[发明专利]一种基于避碰准则的多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，具体涉及一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法。该方法包括：步骤1、制定合理的USV避碰规则；步骤2、多USV系统建模，计算运动参数和碰撞危险度；步骤3、构建USV避碰规划仿真软件平台，添加雷达探测模块和遗传算法，设计典型的仿真案例验证算法的有效性。本发明使多个USV从起点出发躲避环境中所有静态障碍物到达终点，在整个航行过程中USV之间不发生碰撞且在相遇时遵守避碰准则采取避碰策略，同时避免出现大角度转向、紧急加减速的情况。本发明致力找到严格遵守避碰准则的多USV避碰规划方法，并且解决航行过程的大角度转向、大范围加减速的不良航行问题。实现路径最短、符合经济性、平滑性、安全性的最优避碰。

技术领域

本发明属于USV控制技术领域，具体涉及一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法。

背景技术

随着无人水面艇USV技术的发展，单一USV的执行任务的能力、航行的鲁棒性、安全性等性能都有很大提升。然而USV经常被用来在严峻复杂的海洋环境中执行各种特殊的、不适合有人平台完成的军事活动、海事监管、海洋环境监测等任务，对于这样复杂、动态性高的任务，单一USV则难以胜任。针对这样的情况，多USV群体协同作业能最大限度地发挥整体优势，有效弥补单一USV难以完成的任务领域。另一方面，USV航行环境不仅包含海岛、礁石等静态障碍物，还受海浪、海流等海况和运动的船舶等动态障碍物的影响，在复杂动态的海洋环境里多USV能安全航行作业的重要前提就是实现避碰功能。目前，国际上并没有官方针对USV制定避碰规则，只是参考《国际海上避碰规则公约》提出各种避碰方法，国内外对考虑避碰准则的多USV避碰规划技术的研究较少，具有代表性如文献“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.”，提出的USV避碰方法计算分布静动态障碍物的航行环境的USV运动参数及碰撞可能性，将其和经济性、安全性作为适度函数因子建立迭代过程得出避碰路径。文献“茅云生、宋利飞、向祖权等.水面无人艇多船障碍智能避碰[J].大连海事大学学报,2015,41(4):8-13.”提出基于避碰紧迫度、安全性预测以及调整范围的模糊规划方法，建立障碍船的偏心膨胀运动模型对追越、対遇情况进行避碰规划。文献“尚明栋、朱志宇、周涛等.水面无人艇动态避碰策略研究[J].舰船科学技术,2017,39(9):69-73.”提出基于USV操纵运动模型的避碰方法，根据海事规则将会遇分为対遇、交叉和追越三种，在MMG模型基础上对航速和航向进行规划实现避碰。

现有技术的缺陷：现有的考虑避碰准则的多USV避碰方法对动态目标会遇局势划分简单粗略，不足以详细描述各种会遇情况，并且针对各种会遇局势没有给出明确可行的避碰策略，文献“茅云生、宋利飞、向祖权等.水面无人艇多船障碍智能避碰[J].大连海事大学学报,2015,41(4):8-13.”和文献“尚明栋、朱志宇、周涛等.水面无人艇动态避碰策略研究[J].舰船科学技术,2017,39(9):69-73.”只将会遇分为対遇、追越、交叉三种，每种会遇局势包含角度过大使得制定的避碰策略不能保证该会遇的角度范围内所有角度相遇都能实现最优避碰。文献“茅云生、宋利飞、向祖权等.水面无人艇多船障碍智能避碰[J].大连海事大学学报,2015,41(4):8-13.”将会遇划分很详细，然而制定的各种避碰措施未考虑实际航行的操作性，设计的仿真案例非常简单，并不足以验证划分的会遇局势与制定的避碰策略的可行性与合理性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法。

一种基于避碰准则的多USV群体协同避碰规划方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据《国际海上避碰规则》制定USV避碰规则，进而划分多USV会遇局势并针对各种会遇局势设计避碰策略；

步骤2：多USV系统建模，计算运动参数和碰撞危险度，判断是否需要采取避碰措施及采取避碰策略的种类和时间；

步骤3：构建USV避碰规划仿真软件平台，添加雷达探测模块和遗传算法。