基于椭圆碰撞锥的无人艇动态避障方法
发布时间：2020-03-16 03:22
【摘要】：为了提高无人艇在海洋动态避障中的效率,提出一种基于椭圆聚类-碰撞锥推演的可预测型无人艇海洋动态避障控制方法。在现有的路径规划算法,大多数对障碍物进行圆形建模,进一步采取规避措施。依据无人艇在海洋环境下实际的碰撞问题,提出对动态船只进行椭圆聚类,进一步提高无人艇的避障效率。提出的避障算法结合了《国际海上避碰规则》(COLREGS),并在避障结束后回归到初始规划轨迹上,最后,对提出的动态避障算法进行了仿真分析和实验测试。
【图文】：
基于椭圆碰撞锥预测的方法推演预测点与椭圆之间的碰撞，进一步提高无人艇对动态船只的避障效率。为了验证文中方法的有效性，本文开展了椭圆碰撞锥推演的仿真研究和“精海3号”无人艇实际海试避障测试。仿真分析和海试实验结果验证了本文所提方法的有效性。2无人艇海洋动态避障控制方法2．1点与椭圆的碰撞锥算法在海洋环境下，无人艇所面对的动态障碍主要是大型船只，船只的长轴与短轴比例悬殊，为了提高无人艇对动态障碍的避障效率，本文中对动态障碍进行椭圆聚类，提出了在二维环境中点与椭圆的碰撞锥推演算法。图1点与椭圆碰撞问题示意图Fig．1Collisiongeometrybetweenapointandaellipse如图1所示，点A(USV)与椭圆F(障碍物)分别以VA、VF运动，α和β是速度方向，椭圆F的长、短轴分别为a和b，C1、C2是椭圆的两个焦点。那么，在视线(line-of-sight，LOS)线上的相对运动可以表示为:Vr=r·=VBcos(β－θ)－VAcos(α－θ)(1)Vθ=rθ·=VBsin(β－θ)－VAsin(α－θ)(2)式中:Vr和Vθ分别表示A与B沿着LOS方向的相对速度分量。由于在此考虑的是目标点的瞬时速度，α和β是常数，，对上述两式微分，则有:V·r=θ·VBsin(β－θ)－θ·VAsin(α－θ)=θ·Vθ(3)Vθ·=θ·VBcos(β－θ)－θ·VAcos(α－θ)=－θ·Vr(4)对式(3)、(4)分别进行联立和积分，则有:Vr·Vr+Vθ·Vθ=0(5)V2r+V2θ=V2r0+V2θ0(6)假设在t=tm时刻(tm为点与椭圆距离最近的时刻)，Vrm=0，此时r达到最小
非负值的情况下才是有效碰撞的条件。因此，把tm＞0代入式(18)，得到:Vr02Vθ01+Vr01Vθ02≤0(21)式(20)和(21)就是点与椭圆的碰撞判别条件，求出所有会发生碰撞的角度集合［α1，α2］，该集合称之为点与椭圆的碰撞锥。2．2国际海上避碰规则的约束无人艇在海洋环境下航行时，当遇到障碍物进行避障，尤其是船只时，为了避免对其他船只及无人艇自身的安全造成威胁，在避障过程中必须遵循《国际海上避碰规则》(internationalregulationsforpreventingcollisionsatsea，COLＲEGS)，如图2所示。海上交通规则特别规定了当有船舶发生碰撞威胁的时候应该采取的有效措施。当无人艇接近其他的船舶时，无人艇的导航避障算法必需遵循《国际海上避碰规则》才能安全的避过其他船舶。因此，本文提出的无人艇避障算法也遵循《国际海上避碰规则》。图2海事规则冲突情景定义Fig．2ConflictscenarioofCOLＲEGS2．3动态避障方法在海洋环境中，无人艇相对于其他海洋船只，体积差别很大，所以在考虑无人艇与海洋中动态船只的避碰问题中，本文把无人艇当作一个质点看待。那么，无人艇与其他船只的避碰问题就转变为点与有相对大小的椭圆的避碰问题。无人艇采取的避障措施在航行过程中，较多使用的是不改变航速，仅改变航向。在本文中，无人艇计算出碰撞区间后，依据当前航向转向最小角度来决定避障角度。碰撞锥区间集合N记作N={α:α1＜α＜α2］}，其中0＜α1＜2π，0＜α2＜2π。假设无人艇当前航向角为α0，如果abs(α1－α0)＞abs(α2－α0)，那么避障角度φ=α2+ζ。其中φ为避障角度，ζ是为了保障避障安全而人为规定的安全角度限制，大小可以根据无人艇
