[發明專利]一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法

有效

• 申請號: 202010059874.X
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111158380B
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 陳岱岱;駱曹飛;吳富民;富玲峰;李培正;徐峰;嚴海鳴
• 申請（專利權）人: 中電科(寧波)海洋電子研究院有限公司
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 重慶強大凱創專利代理事務所(普通合伙) 50217
• 代理人: 蒙捷

1.一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、建立帶拖曳線陣列的無人船的一體化模型，并基于一體化模型通過仿真計算得到在巡航速度下無人船打舵角度時的拖曳線陣列內收距離；

S2、無人船利用搭載的環境感知設備對水面障礙物探測，連續跟蹤水面障礙物，實時輸出水面障礙物的位置、障礙物中心坐標，并構建水面障礙物膨脹化區域；

S3、當無人船到水面障礙物的距離小于或等于避障安全距離時，執行基于虛擬斥力場的改進人工勢場算法，得到綜合勢場；

S4、利用綜合勢場的方向作為無人船下一步的航向角輸入指令，進行打舵，實施避障。

2.根據權利要求1所述的一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法，其特征在于：所述S1中，無人船的一體化模型，其表達式為：

式中，η＝(x,y,ψ)^T，其中x,y,ψ分別為x軸向位置，y軸向位置和航向角；

ν＝(u,v,r)^T,其中u,v,r分別為x軸向速度，y軸向速度，轉艏角速率；

M為質量矩陣，C(ν)為科氏矩陣，D(ν)為非線性阻尼矩陣；

m_i為拖曳線陣列單個節點的質量矩陣，i＝1,2,...,n，其中n為拖曳線陣列的分段數；

為第i個節點加速度；

F_i為作用于第i個節點上的力，包括節點處的重力、浮力、張力、剪切力和流體力；

J(ψ)為轉換矩陣。

3.根據權利要求2所述的一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法，其特征在于：所述S1中，轉換矩陣J(ψ)的表達式為：

4.根據權利要求3所述的一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法，其特征在于：所述S3中，基于虛擬斥力場的改進人工勢場算法，其計算包括如下子步驟：

S301、選定虛擬斥力點；

所述虛擬斥力點，位于以障礙物中心為圓心且以避障安全距離為半徑的圓上；虛擬斥力點與障礙物中心的連線與無人船的速度矢量垂直；

S302、構建虛擬斥力場；

所述虛擬斥力場，以虛擬斥力點為圓心，作用半徑為虛擬斥力場作用距離。

5.根據權利要求4所述的一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法，其特征在于：所述S3中，綜合勢場F′_all(t)的表達式為：

F′_all(t)＝F_att(t)+F′_rep(t)

式中，d₁＝2d₀+d₂，d₀為避障安全距離，d₁為虛擬斥力場作用距離，d₂為在巡航速度下無人船打舵角度時的拖曳線陣列內收距離；d(t)為障礙物到無人船的距離矢量，k′_rep為斥力增益系數；F_att(t)為引力場。

6.根據權利要求5所述的一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法，其特征在于：所述S3中，引力場F_att(t)表達式為：

F_att(t)＝k_attd_goal(t)

式中，F_att(t)為引力場，k_att為引力增益系數，d_goal(t)為無人船距離目標點的距離。

7.根據權利要求6所述的一種帶拖曳線陣列的水面無人船避障方法，其特征在于：所述S3中，虛擬斥力場作用距離d₁，其表達式為d₁＝2d₀+d_current+d₂，其中d_current為流作用下拖曳線陣列垂向于航向的偏移距離。