CN115373394A - 一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)进入狭水道后，基于地形感知信息，进行航路规划，建立局部航路；S2)建立识别通道，识别通道是一个基于无人艇位置及航道宽度划定的动态区域，用于判断与障碍物的干涉关系以做出避碰决策；S3)按所述的局部航路航行，同时判断识别通道内是否存在避碰目标；S4)若为避碰目标，则对该避碰目标进行膨胀处理；5)判断无人艇是否位于狭水道内，是则跳转到步骤S3)；S6)回归全局路径航行。本发明的避碰局部路径规划方法对在狭水道中航行的无人艇，采用简单有效的避碰规则，通过感知环境而动态进行航行路径规划，以解决现有路径规划算法难以满足实时性，可能出现无解和不收敛情况的问题。
Description
技术领域
本发明涉及无人艇航行控制技术领域，尤其涉及一种狭长水道无人艇避碰局部路径规划方法。
背景技术
狭水道，指可航水域宽度狭窄、船舶操纵受到一定限制的通航水域，在目前的规范中，通常依据习惯航行方法和航海专家的意见认定一个水道是否属于狭水道，从而确定是否适用狭水道条款。无人艇在狭水道中航行时，存在许多的困难。首先，狭水道实际通行环境复杂，船型多，航速分布广，为保障安全航行，无人艇的航速往往较低，而低速条件下，无人艇舵效较差，难以避让高速他船。其次，部分民用小型船舶在经过狭水道时往往不会遵守《国际海上避碰规则》，而常规算法往往会考虑海事规则约束，两者的差异导致使用常规算法进行避碰是无人艇与他船极容易出现避碰不协调而发生危险。
中国专利申请CN202011493165.9一种狭水道水面无人平台自主航行航路规划方法及装置提出了一种无人平台在狭水道中的航路规划方法，利用建立栅格地图和搜索算法避碰并动态调整航线。但是，狭水道一般有岸壁约束，无人艇的避碰空间狭小，避碰实时性要求却很高，常规算法在处理狭水道避碰问题时可能失效。常规的图搜索算法及启发式智能搜索算法难以满足实时性要求，而速度障碍法在遭遇他船速度较快的会遇局面时，容易出现无解现象，且基于随机采样的路径规划算法在狭窄多障碍物区域收敛缓慢，甚至可能在无人艇与避碰目标即将碰撞的时候算法还未给出操舵指令，给处于狭水道中航行的无人艇带来很大的安全风险。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种狭长水道无人艇避碰局部路径规划方法，对在狭水道中航行的无人艇，采用简单有效的避碰规则，通过感知环境而动态进行航行路径规划，以解决现有路径规划算法难以满足实时性，可能出现无解和不收敛情况的问题。
本发明的具体技术方案是一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)进入狭水道后，基于地形感知信息，进行航路规划，建立局部航路；
S2)建立识别通道，识别通道是一个基于无人艇位置及航道宽度划定的动态区域，用于判断与障碍物的干涉关系以做出避碰决策；
S3)按所述的局部航路航行，同时判断识别通道内是否存在避碰目标，若障碍物位于识别通道外或障碍物速度方向与本艇相同且速度大于本艇时将障碍物判定为非避碰目标，否则判定为避碰目标；
S4)若为避碰目标，则对该避碰目标进行膨胀处理，并判断避碰目标在识别通道内与无人艇之间的相对位置关系，及与无人艇之间的相对速度关系，对识别通道内的该避碰目标进行避碰，避碰完成后回归原局部航路航行；
S5)判断无人艇是否位于狭水道内，是则跳转到步骤S3)；
S6)回归全局路径航行。
更进一步地，所述的步骤S1中的局部航路建立方法为，无人艇基于所感知的狭水道尺寸信息，建立一条与右侧岸壁平行且距右侧岸壁两倍船宽距离的航路作为无人艇在狭水道内航行的局部航路。
更进一步地，所述的步骤S2中建立识别通道的方法是，识别通道为矩形识别通道，向左取航道中线作为矩形识别通道的左边界，以保证无人艇保持在航道右侧航行，向右取距离航道岸壁两倍船宽位置作为识别通道右边界，前边界在无人艇最大探测位置处，左右边界向前延伸至前边界处，后边界为过无艇重心并与左右边界相垂直的垂线，以局部路径作为矩形识别通道中线。
更进一步地，所述的步骤S4中对该避碰目标进行膨胀处理的方法是，根据感知雷达感知的感知结果，得到障碍物位置、速度、尺寸信息后，以避碰目标所在位置为圆心，以避碰目标最长投影长度与本船最长投影长度的一半之和为半径作膨胀圆，并将膨胀后障碍物的位置、速度、尺寸信息存储为避碰障碍物信息。
