[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于動(dòng)態(tài)導(dǎo)航船域和避碰規(guī)則的障礙物避碰方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110088455.3
• 申請(qǐng)日: 2021-01-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112965475A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧芳;靳磊磊;李博洋;于敦敬;楊化林
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 青島科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 青島中天匯智知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37241
• 代理人: 袁曉玲

本發(fā)明涉及一種基于動(dòng)態(tài)導(dǎo)航船域和國(guó)際海上避碰規(guī)則的障礙物避碰方法，其包括：根據(jù)無(wú)人船傳感器和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，獲取無(wú)人船和干擾船的基本信息，確定無(wú)人船和干擾船相對(duì)速度和相對(duì)方位角β，并基于避碰規(guī)則確定船舶間會(huì)遇局面；根據(jù)會(huì)遇船舶尺度、操縱性和相對(duì)速度、相對(duì)方位角，分別以無(wú)人船和干擾船為中心建立動(dòng)態(tài)導(dǎo)航船域；判斷無(wú)人船和干擾船的船域是否相交，若相交，則具有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，則進(jìn)行避碰操作，根據(jù)避碰規(guī)則，確定遭遇單干擾船和多干擾船時(shí)避碰操作方式，確定局部避碰路點(diǎn)，規(guī)劃避碰路徑并判斷何時(shí)結(jié)束避碰。本發(fā)明使無(wú)人船能夠沿預(yù)先規(guī)劃的路徑航行的同時(shí)規(guī)避障礙物，為船舶安全航行提供基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及無(wú)人船自主動(dòng)態(tài)避碰方法，尤其涉及一種基于動(dòng)態(tài)導(dǎo)航船域和避碰規(guī)則的障礙物避碰方法。

背景技術(shù)

無(wú)人船可在許多科學(xué)、民用和軍事領(lǐng)域中進(jìn)行各種應(yīng)用，具有能耗低、勞動(dòng)力成本低的優(yōu)點(diǎn)，許多國(guó)家都在大力發(fā)展無(wú)人船。據(jù)研究，大約50％的海上事故是由人為錯(cuò)誤引起的，另外30％的事故是由人類(lèi)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防的。使用智能防撞系統(tǒng)，無(wú)人船可以避免人為失誤，減少損失。無(wú)人船路徑規(guī)劃分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，其中局部路徑規(guī)劃根據(jù)傳感器動(dòng)態(tài)檢測(cè)到的障礙物信息通過(guò)避碰算法確定局部避碰路徑，是無(wú)人船避碰系統(tǒng)核心。

當(dāng)前無(wú)人船避碰通?；诖蚧蜃钚?huì)遇距離(DCPA)判斷碰撞風(fēng)險(xiǎn)，確定何時(shí)開(kāi)始避碰。DCPA方法相當(dāng)于利用圓形船域來(lái)判定碰撞風(fēng)險(xiǎn)，因其未能考慮船舶會(huì)遇狀態(tài)，從而不能充分估計(jì)船舶碰撞危險(xiǎn)及進(jìn)行避碰決策。船域是船舶航行時(shí)在其四周必須保持的安全區(qū)域。在不同遭遇狀態(tài)下利用船域?qū)Ρ敬透蓴_船進(jìn)行安全判斷有四種標(biāo)準(zhǔn)，包括：(a)自身船域不被侵犯；(b)不侵犯對(duì)方船域；(c)雙方船域互不侵犯；(d)雙方船域不相交?；谶@些標(biāo)準(zhǔn)，利用船域可以判斷碰撞風(fēng)險(xiǎn)并確定進(jìn)行避碰操作的時(shí)間。然而，現(xiàn)有關(guān)于船域的研究較少回答如何進(jìn)行局部避碰路徑規(guī)劃的問(wèn)題。

早期的統(tǒng)計(jì)船域通常基于船長(zhǎng)確定而忽略了船速和遭遇方式等因素建立，為靜態(tài)模型，沒(méi)有考慮船舶在不同船速下航行時(shí)對(duì)碰撞危險(xiǎn)的影響。此外，船舶操縱性能對(duì)船舶避碰時(shí)間有很大影響，操縱性能差的船舶應(yīng)該保持更大的安全距離。由此提出了解析的動(dòng)態(tài)船域，如四元船域，該船域?yàn)橛伤膫€(gè)半徑定義的組合橢圓，半徑的尺寸綜合考慮了船舶操縱性、船速和航向等信息。但該船域由四個(gè)半徑確定，直接用于避碰路徑規(guī)劃較為復(fù)雜。

此外，傳統(tǒng)避碰算法當(dāng)無(wú)人船與目標(biāo)船間距超過(guò)一固定距離時(shí)才結(jié)束避碰，這將導(dǎo)致避碰軌跡過(guò)長(zhǎng)，增加運(yùn)行成本。另外，為使船舶間能對(duì)避碰操作達(dá)成一致的理解，所有海上航行船舶都應(yīng)遵守《國(guó)際海上避碰規(guī)則》(簡(jiǎn)稱(chēng)“避碰規(guī)則”)的規(guī)定，否則將由于不能理解對(duì)方的避碰行為而引起碰撞危險(xiǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于動(dòng)態(tài)導(dǎo)航船域(Dynamicnavigation ship domain,DNSD)和避碰規(guī)則的障礙物避碰方法。在船域的設(shè)計(jì)上充分考慮了無(wú)人船操縱特性、船舶尺度、會(huì)遇船舶間相對(duì)速度和相對(duì)方位角等因素影響以及船艏和船尾安全會(huì)遇距離的不同，形成了尺寸可變的動(dòng)態(tài)導(dǎo)航船域，實(shí)時(shí)地反映船舶避碰存在的風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過(guò)基于避碰規(guī)則的不同會(huì)遇局面確定避碰操作并判斷何時(shí)結(jié)束避碰操作，為船間動(dòng)態(tài)避碰提供決策依據(jù)，降低航行成本。

(二)技術(shù)方案

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案包括：

101、通過(guò)無(wú)人船傳感器和船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，獲取無(wú)人船和干擾船的基本信息，確定無(wú)人船和干擾船相對(duì)速度和相對(duì)方位角β，并基于避碰規(guī)則確定船舶間會(huì)遇局面；

102、根據(jù)會(huì)遇船舶尺度、操縱性和相對(duì)速度、相對(duì)方位角，分別以無(wú)人船和干擾船為中心建立動(dòng)態(tài)導(dǎo)航船域；

103、判斷無(wú)人船和干擾船的船域是否相交，若相交，則具有碰撞風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行避碰操作，根據(jù)避碰規(guī)則，確定遭遇單干擾船和多干擾船時(shí)避碰操作方式，確定局部避碰路點(diǎn)，規(guī)劃避碰路徑并判斷何時(shí)結(jié)束避碰。