CN113625709A - 一种水面无人艇避障方法 - Google Patents

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CN113625709A
CN113625709A CN202110832332.6A CN202110832332A CN113625709A CN 113625709 A CN113625709 A CN 113625709A CN 202110832332 A CN202110832332 A CN 202110832332A CN 113625709 A CN113625709 A CN 113625709A
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obstacle
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闫红州
朱奇舸
张逸凡
岳林
唐李军
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China Ship Development and Design Centre
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  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本发明公开了一种水面无人艇避障方法，属于水面无人艇自主任务决策技术领域，根据航行区域全局信息，考虑已知的障碍物，根据先验的电子海图，结合起始位置，完成路径规划；在航行过程中，获取动态障碍物，结合航行区本艇所在位置，完成局部避障。本发明通过采用两级避障策略，结合全局路径规划和局部动态障碍物避障，从全局和局部分别对静态和动态障碍物进行规避，为无人艇安全自主航行提供保障；该发明为一种简洁、易实现的避障方法，可用于任何船舶智能避碰系统；全局‑局部的结合，多重保障，极大降低了误碰的概率。

Description

一种水面无人艇避障方法
技术领域
本发明属于水面无人艇自主任务决策技术领域，更具体地，涉及一种针对静态和动态障碍物进行避障的水面无人艇避障方法。
背景技术
水面无人艇作为一种水面无人装备，在执行危险任务时，具有独特优势，同时无人艇具有高航速、模块化等特点，通过换装任务载荷，可以适用不同的任务场景，因此水面无人艇的发展也越来越受到重视；自主避障是无人艇能进行自主航行的基础，水面障碍物类型多样，根据移动性可以将障碍物划分为静态和动态两类，因此，如何针对静态和动态障碍物进行路径规划和避障，为无人艇自主航行的安全提供保障是目前亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种水面无人艇避障方法，针对水面艇航行区域附近出现的静态和/或动态障碍物，利用联合避障算法，支撑无人艇完成自主避障动作，为无人艇自主航行的安全提供保障。
为实现上述目的，本发明提供了一种水面无人艇避障方法，包括：
根据航行区域全局信息，考虑已知的障碍物，根据先验的电子海图，结合起始位置，完成路径规划；
在航行过程中，获取动态障碍物，结合航行区本艇所在位置，完成局部避障。
在一些可选的实施方案中，所述根据航行区域全局信息，考虑已知的障碍物，根据先验的电子海图，结合起始位置，完成路径规划，包括：
根据无人艇实际航行区域，选择实际航行区域的电子海图，将该电子海图栅格化后提取实际航行区域的静态障碍物，将静态障碍物所在区域视为不可达区域，其余区域划分为可达区域，得到二值化后的电子海图；
利用A*算法，结合二值化的电子海图，规划一条从起点到终点的目标路径。
在一些可选的实施方案中，所述在航行过程中，获取动态障碍物，结合航行区本艇所在位置，完成局部避障，包括：
在无人艇根据目标路径进行航行时，不间断的获取动态障碍物，并将动态障碍物定位于二值化的电子海图中，当某一动态障碍物与本艇的距离小于预设安全距离，且本艇航向位于障碍区域时，进行局部避障。
在一些可选的实施方案中，所述障碍区域的确定方式为：
设本艇的行驶速度为
Figure BDA0003175993230000021
以本艇O0为坐标原点，建立直角坐标系，动态移动目标O1行驶速度为
Figure BDA0003175993230000022
以O1为中心，进行半径为R的圆形膨胀C作为不可达区域，经O0做圆C的切线lr和ll，lr与ll的夹角范围作为障碍区域Δ。
在一些可选的实施方案中，所述本艇航向位于障碍区域时，包括：本艇O0与动态移动目标O1的相对速度
Figure BDA0003175993230000023
当
Figure BDA0003175993230000024
