CN112462766B - 一种用于无人船自主避障的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无人船智能控制技术领域，公开了一种无人船自主避障方法；首选避障系统初始化，以无人船为圆心，以可视半径R为半径作圆，交直线AB于两点P和P1，距目标B点较近点P为实时目标点，无人船实时位置O与实时目标点P的连线方向为实时目标航向角Ψr；无人船实时航向Ψ可通过导航模块获取；检测是否存在障碍物的方位角α、距离ε和速度V；将数据送入方位权函数、距离权函数和速度权函数，得到对应的权值权值与最大角度改变量相乘，得到避障角度
Figure DDA0002792394550000011
通过驱动电机和舵机系统控制无人船驶离障碍物；本发明的有益效果为：无人船能够合理安全地驶离障碍物并快速回到目标航线，脱离危险后会更快复航，避障轨迹平滑，并且适合多目标障碍物的避障。

Description

一种用于无人船自主避障的装置及方法
技术领域
本发明属于无人船智能控制技术领域，具体涉及一种无人船自主避障方法。
背景技术
无人船作为一种能够自主航行的水面运动平台，在环保检测、水产养殖、科研勘测乃至军事领域具有广泛的应用前景。无人船在航行中，不可避免的会遇到岸堤、礁石、桥墩、大型货船等障碍物，需要能够自主躲避水面上的障碍物。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无人船自主避障方法，该方法通过航线起始点计算得到目标航向，通过雷达测得障碍物的方位、距离和速度数据，加以权重处理后与目标航向结合，通过控制系统调整无人船躲避障碍物，快速回到目标航线。
本发明所采用的具体技术方案如下：
步骤1：避障系统初始化，设A点为航迹起点，B点为指定路径上的航迹点，O点为无人船实时位置；以无人船为圆心，以可视半径R为半径作圆，交直线AB于两点P和P1，距目标B点较近点P为实时目标点，无人船实时位置O与实时目标点P的连线方向为实时目标航向角Ψr；无人船实时航向Ψ可通过导航模块获取；
步骤2：检测是否存在障碍物，当无人船到达障碍物影响范围内时，通过雷达测得障碍物的方位角α、距离ε和速度V；
步骤3：计算避障角度，将数据送入方位权函数、距离权函数和速度权函数，得到对应的权值ω1、ω2和ω3，权值与无人船单侧最大角度改变量相乘，得到一个避障角度
Figure BDA0002792394530000021
步骤4：将
Figure BDA0002792394530000022
作为航向控制的输入，其中ΔΨ＝Ψr-Ψ，通过驱动电机和舵机系统控制无人船驶离障碍物。
本发明的有益效果为：无人船在前方没有障碍物时仍可按照本发明方法以预设航线前进；在有障碍物出现时，无人船能够完成对水面障碍物的识别，得到障碍物的距离、方位和速度等信息，能够更真实地反映障碍物的威胁系数，反映真实的环境信息，继而进行有效的危险规避。避障过程中，无人船会以合适的航向变化量来躲避危险，较一般障碍物数据处理方法而言，无人船能够合理安全地驶离障碍物并快速回到目标航线，脱离危险后会更快复航，避障轨迹平滑，并且适合多目标障碍物的避障。
附图说明
图1为本发明提供的无人船避障控制原理图；
图2为本发明提供的无人船避障方法整体流程图；
图3为无人船关键控制系统；
图4为障碍物威胁程度中的方位权函数曲线、距离权函数曲线及速度权函数曲线；
图5为线性方位权函数条件下的无人船避障航迹仿真图；
图6为高斯方位权函数条件下的无人船避障航迹仿真图；
图7为线性方位权函数条件下无人船航向与舵角仿真图；
图8为高斯方位权函数条件无人船航向与舵角仿真图；
图9为障碍物方位和距离仿真变化图；
图10为无人船多障碍物避障仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示，本发明公开的无人船自主避障系统包括：电源模块、导航模块、避障模块和控制核心。通过避障模块获取障碍物的方位、距离和速度等数据；导航模块采用高精度差分GNSS用于实时获取无人船经纬度坐标点、实时航向和航速。将数据作为输入给到控制核心，输出舵机改变量，通过航向调整躲避障碍物。
