[發明專利]一種用于無人船自主避障的裝置及方法

有效

• 申請號: 202011324979.X
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112462766B
• 公開（公告）日: 2022-09-09
• 發明（設計）人: 仲偉波;常琦;馮友兵;李浩東;許強;齊國慶;孫彬;張云;艾迎春
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 杭行

1.一種無人船自主避障方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1：避障系統初始化，設A點為航跡起點，B點為指定路徑上的航跡點，O點為無人船實時位置；以無人船為圓心，以可視半徑R為半徑作圓，交直線AB于兩點P和P1，距目標B點較近點P為實時目標點，無人船實時位置O與實時目標點P的連線方向為實時目標航向角Ψ_r；無人船實時航向Ψ可通過導航模塊獲取；

步驟2：檢測是否存在障礙物，當無人船到達障礙物影響范圍內時，通過雷達測得障礙物的方位角α、距離ε和速度V；

步驟3：計算避障角度，將數據送入方位權函數、距離權函數和速度權函數，得到對應的權值ω1、ω2和ω3，權值與無人船單側最大角度改變量相乘，得到一個避障角度將權函數定義為：

上述式(1)中的權函數為一階高斯函數，在方位權函數中，其期望為0，sgn(α)符號函數表現了障礙物與無人船的位置關系，決定了無人船避障方向；無人船前方±60°領域內的障礙物威脅性最大，±60°以外危險程度較低，帶入式(1)來確定方差c₁²：

在距離權函數式(2)中，期望為0，方差c₂²越小，無人船進入高風險時的距離越小；

將無人船當前航速V₀考慮在內，設定最短會遇時間TCPA≥n秒時無人船擁有足夠的反應時間做出避障動作，最短會遇距離DCPA應滿足

DCPA＝V₀×TCPA；

當ε≤DCPA時無人船進入高風險區，帶入式(2)

得到距離權函數中的方差c₂²；

障礙物速度V＝0時，障礙物靜止，危險系數最小，設定雷達能夠探測障礙物最大速度為V_max,帶入式(3)求得期望b₃＝V_max和方差c3²

步驟4：將作為航向控制的輸入，其中ΔΨ＝Ψ_r-Ψ，通過驅動電機和舵機系統控制無人船駛離障礙物。

2.根據權利要求1所述的一種無人船自主避障方法，其特征在于，

步驟2中，根據無人船控制參數、目標信息以及水域信息確定安全會遇距離SDA，由雷達確定無人船與障礙物的距離ε，若ε大于SDA，則不需要采取避障措施，取避障角度若ε小于SDA，則表明無人船進入障礙物影響范圍內，相應地將障礙物距離、方位、速度數據進行加權處理。

3.根據權利要求1所述的一種無人船自主避障方法，其特征在于，

步驟3中，權重值ω1、ω2和ω3的大小共同決定了障礙物對于無人船的危險程度，最后的權值由三者的乘積決定，無人船單側航向的最大改變量為θ，因此，最終避障角度定義為：

4.根據權利要求1所述的一種無人船自主避障方法，其特征在于，用于該方法的裝置包括電源模塊、導航模塊、避障模塊和控制核心，通過避障模塊獲取障礙物的方位、距離和速度數據；導航模塊采用高精度差分GNSS用于實時獲取無人船經緯度坐標點、實時航向和航速，將數據作為輸入給到控制核心，輸出舵機改變量，通過航向調整躲避障礙物。