[发明专利]多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊方法

说明书

本发明公开了多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊方法，属于水面无人艇局部动态靠泊规划领域。包括：计算目标泊位的一级引导点，二级引导点；判断无人艇是否到达一级引导点，二级引导点；计算无人艇当前位置与目标泊位间的距离；结合LOS视线法计算当前无人艇的靠泊约束集；计算当前无人艇与周围障碍物的最短碰撞时间；计算当前情况下无人艇的椭圆碰撞锥；利用基于COLREGS的多障碍启发式算法，选择无人艇速度矢量；计算无人艇下一时刻的位置。在传统速度障碍法中加入多级目标引导和靠泊约束集，成功实现多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊，充分考虑了无人艇自身动力学、运动学和目标泊位的约束特性，使无人艇在自主靠泊中遵守海事规则。

技术领域

本发明属于水面无人艇局部动态靠泊规划领域，具体涉及多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊方法。

背景技术

无人艇作为一种典型的欠驱动系统，在多障碍复杂环境下的局部动态靠泊规划一直是其研究领域的核心之一。该问题的主要难点在于多数局部动态规划方法没有考虑目标点对无人艇速度艏向的约束以及靠泊过程中的避障效率，这些方法在视野开阔的海域也许可以得到令人满意的结果，但是在交通复杂的港口码头里面，这些方法并不能完成无人艇的自主靠泊任务。

公开日2017年6月13日，公开号CN106845716A，发明名称为“一种基于导航误差约束的水面无人艇局部分层路径规划方法”的专利申请采用了分层思想，将局部路径规划划分为静态路径规划和动态路径规划两个层面，即解决了静态障碍物规避问题，又解决了动态障碍物规避问题，考虑了水面无人艇自身的动力学约束，并融合了海事规则，提高了规划路径的安全性。该方法虽然结合了海事规则和无人艇自身动力学约束，却没有考虑目标点约束和靠泊过程中无人艇的运动学约束，无法直接用于无人艇低速状态下的自主靠泊任务。

公开日2018年1月5日，公开号CN107544500A，发明名称为“一种考虑约束的无人艇靠泊行为轨迹规划方法”的专利申请采用了改进人工势场法，考虑无人艇自身运动约束，为无人艇的自主靠泊控制问题提供便利。但该方法没有考虑无人艇靠泊过程中遇到的动态障碍，在规划的过程中也没有遵守海事规则，因此在复杂的动态环境中很难保证其规划的有效性。

文献“基于速度障碍原理的无人艇自动避碰算法”中，吴博等人提出了一种考虑风浪流影响下的无人艇操纵运动特性的改进速度障碍法，有效克服了局部路径规划的局限性，并且更符合无人艇实际航行避碰操纵要求，能够使无人艇在具有多个动态障碍物的复杂环境中安全避让。该方法虽然经过了仿真验证，但它没有结合COLREGS海事规则对无人艇的避让机动进行调整，且没有考虑目标点对无人艇的速度艏向约束。

本发明针对多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊实际问题，在经典速度障碍方法的基础上，加入目标泊位对无人艇的艏向和速度约束，并在满足欠驱动无人艇靠泊过程中运动特性的前提下，利用基于COLREGS的多障碍启发式算法，完成多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊任务并通过仿真试验取得了优良的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供使无人艇在遵守国际海事公约的基础上以尽可能高的效率进行自主靠泊的多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

多障碍复杂环境下欠驱动无人艇的自主靠泊方法，包括以下步骤：

(1)由传感器获取无人艇当前的位置P(x_c,y_c)，速度v_c，角速度ω_c和艏向f_c；目标泊位的位置(x_A,y_A)和目标姿态角周围障碍物的个数n位置(x_i,y_i)，速度v_i，艏向f_i，其中i＝0,1,2…n，并将碰撞障碍数j初始化为0；