[发明专利]一种基于航迹重规划的水面无人艇动态避碰方法

说明书

本发明公开了一种基于航迹重规划的水面无人艇动态避碰方法，包含以下步骤：通过艇载传感器获取邻域船舶的航行信息和无人艇自身的位姿信息；构造无人艇和邻域船舶之间的碰撞锥；引入对邻域艇舶运动信息观测的不确定度，对碰撞锥施加一层软约束；施加无人艇的速度和艏向限制范围；获得最终的候选速度集合；引入代价函数选择最优避碰速度；以最优避碰速度进行航行模拟的内循环，得到无人艇动态避碰的航迹重规划点。本发明将水面无人艇的动态避碰决策以航迹重规划的形式输出，满足国际海上避碰规则的约束，能够很好的适应无人艇自身的操纵控制，满足无人艇的动态避碰需求。

技术领域

本发明涉及无人艇自主智能控制的技术领域，特别涉及一种基于航迹重规划的水面无人艇动态避碰方法。

背景技术

水面无人艇在军用方面作为未来海洋战争的先驱是国家维护海洋权益的重要工具，在民用方面可以替代船员执行任务，从而有效减少人工作业量和降低作业危险性，在军事作战、海域巡逻、岛礁补给等领域具有广泛的应用需求。由于海洋环境复杂，存在较大的不确定性，因此水面无人艇具备高度智能化的避碰水平是其在复杂海域安全航行的关键。目前我国虽然在水下无人潜航器上取得了一定的成果，但在水面无人艇自主智能化技术，尤其是水面无人艇的动态避碰技术上面仍未取得显著突破，因此，研究一种基于航迹重规划的水面无人艇动态避碰方法，对于提高水面无人艇自主智能化水平，实现水面无人艇军用、民用的普及具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于航迹重规划的水面无人艇动态避碰方法。本发明针对水面无人艇的动态避碰问题，引入基于方向包围盒的速度障碍区域几何模型描述和基于速度不确定度的速度障碍区域运动模型描述进行速度障碍区域的建模。结合水面无人艇本体动力学特性和国际海上避碰规则对水面无人艇可行速度集合进行了进一步约束，引入代价函数从中计算最优避障速度并进行航迹重规划。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

本发明提供了一种基于航迹重规划的水面无人艇动态避碰方法，包括以下步骤：

S1、采集艇载传感器的实时数据，获取邻域航行船舶的几何尺寸信息、运动信息和水面无人艇本体的位姿信息；

S2、结合邻域航行船舶的几何尺寸信息、运动信息和水面无人艇本体的位姿信息，采用方向包围盒描述邻域航行船舶和水面无人艇的几何信息，建立水面无人艇和邻域航行船舶碰撞时的速度集合，即构造水面无人艇和邻域航行船舶之间的碰撞锥；

S3、引入对邻域航行船舶速度信息观测的不确定度，将碰撞锥向外平移一个不确定度上界值的量，即对碰撞锥施加一层软约束，以约束外的速度集合为无碰速度集；

S4、结合水面无人艇本身的动力学特性，求解水面无人艇的速度和艏向限制范围，与无碰速度集进行交集运算，获得水面无人艇的可行无碰速度集；

S5、结合国际海上避碰规则的约束，根据不同的会遇局面对可行无碰速度集进行划分，获得最终的候选速度集合；

S6、对候选速度集合进行离散化处理，引入代价函数对其中的每个速度进行评价，选择代价最小的速度为最优避碰速度；

S7、以最优避碰速度进行航行模拟的内循环，得到水面无人艇动态避碰的航迹重规划点。

优选地，所述步骤S1具体为：使用AIS系统获取邻域航行船舶的几何尺寸信息和运动信息，使用GPS获取水面无人艇的经纬度，使用电子罗经获取水面无人艇的三维航向角。