一种基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法及无人艇与流程

1.本发明属于水面无人艇航行控制技术领域，具体涉及一种基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法及无人艇。


背景技术：

2.水面无人艇(unmanned surface vehicle，usv)作为一种无船员参与且能够自主航行的水面舰艇，受到了广泛关注。该类航行器可用于海洋监测、水文观测、生物研究等科学研究以及区域巡逻、扫海等，替代有人船艇完成枯燥、危险的各类任务。
3.在无人艇航行控制系统中，避碰模块是能够保证无人艇在复杂多变的海洋环境下安全航行的重要保障。速度障碍法作为广泛应用于智能体的避碰算法，可以实时生成对动态、静态目标障碍物的避碰策略，完成对障碍物的躲避。但无人艇在海上航行时，需要考虑国际海上避碰规则，这就需要给速度障碍法添加一定的约束。另外，对于速度障碍法在遇到多个目标需要同时进行避碰时，如何选择合适的避碰航向也是一个需要解决的问题。
4.本发明针对这两个问题，提出了一种基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法及无人艇，能够在考虑国际海上避碰规则的情况下，实现对单个或多个目标完成避碰动作。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于，提供一种基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法及无人艇，能够在考虑国际海上避碰规则的情况下，实现对单个或多个动态或静态目标完成避碰动作，以满足无人艇海上安全航行的要求。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法，该方法包括以下步骤：
8.(1)速度障碍法
9.以本艇位置为原点，航向方向为y轴，垂直航向方向为x轴建立坐标系；设本艇速度为v0，障碍目标速度为v
t
，得到本艇与障碍目标的相对速度vr＝v
0-v
t
；以本艇位置向障碍目标的膨胀区域做切线，得到的锥形区域即为相对速度障碍锥；将目标航速v
t
平移至原点，再将相对速度障碍锥平移至v
t
末端，得到的新的锥形区域为绝对速度障碍锥；
10.以本艇位置为圆心，本艇速度大小|v0|为半径作圆，得到本艇速度环；绝对速度障碍锥与本艇速度环的交点为修正速度的末端，本艇位置为修正速度的始端；本艇速度与修正速度的夹角即为不可通行航向；
11.(2)考虑避碰规则的目标障碍区域膨胀方法
12.当发生对遇局面时，在障碍目标的右方增加膨胀区域；当发生交叉相遇局面时，在障碍目标的前方增加膨胀区域；
13.(3)基于轮盘的多目标避碰航向选择方法
14.划定本艇初始的航向可行域；以本艇的当前的航向为中心，左右各划定n
°
作为航向的可行域；
15.利用考虑避碰规则的目标障碍区域膨胀方法得到每一个障碍目标的膨胀区域，再利用速度障碍法得到不可通行航向；
16.从航向的可行域中去除不可通行航向，从最后得到的航向可行域中选择一航向，作为最终的避碰修正航向，进行避碰控制。
17.进一步的，障碍目标本身存在一安全膨胀区域。
18.进一步的，安全膨胀区域的圆心为障碍目标位置，半径为r。
19.进一步的，在障碍目标的右方和前方一同增加膨胀区域。
20.进一步的，从最后得到的航向可行域中选择与当前航向最近的期望航向，作为最终的避碰修正航向。
21.一种无人艇，该无人艇采用上述中任意一项所述的基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法。
22.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
23.为了使速度障碍法可以满足海上避碰规则的要求，设计了一种考虑避碰规则的目标障碍区膨胀方法，通过改变目标的障碍区域，使无人艇能够优先选择符合国际海上避碰规则的路线避过目标船，原理简单，灵活可靠；针对速度障碍法在多目标避碰场景下的应用问题，本发明提出了一种基于轮盘的多目标避碰航向选择方法，解决了无人艇在遇到多个目标时的避碰航向选择问题。
24.本发明可部署于无人艇控制器的算法库中，接受无人艇控制器调用，实现无人艇在自主航行时对探测到的单个或多个目标执行有效的避碰动作，保证无人艇在执行特定任务时的航行安全。另外，本发明不依赖自主控制器软硬件的类型，均可采用仿真平台开展算法的运行、调试及评估。
