CN113253718B - 一种无人艇自主靠泊航迹规划方法及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人艇自主靠泊航迹规划方法及控制方法，针对无人艇在自主靠泊过程中需要以安全性为第一前提，提出了一种利用同心圆进行路径规划的方法。首先根据无人艇位置与泊位环境产生自主靠泊航迹离散坐标点；之后基于Minimum Snap优化方法与边界条件，对连接靠泊位置点后的路径进行优化，形成一组光滑、平稳的路径曲线；最后，增加“安全走廊”约束对航迹曲线进行二次优化，规划出安全、平滑的最终优化靠泊航迹。本发明进一步提出一种基于上述规划方法的控制方法，实现无人艇的自主靠泊。本发明所述一种无人艇自主靠泊航迹规划方法及控制方法具有简单易用、对靠泊环境要求低、安全可靠等优点，对无人艇完成自主靠泊任务具有重要意义。

Description

一种无人艇自主靠泊航迹规划方法及控制方法

技术领域

本发明属于无人艇航迹规划领域，特别涉及一种无人艇自主靠泊航迹规划方法及控制方法。

背景技术

自主靠泊技术是船舶控制技术中最复杂、最困难的技术之一。无人艇无论是在进港，还是在靠近海上生产平台时都需要进行靠泊操纵。当前，无人艇实现靠泊主要是借助船长或引航员的经验，找到合适可行的靠泊方法，制定完整的靠泊方案，对操作人员的要求很高。

自主靠泊航迹规划将充分考虑目标泊位位置与泊位环境，同时考虑到无人艇在靠泊过程中由于低速行驶产生的舵效和操纵性能变差问题。从而将产生一段光滑、安全且运动方向改变次数少的轨迹，然后交由无人艇自动控制系统，控制无人艇完成自主靠泊。

中国发明专利“一种基于视觉伺服的欠驱动无人水面艇”(公开号CN110658826A)中在泊位处设置了泊位标志物，通过计算标志物和无人艇的位置关系求得虚拟航线，进而控制无人艇完成自主靠泊。但该法需要保证无人艇以较高精度跟踪虚拟航线，当偏离虚拟航线时，由于缺少安全调整措施，无人艇容易出现撞岸事故。

中国发明专利“一种考虑约束的无人艇靠泊行为轨迹规划”(公开号CN107544500)将无人艇靠泊过程分为远岸与近岸两部分，在远岸处增加障碍补偿，近岸处增加码头约束，解决了靠泊时容易出现的拐角过大问题。但该法需要保证泊位附近无其他船舶，否则近岸航迹规划将无法正常规划轨迹，影响无人艇在复杂条件下完成自主靠泊。

中国发明专利“一种无人艇自主停泊方法、装置及无人艇”(公开号CN110456793A)将无人艇靠泊过程转变为跟踪标签像素过程，通过控制无人艇跟踪标签像素，可以有效保证无人艇的安全性。但该法未考虑无人艇由于欠驱动特性可能无法及时跟踪泊位标签像素的问题，因此在实际应用时存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种无人艇自主靠泊航迹规划方法及控制方法，利用同心圆进行自主靠泊航迹规划，在获得路径点形成期望航迹后使用MinimumSnap优化方法优化靠泊航迹，并加入“安全走廊”约束防止优化航迹与规划航迹相差过大，实现无人艇的自主靠泊航迹规划，利用上述方法所得的自主靠泊航迹，可实现无人艇自主靠泊控制，完成靠泊过程。本发明在保证靠泊安全的前提下尽可能减少无人艇在靠泊过程中的转弯次数与转弯角度，保证无人艇安全、平稳的完成自主靠泊操纵。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，包括以下步骤：

(1)根据无人艇的船长L与泊位位置，确定n个同心圆，所述同心圆圆心与泊位中心点的连线垂直岸线方向，同心圆圆心与泊位中心点的距离为船长L，n≥4；

(2)根据步骤(1)所述同心圆与以圆心为起点的射线的交点，确定自主靠泊航迹离散坐标点；

(3)依次连接无人艇到达具有最大半径的圆时的位置和自主靠泊航迹离散坐标点、自主靠泊航迹离散坐标点和泊位位置，获得待选期望靠泊航迹；

(4)在待选期望靠泊航迹中选择最佳期望靠泊航迹；

(5)对最佳期望靠泊航迹进行优化，得到第一次优化靠泊航迹；

(6)对第一次优化靠泊航迹添加约束，得到最终优化靠泊航迹。

进一步的，一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，所述n＝4，包括以下步骤：

(1)根据无人艇的船长L与泊位位置，确定4个同心圆，所述同心圆圆心与泊位中心点的连线垂直岸线方向，同心圆圆心与泊位中心点的距离为船长L，圆1半径R₁＞圆2半径R₂＞圆3半径R₃＞圆4半径R₄；

