[發明專利]一種帶長拖曳線陣列的無人船避障方法

有效

• 申請號: 202010059881.X
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111158381B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 陳岱岱;吳富民;駱曹飛;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

本發明涉及船舶控制技術領域，具體公開了一種帶長拖曳線陣列的無人船避障方法，包括如下步驟：S1、構建水面障礙物膨脹化區域；S2、計算障礙物相對無人船的相對位置和相對速度；S3、獲取無人船的速度障礙區；S4、將速度障礙區矢量劃分為若干個速度障礙網格，每個速度障礙網格對應航速和航向；計算每個速度障礙網格對應的最近會遇距離DCPA和到達最近會遇距離處的時間值TCPA；S5、計算每個速度障礙網格的代價函數；S6、選取代價函數最小的一個速度障礙網格作為下一步帶長拖曳線陣列無人船的控制指令。采用本發明的技術方案能夠實現長拖曳線陣列和水面無人船整體避障。

技術領域

本發明涉及船舶控制技術領域，特別涉及一種帶長拖曳線陣列的無人船避障方法。

背景技術

在船舶智能化發展的趨勢下，利用無人船替代人員執行任務成為當前的研究熱點。為了充分保障無人船的航行安全，國內外學者提出了無人船避碰方法。其中的典型方法是上海大學提出的橢圓碰撞錐的無人艇動態避障方法(蒲華燕,丁峰,李小毛,et?al.基于橢圓碰撞錐的無人船動態避障方法[J].儀器儀表學報,2017(7).)，依據《國際海上避碰規則》對動態船只進行橢圓聚類，提升了無人船的避障效率。在探測到靜態、動態障礙物時進行近程的大幅機動。

然而，該種方法僅適用于無人船船體本身避碰，并不適用于包含拖曳式負載的無人船。現階段無人船舶功能需求的日益增多，針對無人船船體本身的避障方法逐漸顯示出其局限性。例如，水下探測型無人船往往搭載了較為昂貴的拖曳任務載荷，如若沿用此前針對無人船船體避障設計的方法，過大幅度的機動、連續轉彎機動將可能導致拖曳纜陣打結、斷裂的情況，水下拖曳體跟隨運動的滯后性甚至導致拖曳纜纏入其他船只螺旋槳，造成更大的損失。

目前為了實現提升對海探測效率，拖曳線陣列越來越長，有的拖曳線陣列已達近千米，進一步提升了避障的難度。

發明內容

本發明提供了一種帶長拖曳線陣列的無人船避障方法，能夠實現長拖曳線陣列和水面無人船整體避障。

為了解決上述技術問題，本申請提供如下技術方案：

一種帶長拖曳線陣列的無人船避障方法，包括如下步驟：

S1、帶長拖曳線陣列的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；

S2、計算障礙物相對無人船的相對位置和相對速度；

S3、獲取無人船的速度障礙區；

S4、將速度障礙區矢量劃分為若干個速度障礙網格，每個速度障礙網格對應航速和航向；計算每個速度障礙網格對應的最近會遇距離DCPA和到達最近會遇距離處的時間值TCPA；

S5、計算每個速度障礙網格的代價函數；

S6、選取代價函數最小的一個速度障礙網格作為下一步帶長拖曳線陣列無人船的控制指令。

基礎方案原理及有益效果如下：

1.針對傳統無人船避碰方法只能解決船體本身避碰的問題，本方案能夠綜合無人船和拖曳線陣列的運動特性，實現對障礙物的“無人船+拖曳線陣列”整體避碰。方案同時利用了相對位置和相對速度信息，由于相對速度矢量在時空信息上的延展性，相比于僅僅利用了相對位置空間信息的人工勢場法，大大將避障動作提前了，為拖曳體的避障提供了充分的時空裕度，能夠更優地實施整體避障，更加適用于拖曳線陣列較長的應用場景，取得了意想不到的優秀避障性能。在實現無人船避障的基礎上，本方案能同時保證拖曳線陣列的空間安全。通過控制拖曳線陣列自由尾端，避免其進入障礙物膨脹化區域，同時所需的避障路徑也大大縮短，無人船航速下降更小。