CN115657682A - 一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法。该避碰策略方法中包含的内容有基于无人艇跟踪航路的航道边界设置，基于航道方向的障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分，动静障碍物的分析处理，避障航向和航速解算，无人艇距航道边界距离检测及航向调整等内容；并按照合理的处理流程将各部分内容进行组织，实现狭窄水道内的避碰解算。本发明解决了无人艇在狭窄水道内的避碰问题，实现无人艇在狭窄水道内安全航行。

Description

一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰决策方法

技术领域

本发明涉及水面无人艇运动控制技术领域，具体为一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰决策方法。

背景技术

水面无人艇因其具有体积小，速度快，较好的隐身性，较高的智能化等特点被世界各国广泛应用，随着其应用价值的不断提高，水面无人艇日益成为国内外研究的焦点，避碰技术作为水面无人艇的核心技术之一，是实现无人艇安全航行正常执行任务的重要前提。在无人艇局部避碰的研究领域，相关局部反应避障方法有速度障碍法，虚拟力场和Voronoi图等。通过局部航路规划避障的方法有RRT和A*路径规划方法，以及动态窗口法和利用PSO进行局部最优航路的优化计算。

目前在无人艇避碰的有关研究中，主要针对无人艇在开阔的水域环境下的避碰问题，例如公开号为CN111158361A、名称为基于船舶领域模型的水面无人艇避碰方法的中国专利，很少有专门针对无人艇在狭窄航道内安全航行的相关研究，仅有部分关于有人船舶在内河航道内的安全航行研究，例如公开号为CN109491386A、名称为基于路径规划跟踪控制的狭水道船舶避碰方法的中国专利，适用于有人船舶。而狭窄水道内的避碰策略对提高无人艇的任务能力，保证无人艇在港口和狭窄水道等受限制水域内安全航行具有重要的意义。

发明内容

针对现有无人艇避障研究的不足，本发明提供一种无人艇在狭窄水道内安全航行的避碰策略方法，旨在解决无人艇在狭窄水道内航行时对静态和动态碍航物进行合理规避，同时和岸壁之间保持安全的距离。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，包括步骤：

基于无人艇跟踪航路进行航道边界设置；

基于航道方向进行障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分；

分析处理动静障碍物确定障碍冲突范围和可航行范围；

避障航向和航速解算；

无人艇距航道边界距离检测及航向调整以及避碰策略；

获得避障航向和航速或停船指令或回归指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明基于无人艇跟踪航路的航道边界设置，基于航道方向的障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分，动静障碍物的分析处理，避障航向和航速解算，无人艇距航道边界距离检测及航向调整等进行避碰，实现狭窄水道内的避碰解算。本发明解决了无人艇在狭窄水道内的避碰问题，能够实现无人艇在狭窄水道内对碍航物进行避让同时与边界保持安全的距离，实现无人艇在狭窄水道内安全航行。

附图说明

图1为无人艇在狭水道内的航道边界设置示意图。

图2为无人艇会遇局面和安全领域划分示意图。

图3为障碍冲突范围和可航行范围计算示意图。

图4为无人艇狭窄水道避碰策略流程图。

图5为无人艇狭窄水道避障仿真图，其中图5(a)为开始避障仿真图，图5(b)为完成避障仿真图，图5(c)为回归航路仿真图。

具体实施方式

以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

本发明所设计的狭窄水道避障方法，对狭窄水道的边界是根据航线来设定的，该边界是相对边界不是绝对边界。这增加了该算法使用的灵活性，能够应用在非常多的场景下。所述的狭窄水道是相对与艇体大小来定义的，本发明中所述的狭窄水道指一般只能容纳两艘左右的无人艇并行通过的航道。

本发明提供的一种无人艇在狭窄水道内安全航行的避碰策略方法，基于航路的航道边界设置，基于航道方向的船舶安全领域构建，动静障碍物的避障解算，避障航向和航速解算，航道边界距离的检测，然后基于上述内容通过合理的处理流程进行组织，以获得较好的避障效果。

