[发明专利]一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法

说明书

本发明属于USV控制技术领域，具体涉及一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法。本选取雷达传感器参数构建雷达探测模型，计算无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度；利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向等信息构建无通信情况下遗传算法评价函数；本发明在无通信情况下利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向等信息的作用辅助避碰规划，使多个USV从起点向终点的航行过程中躲避环境中所有静态障碍物、USV之间不发生碰撞、不出现大角度转向、大范围加减速，且航行路径符合经济性要求。本发明致力找到在无通信情况下充分利用雷达模块的探测作用来辅助避碰的方法。

技术领域

本发明属于USV控制技术领域，具体涉及一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法。

背景技术

自上世纪80年代以来，各个国家发现了水面无人艇USV的重大潜力且逐渐重视对USV的研究，投入大量的人力和资金并取得了重大的科研成果，大大推动了USV的各项技术的发展。随着单一USV技术逐渐走向成熟且为了有效弥补单一USV难以完成的任务领域，各国开始研究多USV群体协同航行作业。而避碰规划作为USV在复杂多变的海洋环境中安全稳定的航行和准确高效的完成各项任务的重要前提，始终是其研究的核心内容之一。在多USV避碰规划的研究与实际避碰过程中，USV之间普遍会进行通信，然而同样会有通信模块失效的情况出现，此时则完全依靠雷达感知周围环境。目前，国内外能稳定实现多USV群体协同避碰规划的方法较少，并且大部分忽略了或者没有考虑通信情况。其中考虑了无通信情况的具有代表性如文献[1],设计了基于进化遗传算法的无人艇避碰决策系统，在无通信情况下利用雷达传感器模块感知周围的静态障碍物和动态目标，划分会遇局势并计算碰撞可能性来建立优化迭代过程得出避碰路径。文献[2]提出了一种主从结构的并行多水下机器人AUV协同避碰规划方法，在无通信条件下利用声呐传感器感知周围环境信息并采用工作空间环境法建立环境模型，算法子层结构和主层结构分别应用粒子群并行算法和微分进化算法实时考虑到障碍物和其他水下机器人的距离来生成当前的最优路径。

现有技术的缺陷：现有的多USV群体协同避碰规划方法在无通信情况下并没有充分利用传感器模块探测周围环境来辅助避碰，传感器探测范围和探测信息种类理想化，且有的文献也会在无通信情况下利用通信模块才能得到的信息进行避碰。文献“刘佳男.基于进化遗传算法的无人艇避碰系统研究[D].大连：大连海事大学硕士学位论文,2015.”并没有讨论传感器模块的探测范围和探测信息的种类，在计算碰撞可能性时利用的相对距离、相对速度若在探测范围以外则存在错误。文献“李东正等.基于主从结构的多水下机器人协同路径规划[J].计算机仿真,2015,32(1):382-387.”主从结构AUV算法子层与算法主层约束条件复杂且存在耦合，存在求解困难、迭代时间长、陷入局部最优的问题，算法中默认探测到空间所有障碍物和其他AUV，未考虑声呐的探测范围和角度，不符合实际。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法

一种考虑无通信的多USV群体协同避碰规划方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：选取雷达传感器参数构建雷达探测模型，利用雷达模块探测静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息，计算无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取的时间；

步骤2：利用雷达模块探测进入雷达探测范围内的静态障碍物位置和动态USV位置、速度、艏向信息构建无通信情况下遗传方法评价函数；

步骤3：添加雷达探测模块调试USV避碰规划。

步骤1所述的无通信情况下的多USV运动参数及碰撞危险度的计算包括：在无通信情况下，USV之间只能通过导航雷达测量静态障碍物位置和其他USV位置、速度、艏向参数，其中第i时刻雷达探测范围内探测出有障碍物的扫描点集合为：