(2)根据步骤(1)所述同心圆与以圆心为起点的射线的交点，确定自主靠泊航迹离散坐标点；

(3)依次连接无人艇到达圆1时的位置和自主靠泊航迹离散坐标点、自主靠泊航迹离散坐标点和泊位位置，获得待选期望靠泊航迹；

(4)在待选期望靠泊航迹中选择最佳期望靠泊航迹；

(5)对最佳期望靠泊航迹进行优化，得到第一次优化靠泊航迹；

(6)对第一次优化靠泊航迹添加约束，得到最终优化靠泊航迹。

进一步的，步骤(1)中，R₁≥10L；5L≤R₂≤R₁；3L＜R₃＜R₂；R₄＝L。

进一步的，步骤(2)中，所述射线数量为4，射线1、射线2、射线3和射线4与岸线的夹角分别为θ₁、θ₂、π-θ₁、π-θ₂；所述20°≤θ₁≤40°，10°≤θ₂≤20°。

进一步的，步骤(2)中，自主靠泊航迹离散坐标点为射线1与圆2、射线3与圆2、射线2与圆3、射线4与圆3的交点。

进一步的，步骤(3)中，依次连接无人艇到达圆1时的位置、射线1与圆2交点、射线3与圆2交点和泊位形成第一待选期望靠泊航迹；依次连接无人艇到达圆1时的位置、射线2与圆3交点、射线4与圆3交点和泊位形成第二待选期望靠泊航迹。

进一步的，步骤(4)中，最佳期望靠泊航迹的选择方法包括以下步骤：

(41)判断第一待选期望靠泊航迹和第二待选期望靠泊航迹是否同时存在静态障碍物，当同时存在静态障碍物时，执行步骤(42)；

当不同时存在静态障碍物时，执行步骤(43)；

(42)调整圆2、圆3以及射线1、射线2、射线3和射线4与岸线方向的夹角，重复步骤(41)；

(43)判断第一待选期望靠泊航迹是否存在静态障碍物，当第一待选期望靠泊航迹不存在静态障碍物时将第一待选期望靠泊航迹确定为最佳期望靠泊航迹；

当第一待选期望靠泊航迹存在静态障碍物时将第二待选期望靠泊航迹确定为最佳期望靠泊航迹。

进一步的，所述步骤(5)中，采用Minimum Snap法对最佳期望靠泊航迹进行优化。

进一步的，步骤(6)中，约束条件为：(s(t_i)-r)≤p(t_i)≤(s(t_i)+r)；

其中，s(t_i)为t_i时刻对最佳期望靠泊航迹采样时的采样点坐标；p(t_i)为t_i时刻第一次优化靠泊航迹的坐标；1/2船长L≤r≤船长L。

一种无人艇自主靠泊控制方法，包括以下步骤：

S1无人艇收到自主靠泊指令后，按照上述一种无人艇自主靠泊航迹规划方法进行航迹规划；

S2根据无人艇目前位置，控制无人艇到达圆1处，并开始减速；

S3无人艇按照最终优化靠泊航迹行驶；

S4无人艇中心到达圆4内后，判断是否靠泊成功，靠泊成功时停止运动，靠泊不成功时在圆4内进行调整。

进一步的，上述一种无人艇自主靠泊控制方法中，步骤S4中，靠泊成功条件为艇身方向与岸线方向夹角小于15°且速度为0。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，采用了同心圆的方法进行了无人艇自主靠泊航迹规划，其中更加优选的方案为采用简单的“四圆”路径点规划方法确定自主靠泊航迹离散坐标点及最佳期望靠泊航迹，与传统规划方法相比，提高了航迹规划速度；产生的靠泊路径曲线更为简单，在低速状态下无人艇更易实现跟踪；

(2)本发明一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，基于靠泊过程中无人艇的降速、调向的运动过程，确定了“四圆”的半径的优选范围，及用于与四圆形成自主靠泊航迹离散坐标点的射线的角度优选范围，使无人艇跟踪控制系统按照本发明航迹行驶时能顺利实现降速、调向，完成靠泊；