在障碍区域Δ内时，表示本艇航向位于障碍区域，其中，
Figure BDA0003175993230000025
在一些可选的实施方案中，所述进行局部避障，包括：
计算
Figure BDA0003175993230000026
与ll的夹角θ1，
Figure BDA0003175993230000027
与lr的夹角θ2，若θ1<θ2，则调整速度和航向趋近于ll的方向，若θ1≥θ2，则调整速度和航向趋向于lr的方向；
实时计算
Figure BDA0003175993230000028
和障碍区域Δ，如果
Figure BDA0003175993230000029
已不在障碍区域Δ内，则避障完成，其中，θ1＝θl-θ，θ2＝θ-θr，θ为x轴与
Figure BDA00031759932300000210
的夹角，θl为ll与x轴的夹角，θr为lr与x轴的夹角。
在一些可选的实施方案中，在进行局部避障时，根据航速法和/或航向法调整速度和航向完成避障。
在一些可选的实施方案中，对于航向法，在
Figure BDA0003175993230000031
更靠近lr时，调整
Figure BDA0003175993230000032
方向，控制本艇航向偏向于lr，在
Figure BDA0003175993230000033
更靠近ll时，调整
Figure BDA0003175993230000034
方向，控制本艇航向偏向于ll，当调整至
Figure BDA0003175993230000035
时，
Figure BDA0003175993230000036
已经偏出障碍区域Δ，完成避障，其中，航向的调整幅度设置为Δθ，其中，Δθ＝min(θ1,θ2)，
Figure BDA0003175993230000037
在一些可选的实施方案中，对于航速法，在相对速度
Figure BDA0003175993230000038
更靠近lr时，调整
Figure BDA0003175993230000039
偏向lr驶出障碍区域Δ，在相对速度
Figure BDA00031759932300000310
更靠近ll时，调整
Figure BDA00031759932300000311
偏向ll驶出障碍区域Δ，当保持本艇航向，降低本艇速度
Figure BDA00031759932300000312
至
Figure BDA00031759932300000313
时，相对速度
Figure BDA00031759932300000314
已不在障碍区域Δ范围内，即完成避障，其中，
Figure BDA00031759932300000315
Figure BDA00031759932300000316
在一些可选的实施方案中，进行局部避障，在采用航速法和航向法融合时，通过将本艇降至怠速，然后将舵角根据判定的偏向打至满舵，以快速避开障碍区域Δ，完成避障。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
无人艇航行区附近的障碍物可划分为静态和动态两类，静态障碍物为电子海图上固定的不可达区域，而动态障碍物为感知系统获取的移动目标。针对两类障碍物，分别通过全局避障和局部避障进行规避，通过采用两级避障策略，结合全局路径规划和局部动态障碍物避障，从全局和局部分别对静态和动态障碍物进行规避，为无人艇安全自主航行提供保障；该发明为一种简洁、易实现的避障方法，可用于任何船舶智能避碰系统；全局-局部的结合，多重保障，极大降低了误碰的概率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种水面无人艇避障方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种局部避障示意图；
图3是本发明实施例提供的一种航向法示意图；
图4是本发明实施例提供的一种航速法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
无论是在狭窄水域还是在宽阔水域，均存在静态障碍和动态障碍，常见的静态障碍物有礁石、浮标、锚泊的船只，而常见的动态障碍物有航行船舶、潜艇等。针对不同性质的障碍物，可以采用不同的避障方法进行规避。为完成静态避障，需要根据先验的电子海图，结合起始位置，完成路径规划；为完成动态避障，需要结合感知系统获取的动态障碍物，进行局部避障。如图1所示是本发明实施例提供的一种水面无人艇避障方法的流程示意图，在图1所示的方法中包括以下步骤：
S1：根据航行区域全局信息，考虑已知的障碍物，根据先验的电子海图，结合起始位置，完成路径规划；
S2：在航行过程中，获取动态障碍物，结合航行区本艇所在位置，完成局部避障。
在本实施例中，步骤S1可以通过以下方式实现：
