基于海事规则的水面无人艇动态障碍规避方法.pdf

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1、第44卷第3期船海工程Vo1．44No．32015年6月SHIP＆OCEANENGINEERINGJun．2015DOI：10．3963／j．issn．1671-7953．2015．03．028基于海事规则的水面无人艇动态障碍规避方法杜开君，茅云生，向祖权，周永清，宋利飞，刘彬(武汉理工大学a．高性能船舶技术教育部重点实验室Ib．交通学院，武汉430063)摘要：针对水面无人艇对探测到的电子海图上没有标示的动态障碍物的规避问题，提出符合国际海上避碰规则公约的规避方法，将动态障碍物某一运动时刻转换为相对无人艇瞬时静止的状态，对避障模型进

2、行实时计算；并通过粒子群优化算法解算出无人艇进行避障所需的最优航速和航向改变量。仿真实验表明，该方法可得到合理的规避策略，有效地完成动态障碍物的规避任务。关键词：水面无人艇；动态障碍物；粒子群优化算法；路径规划；海事规则中图分类号：U675．85文献标志码：A文章编号：1671-7953(2015)03-0119-06水面无人艇(unmannedsurfacevehicle，USV)以，采取极坐标系进行建模。作为一种无人海上航行器，是惟一一种可以在水极坐标系下的起点和终点分别为在全局规划上、水面、水下同时发挥作用的无人运载平台⋯。路径

3、中选取的子目标段的起点和终点。这两点的在航行过程中，水面无人艇处在不可预见的动态连线为极坐标系的极轴，起始点为极点，逆时针方的海洋环境中，障碍物很可能出现在已经规划好向为正。的全局路径上，而AIS或航海雷达并没有探测到，真实环境下，障碍物的形状各种各样，通过雷电子海图上也没有标示障碍物及其运动信息。为达扫描出来的雷达图像或通过声呐、传感器得到了保证无人艇能够快速、安全地到达目标，需要对的障碍物形状会很复杂，直接对这些未经处理的使其处在危险状况下的动态障碍物进行规避，这障碍物形状进行避障，其计算过程往往会代价高正是决定无人艇智能化程度高

4、低的关键技术之昂，导致计算时间增加。为了缩短计算时间，在进¨一。在分析各种无人艇障碍规避方法的基础行路径规划之前，需要对障碍物进行包围体处理，上，提出基于海事规则的水面无人艇动态障碍规使障碍物形状得到合理的简化。避方法。该方法根据国际海上航行规则公约将碰国内大部分学者对障碍物包围体的处理仅采撞情形划分为追越、正面相遇、交叉相遇3种局取圆形包围处理，未充分考虑到海面上运行的船面；引入极坐标系下的粒子群优化算法，通过改舶均为长宽比较大的障碍，仅采取圆形包围会损变无人艇航速和航向，实现规避动态障碍物的失大量可行区间，从而造成避障策略不合理。

5、这目的里对障碍物的包围体处理包括两种方式。1)对长宽比较小(取小于2：1)的障碍物来1极坐标系下的建模说，采用圆形进行障碍包围，不会损失太多的可行常用的两种平面坐标系为笛卡尔坐标系和极路径；且极大地简少了计算量，可有效缩短计算时坐标系。笛卡尔坐标系在建模时具有局限性，如长。外包圆具体取值方法为：其直径取障碍物所只能向前走，容易掉人陷阱；而极坐标空间则对长有顶点连线的最大值，即度和角度敏感，可以将各维分量与路径处的期望r=max{lPPjl／2}航速和航向关联，并且便于描述障碍物信息。所式中：P——障碍顶点且(i，J∈N，i≠)，圆心即

6、为最大连线的中点。2)对长宽比较大(大于2：1)的障碍物来说，收稿日期：2014—12—16修回日期：2015—01—19将障碍物进行更贴合实际形状的模拟(即有向包第一作者简介：杜开君(1987一)，男，硕士生围盒，OBB)。虽然增大了计算量，但采用此方研究方向：船舶先进制造技术法，可得到更多的有效路径区间，产生更优的避障E—mail：dkjkls@126．corn路径，使得避障能耗更小、续航力更久。1192o15~杜开君等：基于海事规则的水面无人艇动态障碍规避方法船海工程，第3期第44卷无人艇在海面航行过程中，会存在许多不确：arc

7、tan-1f＼二二旦二定性因素，如障碍物运动的不确定性、无人艇本身svCOS(一0)一Vobcos(f3—0)，运动的不确定性、执行机构运行时的不确定性、无(2)人艇自身定位和对障碍物进行探测的系统也不可令=一VvCOS(O／Vocos(je测避免地存在误差等。为了简化计算，将水面无人sv一)一b一)’艇作为一个质心处理，所以还需要对障碍物进行可表示为包含无人艇航速、障碍物速度和各自膨胀建模。方位信息的函数。对调整变量进行求导。dy=2动态障碍物避障模型d{【．rctn一-f＼二二旦二l：无人艇和圆形动态障碍物当前时刻的几何模svCO

8、S(一0)一Vob8cos(~一0)，J型见图1。图中：为无人艇的运动速度；Vo为d(arctan一sv，，，卢))(3)障碍物的运动速度；为极轴到刖的角度，可表式中：示为o／=(w，e)，其中：e为极轴；同理卢=(V，