[發明專利]基于傳感器檢測障礙物速度誤差的無人水面艇VO避障方法

在審

• 申請號: 201811042047.9
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN109358615A
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 陳曉虎;劉梅;彭艷;謝少榮;羅均
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發明公開了基于傳感器檢測障礙物速度誤差的無人水面艇VO避障方法。速度障礙法是一種普遍應用在無人水面艇(unmanned surface vehicle,USV)上的動態避障方法。由于VO法是建立在速度空間上，所以障礙物的速度誤差會對無人艇避障產生影響，但原始的速度障礙法未考慮無人水面艇運動學性能與障礙物運動信息誤差的影響，或是用離散化逼近法表示最終的碰撞VO區域，不能完全覆蓋危險區域。且提出基于傳感器檢測障礙物誤差的無人水面艇改進的VO避障方法，能完全覆蓋所有危險區域。且經過仿真驗證，能避開動態障礙物。

技術領域

本發明涉及水面無人艇避開動態障礙物的算法，具體是一種基于傳感器檢測障礙物速度誤差的無人水面艇VO避障方法。

背景技術

無人水面艇(unmanned surface vehicle,USV)是一種輕型智能水面運載工具。如果要保證無人水面艇能夠在海洋中安全地航行,那么無人水面艇必須能夠對航行過程中遇到的島嶼、暗礁、燈塔、浮標和航行的船只等其他障礙物進行自主避障。當障礙物為靜態時稱為靜態避障；當障礙物為動態時稱為動態避障,動態避障算法也可用于靜態避障.動態避障算法比較有難度,因為通過移動機器人自身攜帶的傳感器很難精確地獲得動態障礙物的運動信息,無法對障礙物的運動趨勢進行準確的預測。而無人艇具有吃水淺、自主航行、自主避障、任務載荷配置靈活的特點，是解決近海島礁海域海圖序列不完整問題、復雜海域環境監測問題的有效科技手段，同時也是提升我國海洋軍事裝備能力，維護我國海洋權益、處理南海等熱點海域局勢的重要海洋裝備。

隨著世界各國對水面無人艇的應用研究越來越廣泛，對水面無人艇智能化水平的要求也在不斷提高，要求水面無人艇在運動過程中具有與周圍環境交互的能力，即要求水面無人艇具有從周圍環境中收集有用信息，構造符號化的環境模型，并利用模型來規劃并執行上層任務的能力，其中路徑規劃問題就是核心問題之一。水面無人艇的路徑規劃是指在靜動態障礙物并存的海洋環境中，尋找一條從給定起點到終點的滿足一定評價標準的運動路徑，使水面無人艇在航行過程中能安全可靠地避開所有障礙物。路徑規劃的分類方法很多，按層次關系可分為全局路徑規劃和局部路徑規劃；按照對環境的了解程度，分為環境已知，環境部分已知，環境未知三種規劃；同時還有基于功能、行為的規劃等等。全局路徑規劃和局部路徑規劃是建立在機器人對其環境了解程度的基礎上。水面無人艇的全局規劃著眼于規劃出一條從起始點到目標點的無碰撞路徑，綜合考慮上層模塊的任務要求和水面無人艇本身的運動性能，確立某種最優性能函數，通過一定的搜索方式，就能在水面無人艇的運動空間中找到相應的優化路徑。水面無人艇的局部規劃立足于實時性，根據傳感器信息確定水面無人艇在地圖中的當前位置以及周圍局部范圍內障礙物的分布情況，規劃下一時刻的運動，從而避開動態障礙物。

VO(Velocity Obstacle)是無人艇A相對于障礙物B所有相對速度的集合，這個相對速度將導致無人艇A和障礙物B發生碰撞，這是VO最原始的定義。換句話說，VO就是速度的集合，如果從這個集合中選取速度，將會造成兩船碰撞。

速度障礙法設定完全已知障礙物的運動信息,而在實際的航行過程中,無人水面艇通過自身攜帶的雷達、視覺、激光等傳感器而獲得的障礙物的運動信息會有誤差,利用有誤差的信息進行避障可能會引起無人水面艇與障礙物碰撞,故需要考慮傳感器的檢測誤差和障礙物運動信息的誤差。

發明內容

本發明的目的在于針對已有技術的不足，提供一種基于傳感器檢測障礙物速度誤差的無人水面艇VO避障方法。

速度障礙物法(Velocity Obstacle)是一種普遍應用在無人水面艇(unmannedsurface vehicle,USV)上的動態避障方法。由于VO法是建立在速度空間上，所以障礙物的速度誤差會對無人艇避障產生影響，但傳統的速度障礙法未考慮無人水面艇運動學性能與障礙物運動信息誤差的影響，或是是用幾組障礙物特殊速度誤差情況來表示障礙物所有的速度誤差，不能真實的反映避障效果。本發明從理論上提出一種改進方法，可以表示考慮障礙物所有速度誤差后的整個VO區域。