【摘要】：為了提高無人艇在海洋動態(tài)避障中的效率,提出一種基于橢圓聚類-碰撞錐推演的可預測型無人艇海洋動態(tài)避障控制方法。在現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法,大多數(shù)對障礙物進行圓形建模,進一步采取規(guī)避措施。依據(jù)無人艇在海洋環(huán)境下實際的碰撞問題,提出對動態(tài)船只進行橢圓聚類,進一步提高無人艇的避障效率。提出的避障算法結合了《國際海上避碰規(guī)則》(COLREGS),并在避障結束后回歸到初始規(guī)劃軌跡上,最后,對提出的動態(tài)避障算法進行了仿真分析和實驗測試。
【圖文】：

基于橢圓碰撞錐預測的方法推演預測點與橢圓之間的碰撞，進一步提高無人艇對動態(tài)船只的避障效率。為了驗證文中方法的有效性，本文開展了橢圓碰撞錐推演的仿真研究和“精海3號”無人艇實際海試避障測試。仿真分析和海試實驗結果驗證了本文所提方法的有效性。2無人艇海洋動態(tài)避障控制方法2．1點與橢圓的碰撞錐算法在海洋環(huán)境下，無人艇所面對的動態(tài)障礙主要是大型船只，船只的長軸與短軸比例懸殊，為了提高無人艇對動態(tài)障礙的避障效率，本文中對動態(tài)障礙進行橢圓聚類，提出了在二維環(huán)境中點與橢圓的碰撞錐推演算法。圖1點與橢圓碰撞問題示意圖Fig．1Collisiongeometrybetweenapointandaellipse如圖1所示，點A(USV)與橢圓F(障礙物)分別以VA、VF運動，α和β是速度方向，橢圓F的長、短軸分別為a和b，C1、C2是橢圓的兩個焦點。那么，在視線(line-of-sight，LOS)線上的相對運動可以表示為:Vr=r·=VBcos(β－θ)－VAcos(α－θ)(1)Vθ=rθ·=VBsin(β－θ)－VAsin(α－θ)(2)式中:Vr和Vθ分別表示A與B沿著LOS方向的相對速度分量。由于在此考慮的是目標點的瞬時速度，α和β是常數(shù)，，對上述兩式微分，則有: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)對式(3)、(4)分別進行聯(lián)立和積分，則有:Vr·Vr+Vθ·Vθ=0(5)V2r+V2θ=V2r0+V2θ0(6)假設在t=tm時刻(tm為點與橢圓距離最近的時刻)，Vrm=0，此時r達到最小

非負值的情況下才是有效碰撞的條件。因此，把tm＞0代入式(18)，得到:Vr02Vθ01+Vr01Vθ02≤0(21)式(20)和(21)就是點與橢圓的碰撞判別條件，求出所有會發(fā)生碰撞的角度集合［α1，α2］，該集合稱之為點與橢圓的碰撞錐。2．2國際海上避碰規(guī)則的約束無人艇在海洋環(huán)境下航行時，當遇到障礙物進行避障，尤其是船只時，為了避免對其他船只及無人艇自身的安全造成威脅，在避障過程中必須遵循《國際海上避碰規(guī)則》(internationalregulationsforpreventingcollisionsatsea，COLＲEGS)，如圖2所示。海上交通規(guī)則特別規(guī)定了當有船舶發(fā)生碰撞威脅的時候應該采取的有效措施。當無人艇接近其他的船舶時，無人艇的導航避障算法必需遵循《國際海上避碰規(guī)則》才能安全的避過其他船舶。因此，本文提出的無人艇避障算法也遵循《國際海上避碰規(guī)則》。圖2海事規(guī)則沖突情景定義Fig．2ConflictscenarioofCOLＲEGS2．3動態(tài)避障方法在海洋環(huán)境中，無人艇相對于其他海洋船只，體積差別很大，所以在考慮無人艇與海洋中動態(tài)船只的避碰問題中，本文把無人艇當作一個質點看待。那么，無人艇與其他船只的避碰問題就轉變?yōu)辄c與有相對大小的橢圓的避碰問題。無人艇采取的避障措施在航行過程中，較多使用的是不改變航速，僅改變航向。在本文中，無人艇計算出碰撞區(qū)間后，依據(jù)當前航向轉向最小角度來決定避障角度。碰撞錐區(qū)間集合N記作N={α:α1＜α＜α2］}，其中0＜α1＜2π，0＜α2＜2π。假設無人艇當前航向角為α0，如果abs(α1－α0)＞abs(α2－α0)，那么避障角度φ=α2+ζ。其中φ為避障角度，ζ是為了保障避障安全而人為規(guī)定的安全角度限制，大小可以根據(jù)無人艇

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