(3)本发明一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，结合了Minimum Snap优化方法，使优化航迹更加适合于无人艇低速状态下的跟踪，靠泊过程中尽可能减少了打舵等操作，减少无人艇在运动时在受力方面出现大的改变，提升了靠泊过程的平稳性；

(4)本发明一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，通过增加“安全走廊”，防止优化靠泊航迹与最佳期望靠泊航迹相差过大，约束提高了整段航迹的安全性。

(5)本发明一种无人艇自主靠泊控制方法，考虑了无人艇在靠泊时最终的船舶状态，若无人艇到达靠泊点时未完成降速停泊等操作，可及时调转方向离开泊位进行再次靠泊操纵，降低了无人艇在靠泊过程中碰撞的危险。

附图说明

图1为本发明一种无人艇自主靠泊航迹规划方法流程示意图。

图2为本发明无人艇自主靠泊航迹规划实际效果图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据无人艇的船长L与泊位位置，确定n个同心圆，所述同心圆圆心与泊位中心点的连线垂直岸线方向，同心圆圆心与泊位中心点的距离为船长L，n≥4；

(2)根据步骤(1)所述同心圆与以圆心为起点的射线的交点，确定自主靠泊航迹离散坐标点；射线的个数应等于n-2。

(3)依次连接无人艇到达具有最大半径的圆时的位置和自主靠泊航迹离散坐标点、自主靠泊航迹离散坐标点和泊位位置，获得待选期望靠泊航迹；

(4)在待选期望靠泊航迹中选择最佳期望靠泊航迹；

(5)对最佳期望靠泊航迹进行优化，得到第一次优化靠泊航迹；

(6)对第一次优化靠泊航迹添加约束，得到最终优化靠泊航迹。

进一步的，一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，n＝4，包括以下步骤：

(1)根据无人艇的船长L与泊位位置，确定4个同心圆。设泊位中点外一倍船长处作为原点绘制四圆，分别称为靠泊圆、调向圆、减速圆与停泊圆，分别记为圆1、圆2、圆3、圆4，半径分别为R₁、R₂、R₃、R₄。所述同心圆圆心(即原点)与泊位中心点的连线垂直岸线方向，同心圆圆心与泊位中心点的距离为船长L，圆1半径R₁＞圆2半径R₂＞圆3半径R₃＞圆4半径R₄；

(2)根据步骤(1)所述同心圆与以圆心为起点的射线的交点，确定自主靠泊航迹离散坐标点；

(3)依次连接无人艇到达圆1时的位置和自主靠泊航迹离散坐标点、自主靠泊航迹离散坐标点和泊位位置，获得待选期望靠泊航迹；具体的说，可以将无人艇到达圆1时的位置，自主靠泊航迹离散坐标点，泊位位置看做位置点，用线将各点依次连接，即可得到待选期望靠泊航迹，其中自主靠泊航迹离散坐标点为多个点，待选期望靠泊航迹为多条航迹。

(4)在待选期望靠泊航迹中选择最佳期望靠泊航迹；

(5)对最佳期望靠泊航迹进行优化，得到第一次优化靠泊航迹；

(6)对第一次优化靠泊航迹添加约束，得到最终优化靠泊航迹。

进一步的，步骤(1)中，为保证无人艇可及时完成降速靠泊，靠泊圆半径大小在设置时应保证R₁≥10L(L为无人艇船长)；为保证在低速状态下可及时完成调向，调向圆半径大小应保证5L≤R₂≤R₁；为保证无人艇可及时减速至0，减速圆半径大小应设置为3L＜R₃＜R₂；停泊圆R₄＝L。

进一步的，步骤(2)中，所述射线数量为4，射线1、射线2、射线3和射线4与岸线的夹角分别为θ₁、θ₂、π-θ₁、π-θ₂；为减小无人艇在靠泊过程中的转向角度，需保证射线角20°≤θ₁≤40°。为保证无人艇在靠岸过程中的安全性，同时防止出现无人艇未及时减速导致碰撞事故的出现，保证射线角10°≤θ₂≤20°。

进一步的，步骤(2)中，自主靠泊航迹离散坐标点为射线1与圆2、射线3与圆2、射线2与圆3、射线4与圆3的交点。

进一步的，步骤(3)中，依次连接无人艇到达圆1时的位置、射线1与圆2交点、射线3与圆2交点和泊位形成第一待选期望靠泊航迹；依次连接无人艇到达圆1时的位置、射线2与圆3交点、射线4与圆3交点和泊位形成第二待选期望靠泊航迹。