根据无人艇实际航行区域，选择实际航行区域的电子海图Z，将该电子海图Z栅格化后提取实际航行区域的静态障碍物(如小岛、礁石、浅滩等)，并将实际航行区域中静态障碍物所在区域划分为不可达区域Z1，其余区域划分为可达区域Z0，得到二值化后的电子海图；
利用A*算法，结合二值化的电子海图，规划一条从起点PN到终点EN的目标路径P。
步骤S1涉及全局静态避障，路径规划按照规划范围可以分为全局路径规划和局部路径规划，根据静态障碍物趋于静止这一特征，作为先验信息，运用在路径规划中，将静态障碍物所在区域视为不可达区域，对静态障碍物进行规避。常见的该类型算法又可以分为基于图形法的路径规划算法和基于智能仿生的路径规划算法，基于智能仿生的路径规划算法耗时相对较长，而基于图形的路径规划算法中每种算法特性都各不相同，综合考虑计算效率和实现该算法的简易性，A*算法可以满足静态避障的需求。
A*算法是一种启发式搜索算法。相比于Dijkstra、Floyd等最优搜索，该方法因使用了启发函数，可以更加智能的向目标方向进行搜索，因此可以更快的搜索出一条局部最优路径。
A*算法流程如下：
1)输入起始点start和结束点end；初始化当前位置cur＝start；将cur放入open；判段open是否为空，若不为空，则重复2)至3),若为空，则路径寻找失败；程序结束；
2)从open取出F最小值Min，cur＝Min，判断Min是否为end，若是，执行4)；若不是，将cur放入Close；计算cur邻点NN的F、G、H，并记录NN的Par；
3)判断NN点是否已经包含于Open，若是则比较当前的G与NN的G的大小，取较小者更新Par和G、F、H，若不是，则将点放进open；
4)根据终点路径的par去回溯整个path；程序结束。
其中，F表示从起点start到终点end的估算成本cost；G表示从start到当前位置cur的真实成本；H表示从cur到end的估值；F＝G+H；Open表示待收录到close的点point；Close表示已收录点point。
在本实施例中，步骤S2涉及局部动态避障，针对动态障碍物，需要结合航行区本艇所在位置，完成局部避障；采用动态路径搜索D*可以避开障碍物，但其规划的路径过于贴近障碍物，在动态避障的过程中，有着不可预测的安全风险，且动态路径搜索运算复杂度更高，实时性难以保证。在本实施例中，提出在靠近动态障碍物的过程中使用的局部避障法。
在本实施例中，步骤S2可以通过以下方式实现：
在无人艇根据目标路径P进行航行时，不间断的获取动态障碍物Oi(i＝1～n)，n表示动态障碍物数量，并将动态障碍物Oi定位于二值化的电子海图中，当某一动态障碍物Oj(j∈1～n)与本艇的距离f小于预设安全距离fs，且本艇航向位于障碍区域Δ时，进行局部避障。
如图2所示，设本艇的行驶速度为
Figure BDA0003175993230000061
以本艇O0为坐标原点，建立直角坐标系，动态移动目标O1行驶速度为
Figure BDA0003175993230000062
以O1为中心，进行半径为R的圆形膨胀C作为不可达区域，经O0做圆C的切线lr和ll，lr与ll的夹角范围作为障碍区域Δ。
其中，R的大小可以根据实际情况确定，本实施例不做唯一性限定。
在本实施例中，为了判定是否进入动态避障，需要设置安全距离s，安全距离fs的设置需要考虑两船相对速度、水域类型、交通密度、船位数据可信度等，本艇位置A和障碍目标B圆心的实时距离f，当fs≤f时，开启动态避障功能。如图2所示，当O0与O1的距离小于fs时，本艇O0需开启避障功能。通过计算本艇与障碍目标的相对速度
Figure BDA0003175993230000063
当
Figure BDA0003175993230000064
在障碍区域Δ内时，则开始执行避障，其中，
Figure BDA0003175993230000065
在本实施例中，可以通过以下方式进行局部避障：
当被认定需要执行局部避障后，需要指定策略，避开障碍区，首先分别计算计算
Figure BDA0003175993230000066
与ll的夹角θ1，
Figure BDA0003175993230000067
与lr的夹角θ2，比较θ1、θ2的大小，如果θ1<θ2，则调整速度和航向趋近于ll的方向，若θ1≥θ2，则调整速度和航向趋向于lr的方向，实时计算
Figure BDA0003175993230000068
和障碍区域Δ，如果
Figure BDA0003175993230000069
已不在障碍区域Δ内，则避障完成，其中，θ1＝θl-θ，θ2＝θ-θr，θ为x轴与
Figure BDA00031759932300000610
的夹角，θl为ll与x轴的夹角，θr为lr与x轴的夹角。