附图说明
25.图1为速度障碍法原理图；
26.图2为绝对速度障碍锥示意图；
27.图3为避碰示意图；
28.图4为多种避碰情况示意图；
29.图5为目标船的右舷增加膨胀区域示意图；
30.图6为目标船的前方增加膨胀区域示意图；
31.图7为考虑避碰规则的目标障碍膨胀区域示意图；
32.图8为对遇场景特殊情形示意图；
33.图9为基于轮盘的避碰航向选择方法示意图；
34.图10为无人艇多目标避碰方法流程图；
35.图11为对遇场景仿真测试结果图；
36.图12为交叉场景仿真测试结果图；
37.图13为追越场景仿真测试结果图；
38.图14为实艇测试结果图。
具体实施方式
39.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。
40.本发明采用了智能体避碰系统广泛使用的速度障碍法，通过计算本艇与目标的速度障碍锥来判断是否需要避碰系统干预和计算可行角度。针对水面无人艇在海上航行时需要考虑避碰规则的问题，本发明在速度障碍法中设计了一种考虑避碰规则的目标障碍区膨胀方法，该方法通过改变目标的障碍区域，使无人艇能够优先选择符合国际海上避碰规则的路线避过目标船，且实现起来原理简单，灵活可靠。针对速度障碍法在多目标避碰场景下的应用问题，本发明提出了一种基于轮盘的多目标避碰航向选择方法，解决了无人艇在遇到多个目标时的避碰航向选择问题。最后，将此避碰方法计算得到的避碰航向值传递给动力控制模块，完成无人艇的避碰操作。
41.本发明的基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法，包括：
42.(1)速度障碍法
43.本发明提出的避碰方法的核心算法采用了速度障碍法(velocity obstacle algorithm，vo)，其基本原理是建立速度障碍锥，判断相对速度是否在其中，来决定是否需要对速度进行调整和如何调整。适用于船舶的速度障碍法原理如下。
44.速度障碍法原理如图1所示，图中坐标系为以本艇为原点，航向方向为y轴，本艇速度为v0，障碍目标速度为v
t
，目标安全膨胀距离为r，以本艇位置向目标安全膨胀区域做切线，得到的锥形区域即为相对速度障碍锥(relative collision cone,rcc)。用相对速度障碍锥来进行避碰决策，本艇与目标的相对速度为vr，即：
45.vr＝v
0-v
t
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
46.当相对速度vr落于相对速度障碍锥中时，继续以当前状态航行会有碰撞危险，即需要进行避碰操作。将目标船航速v
t
平移至原点，再将rcc平移至v
t
末端，得到的新的锥形区域为绝对速度障碍锥(absolute collision cone，acc)，如图2所示。
47.由于相对速度指向速度障碍锥时，会存在多种情况，下面以acc为例，列出几种典型情况来讨论。
48.如图3所示，p0为本艇位置，以p0为圆心，以本艇速度大小|v0|为半径作圆，由于以v
t
末端为起点的相对速度不能落入acc中，所以本艇的避碰速度v
′0应为acc与圆的交点，如图3中两条蓝色矢量，v0与v
′0的转角即为避碰算法给出的航向改变角。其中v
′0的选择可以根据避碰规则，也可以由最小代价决定。
49.除此情况之外，还有如图4所示存在v
t
大于v0，存在三个、四个交点的情况，但其原理与速度选择是相似的，具体分析不再赘述。
50.(2)考虑避碰规则的目标障碍区膨胀方法
51.无人艇在实际航行中，会遇到对遇、交叉和追越三种避碰场景，根据国际海上避碰规则第二章，第十三至十五条，遇到避碰场景应作出如下动作：
52.①
对遇局面：当两艘机动船在相反的或接近相反的航向上相遇致有构成碰撞危险时，各应向右转向，从而各从他船的左舷驶过。
53.②
交叉相遇局面：当两艘机动船交叉相遇致有构成碰撞危险时，有他船在本船右舷的船舶应给他船让路，如当时环境许可，还应避免横越他船的前方。
54.③
追越：任何船舶在追越任何他船时，均应给被追越船让路。
55.在利用速度障碍法时，可以通过改变障碍目标的膨胀区域来实现将国际海上避碰规则融入避碰策略中。从避碰规则的内容中可以了解到，在发生对遇局面时，要尽可能从目标船的左舷驶过，因此可以通过在目标船的右舷增加膨胀区域的面积，例如在目标船右舷方向距离p处增加一个半径为q的圆形障碍区域，增大向左转的代价，实现优先从目标左舷经过，膨胀区如图5所示。