进一步的，步骤(4)中，最佳期望靠泊航迹的选择方法包括以下步骤：

(41)判断第一待选期望靠泊航迹和第二待选期望靠泊航迹是否同时存在静态障碍物，当同时存在静态障碍物时，执行步骤(42)；

当不同时存在静态障碍物时，执行步骤(43)；

(42)调整圆2、圆3以及射线1、射线2、射线3和射线4与岸线方向的夹角，重复步骤(41)；

(43)判断第一待选期望靠泊航迹是否存在静态障碍物，当第一待选期望靠泊航迹不存在静态障碍物时将第一待选期望靠泊航迹确定为最佳期望靠泊航迹；

当第一待选期望靠泊航迹存在静态障碍物时将第二待选期望靠泊航迹确定为最佳期望靠泊航迹。

进一步的，步骤(5)中，采用Minimum Snap法对最佳期望靠泊航迹进行优化，使用Minimum Snap优化方法对根据“四圆”路径点规划方法所规划出的最佳靠泊航迹进行优化，得到一段光滑、平稳的曲线。具体步骤如下：

1)首先将目标优化航迹使用n＝7阶多项式进行表示

其中，p(t)为任意时刻t无人艇的位置，0≤i≤n；p₀,p₁,p₂,...,p_n为航迹参数，改写为矩阵形式为p＝[p₀,p₁,...,p_n]^T，T为矩阵转置符号，故将上式改为向量形式为

p(t)＝[1,t,t²,...,tⁿ]p

根据上式，在任意时刻t都可以通过对上式计算后获得位置、速度、加速度、加加速度与加加加速度等，具体形式为

p(t)＝[1,t,t²,...,tⁿ]p

v(t)＝p′(t)＝[0,1,2t,3t²,4t³,...,nt^n-1]p

a(t)＝p″(t)＝[0,0,2,6t,12t²,...,n(n-1)t^n-2]p

但一组参数p很难表达一段复杂的航迹，因此将航迹进行分段，每段航迹各用一组参数进行表示。

其中，k为航迹的段数，p_k为第k段航迹的参数。

Minimum Snap优化方法就是将航迹的Snap最小化，通过该方法最终求出的航迹参数是以受力变化速度最小求解得出的。表示了无人艇在靠泊过程中尽可能减少打舵等操作，减少无人艇在运动时在受力方面出现大的改变。构建的优化函数为

其中，

通过此步骤得到第一次优化靠泊航迹。

进一步的，步骤(6)中，每个采样点的位置约束条件为：(s(t_i)-r)≤p(t_i)≤(s(t_i)+r)；

其中，s(t_i)为t_i时刻对最佳期望靠泊航迹采样时的采样点坐标；p(t_i)为t_i时刻第一次优化靠泊航迹的坐标；1/2船长L≤r≤船长L。p(t_i)与步骤(3)相同，p(t_i)＝[1,t_i,t_i ²,…,t_i ⁿ]p。

通过增加“安全走廊”约束使优化航迹在安全区域内进行优化，防止优化靠泊航迹与最佳期望靠泊航迹相差过大。根据二次规划问题的求解方法对增加“安全走廊”约束的优化函数进行求解得到优化航迹参数值。所形成的最终优化靠泊航迹将保持在“安全走廊”以内，保证了无人艇在靠泊过程中跟踪路径的安全性。

本发明一种无人艇自主靠泊控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1无人艇收到自主靠泊指令后，按照上述一种无人艇自主靠泊航迹规划方法进行航迹规划；

S2根据无人艇目前位置，控制无人艇到达圆1即靠泊圆处，并开始减速；

S3无人艇按照最终优化靠泊航迹行驶；

S4无人艇中心到达圆4内后，判断是否靠泊成功，靠泊成功时停止运动，靠泊不成功时在圆4内进行调整。

进一步的，一种无人艇自主靠泊控制方法步骤S4中，靠泊成功条件为艇身方向与岸线方向夹角小于15°且速度为0。当无人艇停止运动时，此时无人艇中心位于停泊圆内R₄＝L，且艇身方向与码头方向夹角小于15°，此时即视为自主靠泊成功。当无人艇到达停泊圆内却未及时减速，无法实现自主安全靠泊，由于此时无人艇与泊位方向角度相差较小，无人艇可通过快速打舵操作及时调整无人艇艏向远离泊位，防止出现撞岸事故，提高自主靠泊的安全性。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种无人艇自主靠泊方法，主要包括“四圆”路径点规划方法与Minimum Snap优化方法。具体包括如下步骤：

