。规则中的“船舶”的定义为“指用作或者能够用作水上运输工具的各类水上船筏，包括非排水船筏、地效翼船和水上飞机”。因此，无人艇是适用于该规则的，并且有义务像有人船舶一样执行适当而有效的避碰手段，并且符合海员通常做法，不给驾驶员带来迷惑性的行为。
Abu-Tair(2013)在《A Decision Support Framework for Collision Avoidanceof Unmanned Maritime Vehicles》为无人艇设计了一种实用的障碍物检测与避障方案，此方法注重了避碰规则，对无人艇进行动态避障时依据规则提出建议，但对于规则没有指定的避碰方式只是主观性的给出了建议，不具备灵活性。
Andreas(2015)在《Energy-Optimal Motion Planning for Multiple RoboticVehicles With Collision Avoidance》提出了机器人避碰在能量优化方面的方法，但仅仅是通过约束生成无碰撞的直线，减少机器人实际航程，只是距离上的最短没有考虑实际环境的影响。
Niu(2020)在《Energy efficient path planning for Unmanned SurfaceVehicle in spatially-temporally variant environment》提出考虑时空变化环境中的无人艇路径规划方法，但利用的海流信息是预报信息，缺乏无人艇所处环境的真实性，且时间离散程度大，间隔一个小时的时空变化并不适用于紧迫的局部动态场景，也并未提及对《规则》约束。
贾知浩(2019)在《动态拥挤环境中无人艇自主靠泊方法》中综合考虑了无人艇在环境中的影响，尤其是海流对无人艇运动规划的影响，但在局部的动态危险规避中并没有考虑海流能对无人艇的影响。
房媛媛(2019)在《水面无人艇的避碰决策设计》中，提出了无人艇避碰决策模型，但模型依旧是对本艇和其他船舶的位置约束，并未考虑海流，以及对规则的灵活运用。
Pradeep Rajendran在《Wave-Aware Trajectory Planning for UnmannedSurface Vehicles Operating in Congested Environments》中考虑了在避碰过程中他船兴波对本船航行的安全性，但未利用此能量进行危险规避。
以上方法，有的忽略了无人艇在局部动态规划时周围环境所带来的能量约束，有的虽然考虑了大型船舶对周围环境的扰动，例如：兴波，但是未能有效的利用此能量；有的没有灵活理解《规则》在第二章(驾驶和航行规则)的规范要求，只是主观的将一种避碰方法加到避碰模型中去，缺少避碰行为的灵活性和环境适应性。
发明内容
本发明的目的在于解决开阔水域中两船的节能避让问题，通过传感器获取周围的海流情况和他船的位置情况，综合解算出一条安全，且能耗较小的路径用于无人艇规避动态危险障碍物，从而提高无人艇的续航力的一种无人艇灵活会遇规避方法。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：
步骤1：构建避让行动时机图；
以无人艇中心O为原点，无人艇当前运动方向为纵轴，垂直于无人艇当前运动方向的轴为横轴，建立坐标系；所述的避让行动时机图中各边界点的坐标为：A(-5l，0)；B(-20l，10l)；C(-20l，30l)；D(-5l，30l)；E(-5l，50l)；F(0，50l)；G(5l，50l)；H(5l，45l)；I(-5l，10l)；J(50l，0)；
Figure BDA0002545285640000021
L(0，5l)；M(5l，0)；
Figure BDA0002545285640000022
P(0，-5l)；O(0，0)其中，l为无人艇的艇长；点A、L、M、N和P均为以点O为圆心，5l为半径的圆上的点；点H与点J之间为以M点为圆心，45l为半径的圆弧；点J与点K之间为以O点为圆心，50l为半径的圆弧；点A、I、B、C、D、E、F、G和H之间通过直线依次连接；点L与点F之间通过直线连接；