更进一步地，所述的步骤S4中具体的避碰方法如下：
S41)根据避碰目标与本无人艇速度关系进行判断，若避碰目标速度为0则根据避碰目标与本无人艇位置关系进行避碰；
S42)若避碰目标速度不为0且方向与本船相同，因狭水道不允许追越，因此无人艇减速至与避碰目标相同速度进行跟随；
S43)若避碰目标速度不为0且方向与本无人艇相反，即为对遇局面，则本无人艇减速至1kn并根据避碰目标与本船位置关系进行避碰；
S44)在无人艇所在位置与识别通道中线的平行线位于所述的避碰目标的膨胀圆外，并且无人艇所在位置与识别通道中线的垂线越过膨胀圆时判断为避碰完成，如果无人艇所在位置位于膨胀圆内，则减速停船直至无人艇所在位置与识别通道中线的垂线越过膨胀圆时判断为避碰完成。
更进一步地，所述的避碰方法中的避碰目标与本无人艇位置关系进行避碰的具体方法是：若避碰目标所在位置位于识别通道中线的右侧，则无人艇向左打舵进行向左避碰，若避碰目标位于识别通道中线的左侧，则无人艇向右打舵进行向右避碰，若存在多个目标同时占据通道左右两侧，则无人艇减速停船直至存在可通行条件。
更进一步地，所述的步骤6中的全局路径的航路规划方法为，将无人艇航行海图栅格化后，基于给定的起始点和目标点，利用A*算法在海图中搜索出一条初始全局路径，无人艇开始以固定步长沿全局路径运动，并在运动过程中利用RRT算法进行动态避碰路径规划。
本发明的有益效果是1)本发明的狭水道无人艇避碰局部路径规划方法采用设置识别通道、避碰判断规则的简单方法，对搜索算法规划的航行路径进行修正，解决现有路径规划算法中难以满足实时性、无解和不收敛问题，能够有效降低无人艇避碰决策复杂度；2)采用矩形识别通能够简单地适用各种避碰规则，对各种类型的避碰目标进行无人艇相应的操作，在进行规划决策时由于狭水道避碰规则限制排除了右交叉及右追及的会遇情况，简化了避碰决策过程；3)采用无人艇之间的相对位置关系及与无人艇之间的相对速度关系简单的避碰规则进行避碰，在难于判断采用何种避碰策略时，使无人艇降速为0，避免影响避碰目标的判断；4)对该避碰目标进行膨胀处理，以避碰目标最长投影长度与本船最长投影长度的一半之和为半径作膨胀圆，这种膨胀方法考虑到无人艇避碰目标相比一般尺寸较小，使避碰规则算法简单可行；5)在无人艇正常航行时，采用A*搜索算法和RRT算法进行局部航路规划，使无人艇在狭水道中的航行路径规划与全局路径规划协调一致。
本发明的狭水道无人艇避碰局部路径规划方法通过建立识别通道并结合避碰策略，保证了无人艇在狭水道内航行时能够进行合理的避碰路径规划，在避碰时满足《国际海上避碰规则》的航行规定，保证了无人艇在狭水道内的航行安全及避碰效率。
附图说明
图1为本发明的狭水道无人艇避碰局部路径规划方法的流程图；
图2为本发明的狭水道无人艇避碰局部路径规划方法的一个实施例中的识别通道的示意图。
具体实施方式
下面结构说明书附图对本发明的具体技术方案作进一步地描述。
如附图1所示，本发明的一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)进入狭水道后，基于地形感知信息，建立局部航路进行航路规划。
地形感知信息为基于感知雷达识别得到的岸壁形状、航路位置及宽度信息。
局部航路的航路规划方法为，无人艇基于所感知的狭水道尺寸信息，建立一条与右侧岸壁平行且距右侧岸壁两倍船宽距离的航路作为无人艇在狭水道内航行的局部航路；
S2)建立识别通道，识别通道是一个包括无人艇的动态区域，用于判断障碍物是否与该动态区域干涉。识别通道为矩形识别通道，向左取航道中线作为矩形识别通道的左边界，以保证无人艇保持在航道右侧航行，向右取距离航道岸壁两倍船宽位置作为识别通道右边界，前边界在无人艇最大探测位置处，左右边界向前延伸至前边界处，后边界为过无艇重心并与左右边界相垂直的垂线，以局部航路作为矩形识别通道中线；
S3)按所述的局部航路航行，同时判断识别通道内是否存在避碰目标，若障碍物位于识别通道外或障碍物速度方向与本艇相同且速度大于本艇时将障碍物判定为非避碰目标，否则判定为避碰目标；
S4)若为避碰目标，则对该避碰目标进行膨胀处理，对该避碰目标进行膨胀处理的方法是，以避碰目标所在位置为圆心，以避碰目标最长投影长度与本船最长投影长度的一半之和为半径作膨胀圆，并用膨胀圆所划分区域作为避碰目标所在区域进行避碰。这样可以为无人艇的控制及感知偏差留下一定裕度，保证无人艇航行的安全性。