如图3所示，为一种无人船自主避障方法整体流程图，包括如下步骤。
步骤1：图1中，输入指定路径的起始点A、B，无人船当前经纬度坐标O。以O为圆心，n倍船长为可视半径R作圆，与航线交于两点P和P1，由几何关系获得两点坐标。
比较两点与目标点的距离，通过三角面余弦公式计算两点间距离，选取与下一个路径点B最接近的点P为目标点。无人船实时位置O与实时目标点P的连线与正北的夹角为实时目标航向角Ψr；
如果无人船以可视半径R画圆与航线不存在交点，则选取下一个路径点B为目标点，OB连线与正北夹角即为目标航向；
无人船实时航向Ψ可通过船载GPS实时获取。
步骤2：计算目标航向的同时，避障模块实时探测无人船探测区域内的障碍物情况：障碍物的方位α、距离ε和速度V。
步骤3：根据船控制参数、目标信息以及水域信息确定安全会遇距离SDA，由雷达确定无人船与障碍物的距离ε，若ε大于SDA，则不需要采取避障措施，取避障角度
Figure BDA0002792394530000031
若ε小于SDA，则表明无人船进入障碍物影响范围内，相应地将障碍物距离、方位、速度等数据进行加权处理。
步骤4：将权函数定义为：
Figure BDA0002792394530000041
Figure BDA0002792394530000042
Figure BDA0002792394530000043
权函数为一阶高斯函数，在方位权函数中，期望为0，sgn(α)符号函数表现了障碍物与无人船的位置关系，决定了无人船避障方向；无人船前方±60°领域内的障碍物威胁性最大，±60°以外危险程度较低，如图4，带入式(1)来确定方差c1 2：
Figure BDA0002792394530000044
权值在0.5以上时障碍物威胁系数高，作为反映真实环境下无人船危险程度的界限，并且处于函数拐点附近，上下函数值变化率改变。
在距离权函数式(2)中，期望为0，方差c2 2越小，无人船进入高风险时的距离越小。将无人船当前航速V0考虑在内，设定最短会遇时间TCPA≥n(秒)时无人船拥有足够的反应时间做出避障动作，最短会遇距离DCPA应满足
DCPA＝V0×TCPA
当ε≤DCPA时无人船进入高风险区，带入式(2)
Figure BDA0002792394530000045
得到距离权函数中的方差c2 2。
障碍物速度V＝0时，障碍物静止，危险系数最小，设定雷达能够探测障碍物最大速度为Vmax,带入式(3)求得期望b3＝Vmax和方差c32
Figure BDA0002792394530000051
权重值ω1、ω2和ω3的大小共同决定了障碍物对于无人船的危险程度，最后的权值由三者的乘积决定，无人船单侧航向的最大改变量为θ，因此，最终避障角度定义为：
Figure BDA0002792394530000052
步骤5：无人船在避障运行时，最终的航向为：
Figure BDA0002792394530000053
其中，其中ΔΨ＝Ψr-Ψ。
将
Figure BDA0002792394530000054
作为航向控制的输入，通过驱动电机和舵机系统控制无人船驶离障碍物。
在其他条件不变的情况下，方位权函数分别采用线性函数与高斯函数，航迹仿真结果如图5及图6所示，无人船的目标航向、实际航向、舵角如图7及图8，以及对应时间点的方位、距离等信息如图9，按时间进行对比可知：
避障过程中使用线性函数最大航向偏差较大，复航时间较晚。使用本发明提供的方法时，无人船受到障碍物威胁系数较大时，无人船会以更大的航向变化量来躲避危险，脱离危险后会更快复航。
另外，在已知障碍物的情况下，又随机注入两个未知障碍物，如图10。仿真结果显示，无人船能够在多障碍物的情况下依然按照避障策略和算法避开障碍物，驶向目标点。
本发明引入了一种无人船自主避障方法，使无人船能够快速、平滑地驶离障碍物并回到目标航线。本发明实现简单，充分考虑了障碍物方位、距离、速度等信息，通过仿真试验验证了避障方法的有效性。