步骤2：获取无人艇周围的海流情况和障碍物的位置信息；
步骤3：根据障碍物在避让行动时机图中的位置，判断采取何种避让行动；
若障碍物与无人艇的距离小于5l，则无人艇采取紧急避碰模式；若障碍物处于由边界点L、A、P围绕的半圆区域内，则无人艇采取向右转向90°的紧急避碰行动，直至障碍物驶出此区域后执行步骤4；若障碍物处于由边界点L、M、N、P围绕的半圆区域内，则无人艇采取向左转向90°的紧急避碰行动，直至障碍物驶出此区域后执行步骤4；
若障碍物处于由边界点L、A、I、B、C、D、E、F围绕的区域内，或障碍物处于由边界点M、J、K、N围绕的区域内，则无人艇向左转向使运动方向指向障碍物船尾，直至运动到障碍物处于无人艇正横位置后执行步骤4；
若障碍物处于由边界点L、F、G、H、J、M围绕的区域内，则无人艇向右转向使运动方向指向障碍物船尾，直至运动到障碍物处于无人艇正横位置后执行步骤4；
步骤4：根据海流情况判断无人艇的遇流态势，并根据遇流态势在可航范围库中选择最优的回航角β执行回航运动；
UC-Area∈[L45°，R45°]
RC-Area∈[R45°，R135°]
DC-Area∈(R135°，L135°)
LC-Area∈(L135°，L45°)
其中，L45°表示从船艏逆时针旋转45度方向；L135°表示从船艏逆时针旋转135度方向；R45°表示从船艏顺时针旋转45度方向；R135°表示从船艏顺时针旋转135度方向；
当无人艇遭遇UC-Area海流时，判定无人艇处于U型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足
Figure BDA0002545285640000031
取最小值时对应的回航角β执行回航运动；其中，α为无人艇当前运动方向相对于初始运动方向的偏航角；SOC为海流速度；k1为顺流推进系数，表示无人艇在顺流前进情况下海流的作用程度；k2为顶流阻尼系数，表示无人艇在顶流前进情况下海流的作用程度；所述的可航范围库由360/n个角度组成，相邻的两个角度的差值相同，n为精度；
当无人艇遭遇DC-Area海流时，判定无人艇处于D型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足
Figure BDA0002545285640000032
取最小值时对应的回航角β执行回航运动；
当无人艇遭遇RC-Area或LC-Area海流时，判定无人艇处于W型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足|β-(χw+α)|取最小值时对应的回航角β执行回航运动；其中，
Figure BDA0002545285640000041
为障碍物的兴波角，即障碍物兴波方向相对于无人艇航向的角度。
本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种无人艇灵活会遇规避方法，旨在解决开阔水域中两船的节能避让问题，通过传感器获取周围的海流情况和他船的位置情况，综合解算出一条安全，且能耗较小的路径用于无人艇规避动态危险障碍物，从而提高无人艇的续航力。
附图说明
图1是一种无人艇灵活会遇规避方法的流程图。
图2是海洋流场情况的模糊定义图。
图3是无人艇用避碰耗能建模原理图。
图4是UTW(Using target wave)回航方式示意图。
图5是避让行动时机图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明提供了一种无人艇灵活会遇规避方法，旨在解决开阔水域中两船的节能避让问题。无人艇作为《COLREGs》约束的一种机动船，相对于大型船舶体积小巧，能承担海洋监测、海上巡逻等多种任务。但也由于其体积的制约，不能携带充足的能源来支持自己航行。本发明通过感知周围海流环境，能即时分配给无人艇一条安全、低能耗的航线方案。