步骤1：无人艇接收到自主靠泊任务要求开始进入自主靠泊过程。设泊位处岸端中点作为中心点，以中心点外一倍船长处作为原点绘制四个同心圆，同心圆圆心与泊位中心点的连线垂直岸线方向，同心圆圆心与泊位中心点的距离为船长L，圆1、圆2、圆3、圆4分别称为靠泊圆、调向圆、减速圆与停泊圆，半径分别为R₁、R₂、R₃、R₄，如图2所示。

根据无人艇目前位置，控制无人艇快速到达靠泊圆处。

步骤2：根据此时无人艇的起点位置(即无人艇到达圆1靠泊圆时的位置)与泊位位置通过“四圆”路径点规划方法产生自主靠泊路径离散坐标点和最佳期望靠泊航迹，具体为：

1)过圆心作一条直径线经过四圆，该直径线与岸线保持平行。以该直线为中心将四圆分为两半圆，取泊位外半圆角度为[0,π]，靠近泊位部分半圆角度[π，2π]。作θ₁、θ₂、π-θ₁、π-θ₂四个角度的射线，分别记为射线1、射线2、射线3、射线4(θ₁,θ₂∈(0,π/2))，射线1、射线3与圆2以及射线2、射线4与圆3相交的四个交点为无人艇靠泊路径的待选航迹离散坐标点，按照上述顺序依次记为交点A、B、C、D。

2)连接无人艇到达圆1靠泊圆时的位置→交点A→交点B→泊位形成第一段待选期望靠泊航迹；连接无人艇到达圆1靠泊圆时的位置→交点C→交点D→泊位形成第二段待选期望靠泊航迹。

3)通过自身搭载的视觉传感器以及地图，判断泊位附近静态障碍物情况，并决定无人艇应从哪个方向进入泊位，产生最佳期望靠泊航迹。

上述过程中，为保证无人艇可及时完成降速靠泊，靠泊圆半径大小在设置时应保证R₁≥10L(L为无人艇船长)；为保证在低速状态下可及时完成调向，调向圆半径大小应保证5L≤R₂≤R₁；为保证无人艇可及时减速至0，减速圆半径大小应设置为3L＜R₃＜R₂；停泊圆R₄＝L，当无人艇停止运动时，此时无人艇中心位于停泊圆内R₄＝L，且艇身方向与码头方向夹角小于15°，此时即视为自主靠泊成功。

为减小无人艇在靠泊过程中的转向角度，需保证射线角20°≤θ₁≤40°。为保证无人艇在靠岸过程中的安全性，同时防止出现无人艇未及时减速导致碰撞事故的出现，保证射线角10°≤θ₂≤20°。

步骤3：得到最佳期望靠泊航迹后，使用Minimum Snap算法对路径进行优化，具体为：

1)首先将目标优化航迹使用n＝7阶多项式进行表示

其中，p(t)为任意时刻t无人艇的位置，0≤i≤n；p₀,p₁,p₂,...,p_n为航迹参数，改写为矩阵形式为p＝[p₀,p₁,...,p_n]^T，T为矩阵转置符号，故将上式改为向量形式为

p(t)＝[1,t,t²,...,tⁿ]p

根据上式，在任意时刻t都可以通过对上式计算后获得位置、速度、加速度、加加速度与加加加速度等，具体形式为

p(t)＝[1,t,t²,...,tⁿ]p

v(t)＝p′(t)＝[0,1,2t,3t²,4t³,...,nt^n-1]p

a(t)＝p″(t)＝[0,0,2,6t,12t²,...,n(n-1)t^n-2]p

但一组参数p很难表达一段复杂的航迹，因此将航迹进行分段，每段航迹各用一组参数进行表示。

其中，k为航迹的段数，p_k为第k段航迹的参数。

Minimum Snap优化方法就是将航迹的Snap最小化，通过该方法最终求出的航迹参数是以受力变化速度最小求解得出的。表示了无人艇在靠泊过程中尽可能减少打舵等操作，减少无人艇在运动时在受力方面出现大的改变。构建的优化函数为

其中，

通过此步骤得到第一次优化靠泊航迹。

步骤4：为防止优化航迹与“四圆”路径点规划出的最佳期望靠泊航迹相差过大，引入限制优化航迹形状的“安全走廊”约束。将“四圆”路径点规划出的路径进行间断采样，采样点间距设置为L，对于每一个采样点施加一个方形走廊约束。即(s(t_i)-r)≤p(t_i)≤(s(t_i)+r)，更加具体的：