本文编号：2587321
【图文】：
基于椭圆碰撞锥预测的方法推演预测点与椭圆之间的碰撞，进一步提高无人艇对动态船只的避障效率。为了验证文中方法的有效性，本文开展了椭圆碰撞锥推演的仿真研究和“精海3号”无人艇实际海试避障测试。仿真分析和海试实验结果验证了本文所提方法的有效性。2无人艇海洋动态避障控制方法2．1点与椭圆的碰撞锥算法在海洋环境下，无人艇所面对的动态障碍主要是大型船只，船只的长轴与短轴比例悬殊，为了提高无人艇对动态障碍的避障效率，本文中对动态障碍进行椭圆聚类，提出了在二维环境中点与椭圆的碰撞锥推演算法。图1点与椭圆碰撞问题示意图Fig．1Collisiongeometrybetweenapointandaellipse如图1所示，点A(USV)与椭圆F(障碍物)分别以VA、VF运动，α和β是速度方向，椭圆F的长、短轴分别为a和b，C1、C2是椭圆的两个焦点。那么，在视线(line-of-sight，LOS)线上的相对运动可以表示为:Vr=r·=VBcos(β－θ)－VAcos(α－θ)(1)Vθ=rθ·=VBsin(β－θ)－VAsin(α－θ)(2)式中:Vr和Vθ分别表示A与B沿着LOS方向的相对速度分量。由于在此考虑的是目标点的瞬时速度，α和β是常数，，对上述两式微分，则有:V·r=θ·VBsin(β－θ)－θ·VAsin(α－θ)=θ·Vθ(3)Vθ·=θ·VBcos(β－θ)－θ·VAcos(α－θ)=－θ·Vr(4)对式(3)、(4)分别进行联立和积分，则有:Vr·Vr+Vθ·Vθ=0(5)V2r+V2θ=V2r0+V2θ0(6)假设在t=tm时刻(tm为点与椭圆距离最近的时刻)，Vrm=0，此时r达到最小
非负值的情况下才是有效碰撞的条件。因此，把tm＞0代入式(18)，得到:Vr02Vθ01+Vr01Vθ02≤0(21)式(20)和(21)就是点与椭圆的碰撞判别条件，求出所有会发生碰撞的角度集合［α1，α2］，该集合称之为点与椭圆的碰撞锥。2．2国际海上避碰规则的约束无人艇在海洋环境下航行时，当遇到障碍物进行避障，尤其是船只时，为了避免对其他船只及无人艇自身的安全造成威胁，在避障过程中必须遵循《国际海上避碰规则》(internationalregulationsforpreventingcollisionsatsea，COLＲEGS)，如图2所示。海上交通规则特别规定了当有船舶发生碰撞威胁的时候应该采取的有效措施。当无人艇接近其他的船舶时，无人艇的导航避障算法必需遵循《国际海上避碰规则》才能安全的避过其他船舶。因此，本文提出的无人艇避障算法也遵循《国际海上避碰规则》。图2海事规则冲突情景定义Fig．2ConflictscenarioofCOLＲEGS2．3动态避障方法在海洋环境中，无人艇相对于其他海洋船只，体积差别很大，所以在考虑无人艇与海洋中动态船只的避碰问题中，本文把无人艇当作一个质点看待。那么，无人艇与其他船只的避碰问题就转变为点与有相对大小的椭圆的避碰问题。无人艇采取的避障措施在航行过程中，较多使用的是不改变航速，仅改变航向。在本文中，无人艇计算出碰撞区间后，依据当前航向转向最小角度来决定避障角度。碰撞锥区间集合N记作N={α:α1＜α＜α2］}，其中0＜α1＜2π，0＜α2＜2π。假设无人艇当前航向角为α0，如果abs(α1－α0)＞abs(α2－α0)，那么避障角度φ=α2+ζ。其中φ为避障角度，ζ是为了保障避障安全而人为规定的安全角度限制，大小可以根据无人艇
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