判断避碰目标在识别通道内与无人艇之间的相对位置关系，及与无人艇之间的相对速度关系，对识别通道内的该避碰目标进行避碰，避碰完成后回归原按局部路径航路航行。以无人艇所在位置为圆心，无人艇两倍船长为半径作圆，取所述的圆与原航线的交点为目标点回归原航路。
具体的避碰方法如下：
S41)根据避碰目标与本无人艇速度关系进行判断，若避碰目标速度为0则根据避碰目标与本无人艇位置关系进行避碰。
S42)若避碰目标速度不为0且方向与本船相同，因狭水道不允许追越，因此无人艇减速至与避碰目标相同速度进行跟随。
S43)若避碰目标速度不为0且方向与本无人艇相反，即为对遇局面，则本无人艇减速至1kn并根据避碰目标与本船位置关系进行避碰。
S44)在无人艇所在位置与识别通道中线的平行线位于所述的避碰目标的膨胀圆外，并且无人艇所在位置与识别通道中线的垂线越过膨胀圆时判断为避碰完成，如果无人艇所在位置位于膨胀圆内，则减速停船直至无人艇所在位置与识别通道中线的垂线越过膨胀圆时判断为避碰完成。
避碰目标与本无人艇位置关系进行避碰的具体方法是：若避碰目标所在位置位于识别通道中线的右侧，则无人艇向左打舵进行向左避碰，若避碰目标位于识别通道中线的左侧，则无人艇向右打舵进行向右避碰，若存在多个目标同时占据通道左右两侧，则无人艇减速停船直至存在可通行条件。当然，也可增加相应逻辑，即无人艇如果允许的航道中间安全通过，即无人艇从航道中间通过时，无人艇所在位置位于避碰目标的膨胀圆之外，若不行则减速停船；
S5)判断无人艇是否位于狭水道内，是则跳转到步骤S3)；
S6)按全局路径进行航路规划并航行。
全局路径的航路规划方法为，将无人艇航行海图栅格化后，基于给定的起始点和目标点，利用A*算法在海图中搜索出一条初始全局路径，无人艇开始以固定步长沿全局路径运动，并在运动过程中利用RRT算法进行动态避碰路径规划。
如附图2所示，本发明的一个具体实施例，无人艇在遵循全局路径规划的路径进行航行时，判断到无人艇进入狭水道中，开始执行本发明的规划方法。首先，根据感知雷达对航道地形感知结果，建立识别通道1和局部航路2，无人艇开始遵循局部航路进行航行。在航行过程中，船④船⑤船⑥位于识别通道外，因此设定为非避碰目标，船①船②船③船⑦位于识别通道内，设定为避碰目标并根据障碍物信息进行膨胀，随后，由障碍物信息判断船①与本船距离最小，设定为障碍物目标进行避碰决策，由于船①与本船航行方向相同且航速大于本船速度，因此本船将继续以原定速度遵循原定局部航路进行航行，在一段时间后，船②成为与本船距离最小障碍物，将设定船②为障碍物目标，由于船②与本船航向相同且速度小于本船，本船将减速至与船②同速并遵循原定局部航路进行航行，一段时间后本船与船⑦对遇，由于船⑦与本船航行方向相反且位于识别通道左侧，本船将向右进行避让，避让完毕后回到原定局部航路继续航行，直至航行出狭水道，狭水道避碰完成，无人艇回归原定全局航路航行。
虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (7)
1.一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)进入狭水道后，基于地形感知信息，进行航路规划，建立局部航路；
S2)建立识别通道，识别通道是一个基于无人艇位置及航道宽度划定的动态区域，用于判断与障碍物的干涉关系以做出避碰决策；
S3)按所述的局部航路航行，同时判断识别通道内是否存在避碰目标，若障碍物位于识别通道外或障碍物速度方向与本艇相同且速度大于本艇时将障碍物判定为非避碰目标，否则判定为避碰目标；
S4)若为避碰目标，则对该避碰目标进行膨胀处理，并判断避碰目标在识别通道内与无人艇之间的相对位置关系，及与无人艇之间的相对速度关系，对识别通道内的该避碰目标进行避碰，避碰完成后回归原局部航路航行；
S5)判断无人艇是否位于狭水道内，是则跳转到步骤S3)；
S6)回归全局路径航行。
2.根据权利要求1所述的一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S1中的局部航路建立方法为，无人艇基于所感知的狭水道尺寸信息，建立一条与右侧岸壁平行且距右侧岸壁两倍船宽距离的航路作为无人艇在狭水道内航行的局部航路。