56.当发生交叉相遇局面时，应尽量避免横越他船的前方，因此可以通过在目标船的前方增加膨胀区域的面积，例如在目标船正前方距离p处增加一个半径为q的圆形障碍区域，此区域也可根据目标航速大小来确定，增大无人艇从目标船前方穿过的代价，实现避碰优先从目标后方经过，膨胀区如图6所示。
57.结合这两种情况，最终速度障碍法中目标船障碍膨胀区如图7所示，实现了将国际海上避碰规则融入到避碰算法中。通过膨胀区域实现避碰规则的优点有：1)实时性好，原理简单，不需要复杂的计算，容易实现；2)稳定可靠，不会出现由于判断复杂而导致的航向摇摆振荡现象；3)实用灵活，膨胀区域的存在只是给避碰决策系统一个优先的考虑，并没有完全禁止从目标的前方或右舷经过，例如在对遇场景中，本艇位置原本就在目标艇右舷较远的位置，且这个距离差大于目标艇前向膨胀距离时，是可以考虑直接从目标艇右舷经过的，没有必要再从目标艇的左舷绕过，如图8所示。
58.(3)基于轮盘的多目标避碰航向选择方法
59.当遇到多个障碍目标时，速度障碍法会对每个目标进行一次避碰计算，每一次计算都会得到一到四个修正航向，但这些航向中可能会有冲突，比如第一个目标的修正航向，会落在第二个目标的速度障碍锥中，这就会导致碰撞危险的发生。因此，本发明提出了一种基于轮盘的多目标避碰航向选择方法，解决了多个目标的避碰问题。该方法的具体流程如下：
60.①
划定本艇初始的航向可行域，以本艇的当前的航向为中心，左右各划定n
°
，例如，本艇航向为正北0
°
，左右各划定120
°
为航向的可行域ω，即ω＝{x|0≤x≤120,240≤x《360}。
61.②
对每一个目标进行速度障碍法的计算，每次计算时，会得到绝对速度障碍锥acc与本艇速度环的交点，如图3中，两个蓝色修正速度的末端，这两个速度之间的夹角即为不可通行航向。
62.③
从航向可行域ω中删除计算得到的不可通行航向。
63.④
从最后得到的航向可行域中选择与当前航向最近的期望航向，作为最终的避碰修正航向，并返回给控制端，完成避碰控制。
64.如图9所示，无人艇在航行时遇到两个目标障碍，经速度障碍法计算，将速度障碍锥与本艇叠加后，可划定两个不可通行航向区，分别为(348
°
,360
°
)∪[0
°
,34
°
)和(105
°
,138
°
)，当前航向落入不可通行航向区间内，则需要进行避碰操作，根据代价最小原则，选择348
°
为当前的避碰航向，发送给动力控制模块，完成避碰操作。
[0065]
将考虑避碰规则的目标障碍区膨胀方法和基于轮盘的多目标避碰航向选择方法
结合到速度障碍法中，通过计算本艇与目标的速度障碍锥来判断是否需要避碰系统干预和计算可行角度。利用考虑避碰规则的目标障碍区膨胀方法，改变目标的障碍区域，使无人艇能够优先选择符合国际海上避碰规则的路线避过目标船。通过基于轮盘的多目标避碰航向选择方法，使无人艇在遇到多个障碍目标时，可以选择合适的避碰航向。最后，将此避碰方法计算得到的避碰航向值传递给动力控制模块，完成无人艇的避碰操作。
[0066]
实施例：
[0067]
如图10所示，本发明的实现过程如下：
[0068]
(1)参数设置
[0069]
依据应用的无人艇的运动模型与尺寸大小，对本发明所需的参数进行设置。一种参数实施方式如：r＝50m,n＝120,p＝50m,q＝50m。
[0070]
(2)感知信息与导航信息接收
[0071]
将无人艇各传感器感知到的目标信息与本艇的导航信息发送给本发明的算法，目标感知信息包括了各目标的位置、航速和航向，导航信息包含本艇当前的位置、航速和航向。
[0072]
(3)障碍区域膨胀
[0073]
得到目标感知信息后，根据目标的航速航向，通过考虑避碰规则的目标障碍区膨胀方法生成各个目标的障碍区域。此障碍区根据避碰规则增大目标部分障碍区，达到将避碰规则融入算法的目的。
[0074]
(4)不可通行区计算
[0075]
得到各个目标的障碍区域后，通过速度障碍法计算得到每个目标的速度障碍锥，利用本艇的航速航向信息与速度障碍锥进行叠加，得到不可通行区。
[0076]
(5)期望航向计算
[0077]
得到不可同行区后，利用基于轮盘的多目标避碰航向选择方法将多个目标的不可通行区叠加到航向轮盘上，从最后的可通行区中选择代价最小的航向作为本艇当前的期望航向。
[0078]
(6)指令下发
[0079]
最后将本艇当前的期望航向发送给动力控制单元，实现无人艇的避碰转向，完成无人艇的避碰动作。
[0080]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/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。