一种无人艇灵活会遇规避方法，包括以下步骤：
步骤1：构建避让行动时机图；
以无人艇中心O为原点，无人艇当前运动方向为纵轴，垂直于无人艇当前运动方向的轴为横轴，建立坐标系；所述的避让行动时机图中各边界点的坐标为：A(-5l，0)；B(-20l，10l)；C(-20l，30l)；D(-5l，30l)；E(-5l，50l)；F(0，50l)；G(5l，50l)；H(5l，45l)；I(-5l，10l)；J(50l，0)；
Figure BDA0002545285640000042
L(0，5l)；M(5l，0)；
Figure BDA0002545285640000043
P(0，-5l)；O(0，0)其中，l为无人艇的艇长；点A、L、M、N和P均为以点O为圆心，5l为半径的圆上的点；点H与点J之间为以M点为圆心，45l为半径的圆弧；点J与点K之间为以O点为圆心，50l为半径的圆弧；点A、I、B、C、D、E、F、G和H之间通过直线依次连接；点L与点F之间通过直线连接；
步骤2：获取无人艇周围的海流情况和障碍物的位置信息；
步骤3：根据障碍物在避让行动时机图中的位置，判断采取何种避让行动；
若障碍物与无人艇的距离小于5l，则无人艇采取紧急避碰模式；若障碍物处于由边界点L、A、P围绕的半圆区域内，则无人艇采取向右转向90°的紧急避碰行动，直至障碍物驶出此区域后执行步骤4；若障碍物处于由边界点L、M、N、P围绕的半圆区域内，则无人艇采取向左转向90°的紧急避碰行动，直至障碍物驶出此区域后执行步骤4；
若障碍物处于由边界点L、A、I、B、C、D、E、F围绕的区域内，或障碍物处于由边界点M、J、K、N围绕的区域内，则无人艇向左转向使运动方向指向障碍物船尾，直至运动到障碍物处于无人艇正横位置后执行步骤4；
若障碍物处于由边界点L、F、G、H、J、M围绕的区域内，则无人艇向右转向使运动方向指向障碍物船尾，直至运动到障碍物处于无人艇正横位置后执行步骤4；
步骤4：根据海流情况判断无人艇的遇流态势，并根据遇流态势在可航范围库中选择最优的回航角β执行回航运动；
UC-Area∈[L45°，R45°]
RC-Area∈[R45°，R135°]
DC-Area∈(R135°，L135°)
LC-Area∈(L135°，L45°)
其中，L45°表示从船艏逆时针旋转45度方向；L135°表示从船艏逆时针旋转135度方向；R45°表示从船艏顺时针旋转45度方向；R135°表示从船艏顺时针旋转135度方向；
当无人艇遭遇UC-Area海流时，判定无人艇处于U型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足
Figure BDA0002545285640000051
取最小值时对应的回航角β执行回航运动；其中，α为无人艇当前运动方向相对于初始运动方向的偏航角；SOC为海流速度；k1为顺流推进系数，表示无人艇在顺流前进情况下海流的作用程度；k2为顶流阻尼系数，表示无人艇在顶流前进情况下海流的作用程度；所述的可航范围库由360/n个角度组成，相邻的两个角度的差值相同，n为精度；
当无人艇遭遇DC-Area海流时，判定无人艇处于D型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足
Figure BDA0002545285640000052
取最小值时对应的回航角β执行回航运动；
当无人艇遭遇RC-Area或LC-Area海流时，判定无人艇处于W型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足|β-(χw+α)|取最小值时对应的回航角β执行回航运动；其中，
Figure BDA0002545285640000061
为障碍物的兴波角，即障碍物兴波方向相对于无人艇航向的角度。