关于无人艇狭窄水道避障决策中采用最近会遇点评估无人艇和障碍之间的碰撞风险：

本发明中无人艇的位置坐标用

速度矢量

障碍物的位置

速度矢量

则最近会遇距离d_CPA，和最短会遇时间t_CPA，的计算公式如下：

关于无人艇狭窄水道内的避碰策略流程所提及的障碍会遇局面判断和船舶安全领域划分方法：

1)位置区域划分和安全领域的设置

为适应狭窄航道的特点，会遇局面的划分方式和开阔水域的略有差异，会遇局面的划分示意图和船舶安全领域图，如图2；

设船舶的探测半径为R，船舶安全领域的宽度为W,长度为L,正横领域的宽度也设为W。将船舶探测范围划分成9个位置区域，用来描述障碍同本艇的位置关系，为后续处理奠定基础。分别为正前方、左前方、右前方、正横左方、正横右方、正后方、左后方、右后方、危险区。

其中正前方位置区域加上危险区域设为无人艇的安全领域。船舶的安全领域设置成沿航道方向的长条矩形，宽度设置较小是为了减少两侧航行船舶对无人艇的影响。其中位置区域划分中，正横左和正横右区域主要起到从前到后的一个过渡作用。因为障碍物的位置测量值存在一定程度的振荡，若仅采用横向y轴来区分前后，当障碍在y轴附近区域时，容易出现位置区域判定的前后振荡，若对前后位置区域的障碍处理存在差异，必然会引起避障决策的振荡。

2)会遇局面判定

在会遇局面判断中对静态障物只需要判断其所在的位置区域即可，对处于船舶安全领域(即正前方位置区域)的动态障碍还需进一步根据其航向判断交叉类型。动态障碍的交叉类型包括对遇、追越、左交叉、右交叉。

2.1)正前方位置区域内动态障碍会遇局面判断

以航道方向为0°基准，根据动态障碍的相对航向

判断会遇类型如下：

对遇局面：

左交叉局面：

右交叉局面：

追越局面：

2.2)右前方位置区域内动态障碍会遇局面判断

在狭窄水道内主要的会遇局面是对遇和追越，但不排除有他船从右前或左前横向航行从本船前方通过的可能，基于靠右航行的原则，因此需要关注右前位置区域的动态障碍。对位于右前方的障碍也需要考虑其会遇局面，主要考虑右交叉会遇局面。

右交叉局面的判定条件如下：

b)d_CPA＜R_O+R_USV&&0＜t_CPA＜t_{CPA_min}

满足上述三个条件时，即构成右交叉局面，其中，d_CPA为最近会遇距离，t_CPA为最短会遇时间，t_{CPA_min}为最短会遇时间的最小值，

为障碍物位置，

为无人艇的位置，R_USV为无人艇的长度，R_O为障碍物半径，R_safe为安全距离。

结合图4，本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案来实现，无人艇狭窄水道内的避碰策略流程：

第一步、航道边界设置

结合图1，根据无人艇当前跟踪航路段设定航道的左右边界和长度，左右边界到航线的距离可以设为不同的值，以适应不同的场景需求。航道的长度略大于当前跟踪航路长度，保证在目标航点附近的障碍也能考虑进来而不会被过滤掉；

