[发明专利]基于SBG和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法

说明书

本发明公开了一种基于SBG和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法，使无人船能够沿预先规划的路径航行的同时规避障碍物，采用基于SBG算法的无人船模式切换方法，当满足一定条件时，能够使无人船在路径跟随模式和避碰模式之间进行切换，以实现航迹跟踪控制与避碰路径规划相结合；考虑到船舶自身的操纵性，设计基于动态窗口约束的反应式避碰方法，有效解决控制器无法达到避碰输出的状态的情况；同时结合国际海事规则，设计满足海事规则的无人船避碰路径，确保无人船避碰时的安全性。

技术领域

本发明涉及无人船自主动态避碰方法，尤其涉及一种基于SBG和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法。

背景技术

广阔的海洋蕴藏着丰富的生物资源、矿产资源，随着科学技术迅猛发展，必将成为各国争夺资源的主战场。无人水面船(USV，Unmanned Surface Vessel)作为一种依靠远程遥控或自主方式，在水面航行的无人化、智能化运载平台，相较于常规船舶具有体积小、速度快、智能化程度高的特性。在民用方面，无人船可以减少费用支出并提高船舶航行的安全性；在军事方面，无人船能够部署在危险海域执行任务，以及不适于有人舰艇或船只执行的任务，以保障人身安全。

由于水面无人船作业环境复杂，受动静态障碍物影响，因此具备一定的危险规避能力既是保证无人船安全航行的前提，又是无人船进行操作的必要条件。无人船避碰规划包括全局路径规划和局部避碰，全局路径规划根据已知海域的信息，通过静态的方法，规划出一条从起点到终点的避碰路径；局部避碰根据船载传感器信息以获取船舶位姿及探测范围内障碍物的分布情况，从而通过避碰算法实时规划出局部无碰路径。由于水域中存在大量无法提前预知的障碍物，因此通过实时传感器进行局部危险规避拥有的重要的研究价值和广阔的应用前景。

目前，传统的局部避碰方法很少考虑船舶操纵性能的约束，在高速情况下容易生成动力学无法达到的避碰输出；另外，大部分现有的方法并未考虑国际海事规则，单纯是为了规避障碍物而设计算法，在实际避碰中容易造成危险。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于SBG和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法，使无人船在沿全局路径规划的航迹航行的同时规避障碍物。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于SBG和动态窗口约束的无人船自主动态避碰方法，包括步骤：

(1)获取无人船和障碍物的速度信息和位置信息，并根据SBG切换方法判断无人船选择路径跟踪模式还是避碰模式；

(2)若无人船无碰撞危险，则选择路径跟踪模式，朝目标点移动；若需要规避障碍物，则选择避碰模式，并根据国际海上避碰规则判断会遇局面，并确定无人船从哪一侧绕过障碍物；

(3)通过分别从无人船和下一路径点向内圆作切线得到交点的方法求得避碰路径点，并根据无人船绕行方向选择避碰路径点；

(4)通过瞄准线制导算法求取无人船规避障碍物时所需的艏摇角度；

(5)根据无人船方向舵和螺旋桨的限制，求得无人船的动态窗口和艏向窗口；

(6)将无人船到达避碰路径点所需的艏摇角度与艏向窗口进行比较，若艏摇角度在艏向窗口内，则无人船按该角度行驶；反之，则根据COLREGS规则，无人船采取艏向窗口的最大或最小艏向角行驶；

(7)判断无人船是否到达避碰路径点。若无人船到达避碰路径点，则恢复到轨迹跟踪模式，反之，则转到步骤4继续规避障碍物。

进一步地，所述步骤1中，所述SBG切换方法具体为：当无人船与障碍物的距离在100m以内，且随时间变化距离逐渐缩短时，无人船从路径跟踪模式切换到避碰模式；否则，无人船保持路径跟踪模式，以固定的速度向下一路径点航行。

进一步地，所述步骤2中，所述会遇局面包括追越局面、对遇局面和交叉局面。