无人艇灵活会遇规避方法的流程图如图1所示，它是一种节能动态危险规避方法；无人艇通过传感器获取周围的流场分布情况、本船的位置和他船的位置，综合以上信息判断会遇态势，根据图5避让行动时机图决定开始采取行动的时机和避让方向(左转还是右转)；根据无人艇会遇态势和相对于海流的方向决定避让行为(U行为、N行为、W行为)并选取最优的偏航角和回航角。
无人艇周围的海洋流场被模糊化成四个区域；其中模糊的海洋流场以本船无人艇为中心，以船艏向上为正方向，海流被模糊定义了四个区域，其中L45°表示从船艏逆时针旋转45度位置，L135°表示从船艏逆时针旋转135度位置，R45°表示从船艏顺时针旋转45度位置，R135°表示从船艏顺时针旋转135度位置：
UC-Area∈[L45°，R45°]
RC-Area∈[R45°，R135°]
DC-Area∈(R135°，L135°)
LC-Area∈(L135°，L45°)
当无人艇遭遇UC-Area海流时，即遭遇顶流；遭遇DC-Area海流时，即遭遇顺流；遭遇RC-Area或LC-Area时，即遭遇横流。
本发明的无人艇用避碰耗能建模原理如图3，AC为无人艇的计划航线，他船处在AC上，AD为避让他船的偏航航线，DC为回到原航线的回航航线，在避让过程中无人艇选取合适的节能动态危险规避偏航角α从A点航行至D点，选取合适的节能动态危险规避回航角β再航行至C点，达到AD段加上DC段能量消耗最少的目的；其中AB线段被定义成标准单位偏航路程消耗，称之为CSP1；BC线段被定义成标准单位回航路程消耗，称之为CSP2；将k1定义为顺流推进系数，它表示无人艇在顺流前进情况下海流的作用程度；k2定义为顶流阻尼系数，它表示无人艇在顶流前进情况下海流的作用程度；SOC为海流速度。
顺流偏航的情况下，偏航能量消耗是
Figure BDA0002545285640000062
Figure BDA0002545285640000063
顶流回航的情况下，偏航的能量消耗是
Figure BDA0002545285640000064
Figure BDA0002545285640000065
将α和β每隔至少5度组成的所有偏航角和回航角的不同组合构建成可航范围库。
当无人艇遭遇DC-Area海流，即D型遇流态势，将无人艇顺流的偏航行为称为U行为，其中U行为的节能动态危险规避偏航角α和回航角β应满足以下公式：
Figure BDA0002545285640000071
β-α>α
或：
Figure BDA0002545285640000072
β-α>α
当无人艇遭遇UC-Area海流，即U型遇流态势，将无人艇顶流的偏航行为称为N行为，其中N行为的节能动态危险规避偏航角α和回航角β应满足以下公式：
Figure BDA0002545285640000073
β-α<α
或：
Figure BDA0002545285640000074
β-α<α
当无人艇遭遇RC-Area或LC-Area海流时，即W型遇流态势，将采用UTW回航方式，UTW(Using target wave)是利用他船兴波进行动态危险规避回航的方式；在进行UTW回航方式时，节能动态危险规避公式应满足以下约束：
χw+α＝β
其中
Figure BDA0002545285640000075
是他船兴波角，它表示他船兴波方向相对于无人艇初始航向的角度。
图1是无人艇灵活会遇规避方法的流程图。①使用海流传感器感知无人艇周围的海流情况；②使用雷达或者视觉传感器标定其他船舶的位置；③根据本船无人艇和他船的位置关系综合避让行动时机图判断会遇态势并确定开始采取行动的时机和避让方向(左转还是右转)；④根据会遇态势和海流情况采取合适的节能避让行为(U行为、N行为、W行为)计算偏航角α和回航角β的大小；⑤执行动态危险规避动作；⑥不断从步骤①循环执行，保持无人艇安全、低能耗的航行。将无人艇顺流的偏航行为称为U行为，将无人艇顶流的偏航行为称为N行为；当无人艇遭遇横流无法利用海流节省能量，需要利用他船兴波进行避让的行为称为W行为；当无人艇开始执行动态危险规避动作时与原航向所转过的角度称之为偏航角α；当无人艇完成动态危险规避动作开始回到任务航线时与原航向所转过的角度称之为回航角β。