其中，对于航向航速的调整，可以采用航速法、航向法，由于
Figure BDA00031759932300000611
Figure BDA00031759932300000612
的速度大小和速度反向均是可控对象，直接调整航向，可以驶出障碍区域Δ，而当本艇速度方向与目标船方向不为180°时，降低航速，
Figure BDA0003175993230000071
也可以偏离障碍区域Δ。
如图3所示，此时
Figure BDA0003175993230000072
更靠近lr，则调整
Figure BDA0003175993230000073
方向，控制本艇航向偏向于lr，当调整至
Figure BDA0003175993230000074
时，
Figure BDA0003175993230000075
已经偏出障碍区域Δ，完成避障，为了保障能顺利完成避障，航向的调整幅度可以设置为Δθ，其中，Δθ＝min(θ1,θ2)，
Figure BDA0003175993230000076
其中，
Figure BDA0003175993230000077
更靠近ll的航向调整方式与
Figure BDA0003175993230000078
更靠近lr的航向调整方式类似，即调整
Figure BDA0003175993230000079
方向，控制本艇航向偏向于ll，当调整至
Figure BDA00031759932300000710
时，
Figure BDA00031759932300000711
已经偏出障碍区域Δ，完成避障，为了保障能顺利完成避障，航向的调整幅度可以设置为Δθ，其中，Δθ＝min(θ1,θ2)，
Figure BDA00031759932300000712
如图4所示，在相对速度
Figure BDA00031759932300000713
更靠近lr，调整
Figure BDA00031759932300000714
偏向lr驶出障碍区域Δ，当保持本艇航向，降低本艇速度
Figure BDA00031759932300000715
至
Figure BDA00031759932300000716
时，相对速度
Figure BDA00031759932300000717
已不在障碍区域Δ范围内，即完成避障，其中，
Figure BDA00031759932300000718
Figure BDA00031759932300000719
其中，
Figure BDA00031759932300000720
更靠近ll的航向调整方式与
Figure BDA00031759932300000721
更靠近lr的航向调整方式类似，即调整
Figure BDA00031759932300000722
偏向l，驶出障碍区域Δ，当保持本艇航向，降低本艇速度
Figure BDA00031759932300000723
至
Figure BDA00031759932300000724
时，相对速度
Figure BDA00031759932300000725
已不在障碍区域Δ范围内，即完成避障，其中，
Figure BDA00031759932300000726
Figure BDA00031759932300000727
在实际应用中，考虑到水面态势复杂，本艇受力难以预测，为保障能快速有效的完成避障，可将航速法和航向法融合，可以将本艇降至怠速，然后将舵角根据航向法中判定的偏向打至满舵，快速将船航向避开障碍区域，完成避障。
通过本发明在无人艇规划路径时，可以根据航行区域全局信息，考虑已知的障碍物，完成静态避障；而在航行过程中，动态障碍物会让态势发生转变，原规划路径的位置可能因为障碍物的闯入变为不可达区域，采用靠近动态障碍物的过程中使用的局部避障法，完成局部动态避障；最终通过全局-局部的两级避障方法，保障无人艇的安全自主航行。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水面无人艇避障方法，其特征在于，包括：
根据航行区域全局信息，考虑已知的障碍物，根据先验的电子海图，结合起始位置，完成路径规划；
在航行过程中，获取动态障碍物，结合航行区本艇所在位置，完成局部避障。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据航行区域全局信息，考虑已知的障碍物，根据先验的电子海图，结合起始位置，完成路径规划，包括：
根据无人艇实际航行区域，选择实际航行区域的电子海图，将该电子海图栅格化后提取实际航行区域的静态障碍物，将静态障碍物所在区域视为不可达区域，其余区域划分为可达区域，得到二值化后的电子海图；