Claims (4)

1.一种无人船自主避障方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：避障系统初始化，设A点为航迹起点，B点为指定路径上的航迹点，O点为无人船实时位置；以无人船为圆心，以可视半径R为半径作圆，交直线AB于两点P和P1，距目标B点较近点P为实时目标点，无人船实时位置O与实时目标点P的连线方向为实时目标航向角Ψr；无人船实时航向Ψ可通过导航模块获取；
步骤2：检测是否存在障碍物，当无人船到达障碍物影响范围内时，通过雷达测得障碍物的方位角α、距离ε和速度V；
步骤3：计算避障角度，将数据送入方位权函数、距离权函数和速度权函数，得到对应的权值ω1、ω2和ω3，权值与无人船单侧最大角度改变量相乘，得到一个避障角度
Figure FDA0003777876030000011
将权函数定义为：
Figure FDA0003777876030000012
Figure FDA0003777876030000013
Figure FDA0003777876030000014
上述式(1)中的权函数为一阶高斯函数，在方位权函数中，其期望为0，sgn(α)符号函数表现了障碍物与无人船的位置关系，决定了无人船避障方向；无人船前方±60°领域内的障碍物威胁性最大，±60°以外危险程度较低，带入式(1)来确定方差c1 2：
Figure FDA0003777876030000015
在距离权函数式(2)中，期望为0，方差c2 2越小，无人船进入高风险时的距离越小；
将无人船当前航速V0考虑在内，设定最短会遇时间TCPA≥n秒时无人船拥有足够的反应时间做出避障动作，最短会遇距离DCPA应满足
DCPA＝V0×TCPA；
当ε≤DCPA时无人船进入高风险区，带入式(2)
Figure FDA0003777876030000016
得到距离权函数中的方差c2 2；
障碍物速度V＝0时，障碍物静止，危险系数最小，设定雷达能够探测障碍物最大速度为Vmax,带入式(3)求得期望b3＝Vmax和方差c32
Figure FDA0003777876030000021
步骤4：将
Figure FDA0003777876030000022
作为航向控制的输入，其中ΔΨ＝Ψr-Ψ，通过驱动电机和舵机系统控制无人船驶离障碍物。
2.根据权利要求1所述的一种无人船自主避障方法，其特征在于，
步骤2中，根据无人船控制参数、目标信息以及水域信息确定安全会遇距离SDA，由雷达确定无人船与障碍物的距离ε，若ε大于SDA，则不需要采取避障措施，取避障角度
Figure FDA0003777876030000023
若ε小于SDA，则表明无人船进入障碍物影响范围内，相应地将障碍物距离、方位、速度数据进行加权处理。
3.根据权利要求1所述的一种无人船自主避障方法，其特征在于，
步骤3中，权重值ω1、ω2和ω3的大小共同决定了障碍物对于无人船的危险程度，最后的权值由三者的乘积决定，无人船单侧航向的最大改变量为θ，因此，最终避障角度定义为：
Figure FDA0003777876030000024
4.根据权利要求1所述的一种无人船自主避障方法，其特征在于，用于该方法的装置包括电源模块、导航模块、避障模块和控制核心，通过避障模块获取障碍物的方位、距离和速度数据；导航模块采用高精度差分GNSS用于实时获取无人船经纬度坐标点、实时航向和航速，将数据作为输入给到控制核心，输出舵机改变量，通过航向调整躲避障碍物。
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Denomination of invention: A device and method for autonomous obstacle avoidance of unmanned ships

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