图2是海洋流场情况的模糊定义图。由于传感器精度和海流场复杂多变的缘故，对于海流的定义不宜过于精确。以本船无人艇为中心，以船艏向上为正方向，我们将海流模糊定义了如图所示的四个区域，其中L45°表示从船艏逆时针旋转45度位置，L135°表示从船艏逆时针旋转135度位置，R45°表示从船艏顺时针旋转45度位置，R135°表示从船艏顺时针旋转135度位置：
UC-Area∈[L45°，R45°]
RC-Area∈[R45°，R135°]
DC-Area∈(R135°，L135°)
LC-Area∈(L135°，L45°)
当无人艇遭遇UC-Area海流时，即可理解成遭遇了顶流；同理遭遇DC-Area海流时，即可理解成遭遇了顺流；遭遇RC-Area或LC-Area时，即可理解成遭遇了横流。
图3是无人艇用避碰耗能建模原理图。AC为无人艇的任务航线，当他船出现在B区域附近时，无人艇要采取危险规避行动。假设无人艇采取右转规避动作，并且遭遇LC-Area海流，先右转α，航行至D区域处，再左转β，进而回到原航线完成动态危险规避全过程。偏航角α和回航角β的取值不同，动态危险规避过程中消耗的能量也不尽相同，此发明目的是寻找出耗能最少的路线。AB线段被定义成标准单位偏航路程消耗，称之为CSP1；BC线段被定义成标准单位回航路程消耗，称之为CSP2。将k1定义为顺流推进系数，它表示无人艇在顺流前进情况下海流的作用程度；k2定义为顶流阻尼系数，它表示无人艇在顶流前进情况下海流的作用程度；SOC为海流速度。因此，可以得到在顺流偏航的情况下，偏航能量消耗是
Figure BDA0002545285640000081
Figure BDA0002545285640000082
顶流回航的能量消耗是
Figure BDA0002545285640000083
Figure BDA0002545285640000084
为满足公式的计算快速性和可执行性，我们将α和β每隔至少5度组成的所有偏航角和回航角的不同组合构建成可航范围库。在所有的组合中，找到能满足以下公式即可；
Figure BDA0002545285640000091
若不能满足上述公式，则可采取能满足以下公式即可；
Figure BDA0002545285640000092
对于顶流偏航的情况，则需要满足以下公式；
Figure BDA0002545285640000093
若不能满足上述公式，则可采取能满足以下公式即可；
Figure BDA0002545285640000094
并且，我们将顺流的偏航行为称为U行为，将顶流的偏航行为成为N行为；α按无人艇偏航后指向他船船尾的方向，《规则》和航海驾驶员习惯指出让路船应避免穿越他船船头，因此采取此方案是安全可靠的。α通过上述方法已知，根据约束即可求得最优的β。
图4是UTW(Using target wave)回航方式示意图，是利用他船兴波进行危险规避回航的方式。当无人艇采取W行为时，需要用到这种方法。图中，大三角形为他船；箭头为所在区域的兴波方向。当本船无人艇遇到非常大的船舶或者高速移动的船舶时，无人艇会明显受到其他船舶的兴波影响，由于无人艇体积小巧，我们可以在回航过程中利用兴波产生的推力来帮助无人艇快速回航，进而节省无人艇的耗能。在进行UTW回航方式时，节能动态危险规避公式应满足以下约束：
χw+α＝β
其中
Figure BDA0002545285640000095
是他船兴波角，它表示他船兴波方向相对于无人艇初始航向的角度；α按无人艇偏航后指向他船船尾的方向。