第二步、障碍物筛选。

对无人艇感知系统探测到的障碍物进行筛选，过滤掉在航道边界外的障碍；

第三步、障碍物数据处理。

对位于航道内的所有障碍进行以下处理：

1)根据实际狭窄水道所能允许的通行船舶最大尺度对障碍物的半径大小进行限制。避免由于传感器探测误差给出的障碍尺度过大导致整个航道被完全堵住而不可通行；

2)计算本艇和障碍之间的距离，若目标进入到危险区内，则认为发生碰撞需要停船，直接转到第十步，并输出停船指令；若距离大于无人艇和障碍尺度之和则继续执行；

3)根据无人艇的尺度大小并考虑一定的安全裕度，从无人艇中心出发沿航道方向建立船舶的安全领域，并对障碍的会遇局面进行划分；

4)根据目标的类型和会遇局面计算每个障碍的直接冲突范围和可航行范围；如图3，冲突范围和可航行范围的具体计算步骤为：

①计算艇到障碍的两条切线；

②将障碍速度平移到无人艇中心处并取反；

③以无人艇期望航速为半径，以取反的障碍速度为圆心做圆；

④该圆若同切线产生交点，则两切点之间的方位区域即为绝对冲突区。若没有交点则该障碍是安全的障碍。

5)判断障碍是否覆盖目标航点，若覆盖且无人艇距目标航点距离小于覆盖障碍的直径时，更新航点，并转到第一步；

第四步、危险障碍提取。

根据障碍的会遇局面，将位于船舶安全领域内的障碍和右前位置区域内满足右交叉的障碍选出加入到危险障碍列表中，并按照距离由近及远排序，若危险障列表为空直接转到第八步；

第五步、避障考虑障碍提取。

将危险障碍列表中的第一个障碍加入到避障考虑列表中，同时计算危险列表中后续障碍到第一个障碍边界之间的距离值，若边界距离值小于允许无人艇安全通过的距离，则将该障碍也加入到避障考虑列表中；

第六步、避障航向计算。

首先根据避障考虑列表中的障碍的可航行范围选取同航道方向偏差最小的方向作为预选避障航向；然后检测所避障碍同航道左右边界之间的距离，若目标存在到一条边界的距离不满足无人艇安全通过，且上面给出的预选航向朝着目标的这一侧，则需要调整航向为另一侧。最后根据允许的最大偏离航道方向角对其进行修正处理；

第七步、避障速度计算。

根据避障列表中的第一个障碍的最小会遇距离d_CPA和最短会遇时间t_CPA计算避障速度；避障速度的计算按照如下情况进行：

1)最小会遇距离d_CPA小于障碍的半径和半个船宽之和，计算的最短会遇时间大于需要停船的时间且小于安全的最小会遇时间，即t_{CPA_stop}＜t_CPA＜t_{CPA_min}时，降低避障速度使得t_CPA＝t_{CPA_min}；

2)最小会遇距离d_CPA小于障碍的半径和半个船宽之和，同时最短会遇时间小于需要停船的时间即t_CPA＜t_{CPA_stop}时，直接停船；

3)其它情况，避障速度等于跟踪航路的设定速度。

第八步、危险障列表为空时处理策略。

若危险障列表为空，同时在无人艇的安全半径内存在障碍，则以航道方向为避障方向，设定航速为避障速度，同时检测无人艇在航路上的投影距离，若投影长度大于航路长度，需要更新航点；若无人艇安全半径内不存在障碍，转第十步、将控制权交给航控，进行回归航路控制；

第九步、无人艇距航道边界检测。

检测无人艇到航道边界的距离，若距离小于安全阈值，则调整航向朝航道内侧；

第十步、输出避障航向和航速或停船指令或回归指令；

第十一步、航控系统执行避障系统给出的指令。

实施例1

一艘水面无人艇，其避障系统中带有本发明所设计的狭窄水道避碰策略方法，在港池内或出入港航行。

对于大多数的港口，一般都有一段狭窄的航道连通港池内到外海水域，该航道宽度较小，仅能同时允许少量的船舶出入。当无人艇通过该水道时，能够对前方出现的静态障碍或低速航行的船舶进行避让且和岸壁保持安全的距离。对于在无人艇安全领域外的障碍，无论其怎样航行，都不会对本船产生影响。

实施例2

一艘水面无人艇，其避障系统中带有本发明所设计的狭窄水道避碰策略方法，在近岸海域沿海岸线航行。

在近岸海域沿海岸线航行时，避障时需要考虑近岸的水深较浅，因此可以将靠近海岸一侧的航道宽度设置较小，靠近外海一侧的航道宽度设大，本发明中的航道左右边界可以根据需要来区别设置。这样在近岸海域航行时，就能避免发生搁浅的风险。

实施例3

一艘水面无人艇，其避障系统中带有本发明所设计的狭窄水道避碰策略方法，在连续折线狭窄航道中航行：

其仿真效果图见图5(a)～图(c),在连续折线狭窄航道中，通过在折线狭窄航道的转向点处设置对应的航路点就能实现对连续折线狭窄航道的避障。因为本发明中所考虑的航道是以当前跟踪的航路段来设置的。因此在其它航路段上的障碍不会对无人艇产生影响。

Claims (10)

1.一种关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，包括步骤：

基于无人艇跟踪航路进行航道边界设置；

基于航道方向进行障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分；

分析处理动静障碍物确定障碍冲突范围和可航行范围；

避障航向和航速解算；

无人艇距航道边界距离检测及航向调整以及避碰策略；

获得避障航向和航速或停船指令或回归指令。

2.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述基于无人艇跟踪航路进行航道边界设置具体为：根据无人艇当前跟踪航路段设定航道的左右边界和长度，可将左右边界到航线的距离设为不同的值，航道的长度大于当前跟踪航路长度，将目标航点周围的障碍包含。