利用A*算法，结合二值化的电子海图，规划一条从起点到终点的目标路径。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在航行过程中，获取动态障碍物，结合航行区本艇所在位置，完成局部避障，包括：
在无人艇根据目标路径进行航行时，不间断的获取动态障碍物，并将动态障碍物定位于二值化的电子海图中，当某一动态障碍物与本艇的距离小于预设安全距离，且本艇航向位于障碍区域时，进行局部避障。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述障碍区域的确定方式为：
设本艇的行驶速度为
Figure FDA0003175993220000011
以本艇O0为坐标原点，建立直角坐标系，动态移动目标O1行驶速度为
Figure FDA0003175993220000012
以O1为中心，进行半径为R的圆形膨胀C作为不可达区域，经O0做圆C的切线lr和ll，lr与ll的夹角范围作为障碍区域Δ。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述本艇航向位于障碍区域时，包括：本艇O0与动态移动目标O1的相对速度
Figure FDA0003175993220000021
当
Figure FDA0003175993220000022
在障碍区域Δ内时，表示本艇航向位于障碍区域，其中，
Figure FDA0003175993220000023
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述进行局部避障，包括：
计算
Figure FDA0003175993220000024
与ll的夹角θ1，
Figure FDA0003175993220000025
与lr的夹角θ2，若θ1<θ2，则调整速度和航向趋近于ll的方向，若θ1≥θ2，则调整速度和航向趋向于lr的方向；
实时计算
Figure FDA0003175993220000026
和障碍区域Δ，如果
Figure FDA0003175993220000027
已不在障碍区域Δ内，则避障完成，其中，θ1＝θl-θ，θ2＝θ-θr，θ为x轴与
Figure FDA0003175993220000028
的夹角，θl为ll与x轴的夹角，θr为lr与x轴的夹角。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在进行局部避障时，根据航速法和/或航向法调整速度和航向完成避障。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对于航向法，在
Figure FDA0003175993220000029
更靠近lr时，调整
Figure FDA00031759932200000210
方向，控制本艇航向偏向于lr，在
Figure FDA00031759932200000211
更靠近ll时，调整
Figure FDA00031759932200000212
方向，控制本艇航向偏向于ll，当调整至
Figure FDA00031759932200000213
时，
Figure FDA00031759932200000214
已经偏出障碍区域Δ，完成避障，其中，航向的调整幅度设置为Δθ，其中，Δθ＝min(θ1,θ2)，
Figure FDA00031759932200000215
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对于航速法，在相对速度
Figure FDA00031759932200000216
更靠近lr时，调整
Figure FDA00031759932200000217
偏向lr驶出障碍区域Δ，在相对速度
Figure FDA00031759932200000218
更靠近ll时，调整
Figure FDA00031759932200000219
偏向ll驶出障碍区域Δ，当保持本艇航向，降低本艇速度
Figure FDA00031759932200000220
至
Figure FDA00031759932200000221
时，相对速度
Figure FDA00031759932200000222
已不在障碍区域Δ范围内，即完成避障，其中，
Figure FDA00031759932200000223
Figure FDA00031759932200000224
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进行局部避障，在采用航速法和航向法融合时，通过将本艇降至怠速，然后将舵角根据判定的偏向打至满舵，以快速避开障碍区域Δ，完成避障。
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