图5是是避让行动时机图。根据《规则》第二章第十三条追越条款可知，任何船舶在追越任何他船时，均应给被追越船让路，由此可见，当无人艇追越其他船舶时，应该采取左转或者右转来避让前方的船舶；当无人艇被其它船舶追越时，应该保持航向航速，即不采取避让措施。根据《规则》第二章第十四条对遇条款，当两艘机动船在相反的或接近相反的航向上相遇致有构成碰撞危险时，各应向右转向，从而各从他船的左舷驶过，说明在对遇局面中，无人艇必须采取避让行动。根据《规则》第二章第十五条交叉相遇条款，当两艘机动船交叉相遇致有构成碰撞危险时，有他船在本船右舷的船舶应给他船让路，说明无人艇只需避让右侧方的来船，左侧来船要保持原航行状态。通过上述三种情况可知，当他船在我船前方，无论是他船与无人艇对遇还是无人艇追越他船，无人艇都应采取避让行动，同样还应采取避让行动的是当他船在我船右侧成交叉相遇态势。当他船在无人艇后方和左侧成交叉相遇态势时，无人艇不应采取避让行动。《规则》第二条第二款指出在解释和遵行本规则条款时，应充分考虑一切航行和碰撞的危险以及包括当事船舶条件限制在内的任何特殊情况，这些危险和特殊情况可能需要背离规则条款以避免紧迫危险，说明即使《规则》规定了一些场景的避让动作，但是一些危险和特殊情况需要背离规则条款来保证无人艇的航行安全。比如：无人艇根据《规则》应该保持原航行状态，但是会遇船舶由于各种原因没能及时的采取有效的避让行动，无人艇应积极的采取避让行动。又或者当无人艇与他船成对遇局面时，他船在我船的右前方，根据《规则》两船应该互相向右转向，但如果这样做，两船会越来越近反而增加了两船的碰撞危险，因此无人艇应向左转向，这是在特殊情况下的背离规则。综合《规则》要求和船舶会遇间的位置特点，设计了避让行动时机图。其中，圆O是以本船无人艇为中心，5倍无人艇艇长为半径的圆；A点是圆O的切线，AI的长度是10倍无人艇艇长；BI与AI垂直，BI长度为15倍无人艇艇长；BC与BI垂直，BC长度为20倍无人艇艇长；CD与CB垂直，CD长度为15倍无人艇艇长；DE与DC垂直，DE长度为20倍无人艇艇长；EF与ED垂直，EF长度为5倍船长；FL与ED垂直，与圆O交于L点；FG与FL垂直，FG长度为5倍无人艇艇长；GM与GF垂直且与圆O切于M点，HM长度为45倍无人艇艇长；以M点为圆心，MJ为半径，逆时针旋转90度得到圆弧，交于MG上的H点，其中MJ的长度为45倍无人艇艇长；以O点为圆心，OJ为半径，顺时针旋转45度得到圆弧JK，连接OK交圆O与N点，其中MJ和NK的长度为45倍无人艇艇长；LP垂直AM且平分圆O。
在避让行动时机图中，不仅给出了避让时机也给出了转向的决策。其中圆O为紧急避让区域，一般情况，他船不会进入此区域，除非无人艇作为直航船，遵守《规则》没有采取避让行动，他船由于失误也没有采取合理的避让行动，这时随着时间推移，他船落入紧急避让区，此时非常危险，无人艇应迅速采取行动，他船落在LPA区域(含LP)采取向右转向；落在LMP区域采取向左转向，使两船的航向差达到90度，直至他船驶出此区域。当他船落在由AIBCDEFL所围区域和MJKN所围区域，无人艇应采取向左转向，此区域被称为左转避让行动区域；当他船落在由LFGHJM所围区域，无人艇应采取向右转向，此区域被称为右转避让行动区域。AIBCDEFL、MJKN和LFGHJM统称为避让行动区域。
以他船驶过左转避让行动区域，无人艇遭遇DC-Area区域海流为例，说明本方法过程。当他船未进入避让行动区域时，本船无人艇沿计划航线航行；当他船驶入避让行动区域时，此时为规避的开始时刻，需要判断他船在左转避让行动区域还是在右转避让行动区域，确定他船在左转避让行动区域，即可确定避让方向为左转，此时需要根据无人艇遭遇的海流方向确定节能避让行为，DC-Area区域海流为顺流，无人艇应采取U行为，然后在可航范围库内找到一个能满足公式(1),若不能满足(1)则选取公式(2)且要满足约束β-α>α的组合。无人艇航向向左偏转α度，当无人艇驶到他船正横处，无人艇向右偏转β度，直至他船驶出避让行动区域。若他船驶入紧急避让区域LAP，无人艇采取向右转向，使两船的航向差达到90度，直至他船驶出此区域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无人艇灵活会遇规避方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建避让行动时机图；