3.根据权利要求1所述的一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S2中建立识别通道的方法是，识别通道为矩形识别通道，向左取航道中线作为矩形识别通道的左边界，以保证无人艇保持在航道右侧航行，向右取距离航道岸壁两倍船宽位置作为识别通道右边界，前边界在无人艇最大探测位置处，左右边界向前延伸至前边界处，后边界为过无艇重心并与左右边界相垂直的垂线，以局部路径作为矩形识别通道中线。
4.根据权利要求3所述的一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S4中对该避碰目标进行膨胀处理的方法是，根据感知雷达感知的感知结果，得到障碍物位置、速度、尺寸信息后，以避碰目标所在位置为圆心，以避碰目标最长投影长度与本船最长投影长度的一半之和为半径作膨胀圆，并将膨胀后障碍物的位置、速度、尺寸信息存储为避碰障碍物信息。
5.根据权利要求4所述的一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，所述的步骤S4中具体的避碰方法如下：
S41)根据避碰目标与本无人艇速度关系进行判断，若避碰目标速度为0则根据避碰目标与本无人艇位置关系进行避碰；
S42)若避碰目标速度不为0且方向与本船相同，因狭水道不允许追越，因此无人艇减速至与避碰目标相同速度进行跟随；
S43)若避碰目标速度不为0且方向与本无人艇相反，即为对遇局面，则本无人艇减速至1kn并根据避碰目标与本船位置关系进行避碰；
S44)在无人艇所在位置与识别通道中线的平行线位于所述的避碰目标的膨胀圆外，并且无人艇所在位置与识别通道中线的垂线越过膨胀圆时判断为避碰完成，如果无人艇所在位置位于膨胀圆内，则减速停船直至无人艇所在位置与识别通道中线的垂线越过膨胀圆时判断为避碰完成。
6.根据权利要求5所述的一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，所述的避碰方法中的避碰目标与本无人艇位置关系进行避碰的具体方法是：若避碰目标所在位置位于识别通道中线的右侧，则无人艇向左打舵进行向左避碰，若避碰目标位于识别通道中线的左侧，则无人艇向右打舵进行向右避碰，若存在多个目标同时占据通道左右两侧，则无人艇减速停船直至存在可通行条件。
7.根据权利要求1所述的一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法，其特征在于，所述的步骤6中的全局路径的航路规划方法为，将无人艇航行海图栅格化后，基于给定的起始点和目标点，利用A*算法在海图中搜索出一条初始全局路径，无人艇开始以固定步长沿全局路径运动，并在运动过程中利用RRT算法进行动态避碰路径规划。
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| CN202211020279.0A CN115373394A (zh) | 2022-08-24 | 2022-08-24 | 一种狭水道无人艇避碰局部路径规划方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116107319A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-05-12 | 中国船舶集团有限公司第七一九研究所 | 一种智能船舰节能航向编队方法、系统及存储介质 |
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2022
- 2022-08-24 CN CN202211020279.0A patent/CN115373394A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN116107319A (zh) * | 2023-04-12 | 2023-05-12 | 中国船舶集团有限公司第七一九研究所 | 一种智能船舰节能航向编队方法、系统及存储介质 |
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