[發明專利]多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊方法

有效

• 申請號: 201810165108.4
• 申請日: 2018-02-28
• 公開（公告）號: CN108459602B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 賈知浩;李曄;廖煜雷;張偉;陳啟賢;張偉斌;王磊峰;潘愷文;姜權權;范佳佳
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G05D1/00;G01C21/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊方法，屬于水面無人艇局部動態靠泊規劃領域。包括：計算目標泊位的一級引導點，二級引導點；判斷無人艇是否到達一級引導點，二級引導點；計算無人艇當前位置與目標泊位間的距離；結合LOS視線法計算當前無人艇的靠泊約束集；計算當前無人艇與周圍障礙物的最短碰撞時間；計算當前情況下無人艇的橢圓碰撞錐；利用基于COLREGS的多障礙啟發式算法，選擇無人艇速度矢量；計算無人艇下一時刻的位置。在傳統速度障礙法中加入多級目標引導和靠泊約束集，成功實現多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊，充分考慮了無人艇自身動力學、運動學和目標泊位的約束特性，使無人艇在自主靠泊中遵守海事規則。

技術領域

本發明屬于水面無人艇局部動態靠泊規劃領域，具體涉及多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊方法。

背景技術

無人艇作為一種典型的欠驅動系統，在多障礙復雜環境下的局部動態靠泊規劃一直是其研究領域的核心之一。該問題的主要難點在于多數局部動態規劃方法沒有考慮目標點對無人艇速度艏向的約束以及靠泊過程中的避障效率，這些方法在視野開闊的海域也許可以得到令人滿意的結果，但是在交通復雜的港口碼頭里面，這些方法并不能完成無人艇的自主靠泊任務。

公開日2017年6月13日，公開號CN106845716A，發明名稱為“一種基于導航誤差約束的水面無人艇局部分層路徑規劃方法”的專利申請采用了分層思想，將局部路徑規劃劃分為靜態路徑規劃和動態路徑規劃兩個層面，即解決了靜態障礙物規避問題，又解決了動態障礙物規避問題，考慮了水面無人艇自身的動力學約束，并融合了海事規則，提高了規劃路徑的安全性。該方法雖然結合了海事規則和無人艇自身動力學約束，卻沒有考慮目標點約束和靠泊過程中無人艇的運動學約束，無法直接用于無人艇低速狀態下的自主靠泊任務。

公開日2018年1月5日，公開號CN107544500A，發明名稱為“一種考慮約束的無人艇靠泊行為軌跡規劃方法”的專利申請采用了改進人工勢場法，考慮無人艇自身運動約束，為無人艇的自主靠泊控制問題提供便利。但該方法沒有考慮無人艇靠泊過程中遇到的動態障礙，在規劃的過程中也沒有遵守海事規則，因此在復雜的動態環境中很難保證其規劃的有效性。

文獻“基于速度障礙原理的無人艇自動避碰算法”中，吳博等人提出了一種考慮風浪流影響下的無人艇操縱運動特性的改進速度障礙法，有效克服了局部路徑規劃的局限性，并且更符合無人艇實際航行避碰操縱要求，能夠使無人艇在具有多個動態障礙物的復雜環境中安全避讓。該方法雖然經過了仿真驗證，但它沒有結合COLREGS海事規則對無人艇的避讓機動進行調整，且沒有考慮目標點對無人艇的速度艏向約束。

本發明針對多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊實際問題，在經典速度障礙方法的基礎上，加入目標泊位對無人艇的艏向和速度約束，并在滿足欠驅動無人艇靠泊過程中運動特性的前提下，利用基于COLREGS的多障礙啟發式算法，完成多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊任務并通過仿真試驗取得了優良的效果。

發明內容

本發明的目的在于提供使無人艇在遵守國際海事公約的基礎上以盡可能高的效率進行自主靠泊的多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊方法。

本發明的目的通過如下技術方案來實現：

多障礙復雜環境下欠驅動無人艇的自主靠泊方法，包括以下步驟：

(1)由傳感器獲取無人艇當前的位置P(x_c,y_c)，速度v_c，角速度ω_c和艏向f_c；目標泊位的位置(x_A,y_A)和目標姿態角周圍障礙物的個數n位置(x_i,y_i)，速度v_i，艏向f_i，其中i＝0,1,2…n，并將碰撞障礙數j初始化為0；