以无人艇中心O为原点，无人艇当前运动方向为纵轴，垂直于无人艇当前运动方向的轴为横轴，建立坐标系；所述的避让行动时机图中各边界点的坐标为：A(-5l，0)；B(-20l，10l)；C(-20l，30l)；D(-5l，30l)；E(-5l，50l)；F(0，50l)；G(5l，50l)；H(5l，45l)；I(-5l，10l)；J(50l，0)；
Figure FDA0002545285630000011
L(0，5l)；M(5l，0)；
Figure FDA0002545285630000012
P(0，-5l)；O(0，0)其中，l为无人艇的艇长；点A、L、M、N和P均为以点O为圆心，5l为半径的圆上的点；点H与点J之间为以M点为圆心，45l为半径的圆弧；点J与点K之间为以O点为圆心，50l为半径的圆弧；点A、I、B、C、D、E、F、G和H之间通过直线依次连接；点L与点F之间通过直线连接；
步骤2：获取无人艇周围的海流情况和障碍物的位置信息；
步骤3：根据障碍物在避让行动时机图中的位置，判断采取何种避让行动；
若障碍物与无人艇的距离小于5l，则无人艇采取紧急避碰模式；若障碍物处于由边界点L、A、P围绕的半圆区域内，则无人艇采取向右转向90°的紧急避碰行动，直至障碍物驶出此区域后执行步骤4；若障碍物处于由边界点L、M、N、P围绕的半圆区域内，则无人艇采取向左转向90°的紧急避碰行动，直至障碍物驶出此区域后执行步骤4；
若障碍物处于由边界点L、A、I、B、C、D、E、F围绕的区域内，或障碍物处于由边界点M、J、K、N围绕的区域内，则无人艇向左转向使运动方向指向障碍物船尾，直至运动到障碍物处于无人艇正横位置后执行步骤4；
若障碍物处于由边界点L、F、G、H、J、M围绕的区域内，则无人艇向右转向使运动方向指向障碍物船尾，直至运动到障碍物处于无人艇正横位置后执行步骤4；
步骤4：根据海流情况判断无人艇的遇流态势，并根据遇流态势在可航范围库中选择最优的回航角β执行回航运动；
UC-Area∈[L45°，R45°]
RC-Area∈[R45°，R135°]
DC-Area∈(R135°，L135°)
LC-Area∈(L135°，L45°)
其中，L45°表示从船艏逆时针旋转45度方向；L135°表示从船艏逆时针旋转135度方向；R45°表示从船艏顺时针旋转45度方向；R135°表示从船艏顺时针旋转135度方向；
当无人艇遭遇UC-Area海流时，判定无人艇处于U型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足
Figure FDA0002545285630000021
取最小值时对应的回航角β执行回航运动；其中，α为无人艇当前运动方向相对于初始运动方向的偏航角；SOC为海流速度；k1为顺流推进系数，表示无人艇在顺流前进情况下海流的作用程度；k2为顶流阻尼系数，表示无人艇在顶流前进情况下海流的作用程度；所述的可航范围库由360/n个角度组成，相邻的两个角度的差值相同，n为精度；
当无人艇遭遇DC-Area海流时，判定无人艇处于D型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足
Figure FDA0002545285630000022
取最小值时对应的回航角β执行回航运动；
当无人艇遭遇RC-Area或LC-Area海流时，判定无人艇处于W型遇流态势；此时无人艇从可航范围库中选择满足|β-(χw+α)|取最小值时对应的回航角β执行回航运动；其中，
Figure FDA0002545285630000023
为障碍物的兴波角，即障碍物兴波方向相对于无人艇航向的角度。
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