3.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述的基于航道方向进行障碍会遇局面划分和船舶安全领域划分具体包括：将船舶探测范围划分成9个位置区域，用来描述障碍同本艇的位置关系，分别为正前方、左前方、右前方、正横左方、正横右方、正后方、左后方、右后方和危险区，其中正前方位置区域和危险区域设为无人艇的安全领域。

4.根据权利要求3所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述正前方区域的会遇局面包括对遇局面、左交叉局面、右交叉局面和追越局面，以航道方向为0°基准，根据动态障碍的相对航向

判断会遇类型如下：

对遇局面：

左交叉局面：

右交叉局面：

追越局面：

5.根据权利要求3所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述右前方区域的会遇局面为动态目标右交叉局面，其满足以下三个条件：

1)

2)d_CPA<R_O+R_USV&&0<t_CPA<t_{CPA_min}

3)

其中，d_CPA为最近会遇距离，t_CPA为最短会遇时间，t_{CPA_min}为最短会遇时间的最小值，

为障碍物位置，

为无人艇的位置，R_USV为无人艇的长度，R_O为障碍物半径，R_safe为安全距离。

6.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述分析处理动静障碍物确定障碍冲突范围和可航行范围具体包括：

①计算艇到障碍的两条切线；

②将障碍速度平移到无人艇中心处并取反；

③以无人艇期望航速为半径，以取反的障碍速度为圆心做圆；

④该圆若同切线产生交点，则两交点之间的方位区域即为董态障碍冲突范围，切线之间的角度范围即为静态障碍冲突范围，若没有交点则该障碍是安全的障碍。

7.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述的避障航向和航速解算具体包括：

危险障碍提取：根据障碍的会遇局面，将位于船舶安全领域内的障碍和右前位置区域内满足右交叉的障碍选出加入到危险障碍列表中，并按照距离由近及远排序，若危险障列表为空直接执行避碰策略；

避障考虑障碍提取：将危险障碍列表中的第一个障碍加入到避障考虑列表中，同时计算危险列表中后续障碍到第一个障碍边界之间的距离值，若边界距离值小于允许无人艇安全通过的距离，则将该障碍也加入到避障考虑列表中；

避障航向计算：首先根据避障考虑列表中的障碍的可航行范围选取同航道方向偏差最小的方向作为预选避障航向；然后检测所避障碍同航道左右边界之间的距离，若目标存在到一条边界的距离不满足无人艇安全通过，且上面给出的预选航向朝着目标的这一侧，则需要调整航向为另一侧；最后根据允许的最大偏离航道方向角对其进行修正处理避障速度计算；

计算避障速度。

8.根据权利要求7所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述计算避障速度具体包括：

根据避障列表中的第一个障碍的最小会遇距离dCPA和最短会遇时间tCPA计算避障速度；避障速度的计算按照如下情况进行：

1)最小会遇距离d_CPA小于障碍的半径和半个船宽之和，计算的最短会遇时间大于需要停船的时间且小于安全的最小会遇时间，即t_{CPA_stop}<t_CPA<t_{CPA_min}时，降低避障速度使得t_CPA＝t_{CPA_min}；

2)最小会遇距离d_CPA小于障碍的半径和半个船宽之和，同时最短会遇时间小于需要停船的时间即t_CPA<t_{CPA_stop}时，直接停船；

3)其它情况，避障速度等于跟踪航路的设定速度。

9.根据权利要求1所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述无人艇距航道边界距离检测为：检测无人艇到航道边界的距离，若距离小于安全阈值，则调整航向朝航道内侧。

10.根据权利要求1或7所述的关于无人艇在狭窄水道中安全航行的避碰策略方法，其特征在于，所述避碰策略为空时处理策略，若危险障列表为空，同时在无人艇的安全半径内存在障碍，则以航道方向为避障方向，设定航速为避障速度，同时检测无人艇在航路上的投影距离，若投影长度大于航路长度，需要更新航点；若无人艇安全半径内不存在障碍，将控制权交给航控，进行回归航路控制。

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