其中，p(t_i)与步骤(3)相同，p(t_i)＝[1,t_i,t_i ²,…,t_i ⁿ]p，为t_i时刻第一次优化靠泊航迹的坐标；s(t_i)为t_i时刻对最佳期望靠泊航迹采样时的采样点坐标，r为方形走廊边长的一半，其值根据采样点间距进行设置，一般取值范围为

根据二次规划问题的求解方法对增加“安全走廊”约束的优化函数进行求解得到优化航迹参数值p_k。此时所形成的优化航迹将保持在“安全走廊”以内，保证了无人艇在靠泊过程中跟踪路径的安全性。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据无人艇的船长L与泊位位置，确定4个同心圆，同心圆圆心与泊位中心点的连线垂直岸线方向，同心圆圆心与泊位中心点的距离为船长L，圆1半径R₁＞圆2半径R₂＞圆3半径R₃＞圆4半径R₄；

(2)根据步骤(1)所述同心圆与以圆心为起点的射线的交点，确定自主靠泊航迹离散坐标点；

(3)依次连接无人艇到达圆1时的位置、自主靠泊航迹离散坐标点和泊位位置，获得待选期望靠泊航迹；

(4)在待选期望靠泊航迹中选择最佳期望靠泊航迹；

(5)对最佳期望靠泊航迹进行优化，得到第一次优化靠泊航迹；

(6)对第一次优化靠泊航迹添加约束，得到最终优化靠泊航迹；

步骤(2)中，所述射线数量为4，射线1、射线2、射线3和射线4与岸线的夹角分别为θ₁、θ₂、π-θ₁、π-θ₂；20°≤θ₁≤40°，10°≤θ₂≤20°；

步骤(2)中，自主靠泊航迹离散坐标点为射线1与圆2、射线3与圆2、射线2与圆3、射线4与圆3的交点；

步骤(3)中，依次连接无人艇到达圆1时的位置、射线1与圆2交点、射线3与圆2交点和泊位形成第一待选期望靠泊航迹；依次连接无人艇到达圆1时的位置、射线2与圆3交点、射线4与圆3交点和泊位形成第二待选期望靠泊航迹；

步骤(4)中，最佳期望靠泊航迹的选择方法包括以下步骤：

(41)判断第一待选期望靠泊航迹和第二待选期望靠泊航迹是否同时存在静态障碍物，当同时存在静态障碍物时，执行步骤(42)；

当不同时存在静态障碍物时，执行步骤(43)；

(42)调整圆2、圆3以及射线1、射线2、射线3和射线4与岸线方向的夹角，重复步骤(41)；

(43)判断第一待选期望靠泊航迹是否存在静态障碍物，当第一待选期望靠泊航迹不存在静态障碍物时将第一待选期望靠泊航迹确定为最佳期望靠泊航迹；

当第一待选期望靠泊航迹存在静态障碍物时将第二待选期望靠泊航迹确定为最佳期望靠泊航迹；

步骤(6)中，约束条件为：(s(t_i)-r)≤p(t_i)≤(s(t_i)+r)；

其中，s(t_i)为t_i时刻对最佳期望靠泊航迹采样时的采样点坐标；p(t_i)为t_i时刻第一次优化靠泊航迹的坐标；1/2船长L≤r≤船长L。

2.根据权利要求1所述的一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，其特征在于，步骤(1)中，R₁≥10L；5L≤R₂≤R₁；3L＜R₃＜R₂；R₄＝L。

3.根据权利要求1或2所述的一种无人艇自主靠泊航迹规划方法，其特征在于，步骤(5)中，采用Minimum Snap法对最佳期望靠泊航迹进行优化。

4.一种无人艇自主靠泊控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1无人艇收到自主靠泊指令后，按照权利要求1-3任一项所述的一种无人艇自主靠泊航迹规划方法进行航迹规划；

S2根据无人艇目前位置，控制无人艇到达圆1处，并开始减速；

S3无人艇按照最终优化靠泊航迹行驶；

S4无人艇中心到达圆4内后，判断是否靠泊成功，靠泊成功时停止运动，靠泊不成功时在圆4内进行调整。

5.根据权利要求4所述的一种无人艇自主靠泊控制方法，其特征在于，步骤S4中，靠泊成功条件为艇身方向与岸线方向夹角小于15°且速度为0。

Images