[0081]
仿真测试：
[0082]
将本发明应用于无人艇仿真平台，该仿真平台可以接收控制系统发来的控制量，并通过计算仿真反馈本艇的导航信息和目标障碍信息，针对海上对遇、交叉、追越场景进行仿真联调测试，测试结果如下，其中艇为本艇，箭头为目标障碍。
[0083]
图11为对遇场景仿真测试结果图，图12为交叉场景仿真测试结果图，图13为追越场景仿真测试结果图。
[0084]
实艇测试：
[0085]
完成仿真测试后，将该算法部署于某型无人艇上，在某水域对该发明进行实艇验
证，对直线路径单目标避障、多目标避障和圆形路径单目标、多目标避障进行了实艇测试，如图14所示，试验结果表明使用本发明均可顺利避开单个或多个障碍目标，完成避碰动作，避碰完成后回到路径上，验证了本发明的可行性和有效性。
[0086]
本领域的技术人员容易理解，以上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。

技术特征：
1.一种基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)速度障碍法以本艇位置为原点，航向方向为y轴，垂直航向方向为x轴建立坐标系；设本艇速度为v0，障碍目标速度为v
t
，得到本艇与障碍目标的相对速度v
r
＝v
0-v
t
；以本艇位置向障碍目标的膨胀区域做切线，得到的锥形区域即为相对速度障碍锥；将目标航速v
t
平移至原点，再将相对速度障碍锥平移至v
t
末端，得到的新的锥形区域为绝对速度障碍锥；以本艇位置为圆心，本艇速度大小|v0|为半径作圆，得到本艇速度环；绝对速度障碍锥与本艇速度环的交点为修正速度的末端，本艇位置为修正速度的始端；本艇速度与修正速度的夹角即为不可通行航向；(2)考虑避碰规则的目标障碍区域膨胀方法当发生对遇局面时，在障碍目标的右方增加膨胀区域；当发生交叉相遇局面时，在障碍目标的前方增加膨胀区域；(3)基于轮盘的多目标避碰航向选择方法划定本艇初始的航向可行域；以本艇的当前的航向为中心，左右各划定n
°
作为航向的可行域；利用考虑避碰规则的目标障碍区域膨胀方法得到每一个障碍目标的膨胀区域，再利用速度障碍法得到不可通行航向；从航向的可行域中去除不可通行航向，从最后得到的航向可行域中选择一航向，作为最终的避碰修正航向，进行避碰控制。2.根据权利要求1所述的基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法，其特征在于，障碍目标本身存在一安全膨胀区域。3.根据权利要求2所述的基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法，其特征在于，安全膨胀区域的圆心为障碍目标位置，半径为r。4.根据权利要求1所述的基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法，其特征在于，在障碍目标的右方和前方一同增加膨胀区域。5.根据权利要求1所述的基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法，其特征在于，从最后得到的航向可行域中选择与当前航向最近的期望航向，作为最终的避碰修正航向。6.一种无人艇，其特征在于，该无人艇采用权利要求1至5中任意一项所述的基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法。

技术总结
本发明公开了一种基于速度障碍法的无人艇多目标避碰方法及无人艇，该方法包括：速度障碍法，用于确定不可通行航向；考虑避碰规则的目标障碍区域膨胀方法，当发生对遇局面时，在障碍目标的右方增加膨胀区域；当发生交叉相遇局面时，在障碍目标的前方增加膨胀区域；基于轮盘的多目标避碰航向选择方法：划定本艇初始的航向可行域；利用考虑避碰规则的目标障碍区域膨胀方法得到每一个障碍目标的膨胀区域，再利用速度障碍法得到不可通行航向；从航向的可行域中去除不可通行航向，最后选择一航向作为最终的避碰修正航向，进行避碰控制。本发明能够在考虑国际海上避碰规则的情况下，实现对单个或多个动态或静态目标完成避碰动作。单个或多个动态或静态目标完成避碰动作。单个或多个动态或静态目标完成避碰动作。


技术研发人员：钊毅 张逸凡 朱奇舸 唐李军 岳林
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/16