基于船舶领域模型的水面无人艇避碰方法与流程

本发明涉及无人艇技术领域，尤其涉及一种基于船舶领域模型的水面无人艇避碰方法。

背景技术：

水面无人艇(unmannedsurfacevehicles,usv)是能够在海洋、河流等环境中自主完成任务的平台，是自动驾驶技术在水面环境中应用的最主要体现。usv具有操纵性强、部署方便、覆盖范围广、成本低的优点。同时由于非载人的特点，使得水面无人艇能够适应更加危险的工作环境，在一些人类不可达的场景中进行作业，因此水面无人艇具有十分广阔的应用前景。

船舶领域(shipsafetydomainssd)是指为了避免碰撞，在每艘船/艇的前后左右保持的一个不受他船以及障碍物侵犯的区域，通常用来衡量船/艇在狭水道、定线制水域或进行避碰航行时的碰撞风险。目前对水面无人艇领域模型和碰撞风险评估的研究较少。

当前对水面无人艇的航行避碰主要包括局部避碰与全局避碰。其中局部避碰需要考虑本船/艇附近的其他船只、障碍物与本船/艇的相对位置关系，并采取避碰行动，因此较为复杂。针对不同特征(尺度、速度)的无人艇，他船或障碍物与本船处于何种空间位置、方位关系时开始避碰行动是一个非常关键的问题，既可以保证自身与周围船只航行的安全，同时还能够有效地节省航程。

技术实现要素：

本发明的主要目的就是针对上述问题，提供一种基于船舶领域模型的水面无人艇避碰方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于船舶领域模型的水面无人艇避碰方法，其特征在于：包括：

步骤一、水面无人艇船舶领域模型的构建；

步骤二、航行中领域模型内态势感知，主要获取本船与周围船只或障碍物的会遇态势，判断是否存在碰撞风险；

步骤三、依照国际海上避碰规则规划航行路径，在遵守国际海上避碰规则的前提下规划出能够安全躲避障碍物的航行路径；

步骤四、按照步骤四中规划的路径的采取避碰措施，包括航向和航速的改变；

步骤五、判定是否避碰完全，周围是否仍然存在与自身有碰撞风险的船只或障碍物，若否，则继续执行步骤二—步骤五的程序；若是，则完成避碰行动。

优选地，在步骤一中，所述水面无人艇船舶领域模型的构建，包括：船舶领域模型为近似椭圆形区域，根据在避碰中的需求使得模型前、后、左、右半轴长度并不完全一致，以水面无人艇进距为单位，无人艇前、右方向领域轴长分别为ad和2/3*ad，后、左方向领域轴长分别为1/3*ad和1/2*ad，其中，ad为航向角变化90°时无人艇重心的纵向移动距离。

优选地，在步骤二中，利用雷达、gps、ais、声呐等设备获取周围船只与障碍物与本艇的空间距离、方位、相对速度等，判断与本艇船舶领域模型边界的关系。

优选地，在步骤三中，当本船与他船处于追越、被追越、对遇、交叉相遇等局面时，应根据国际海上避碰规则采取避碰行动：

(1)追越局面：当本艇从他船正横后大于22.5°的某一方向赶上他船时，即认为本艇处于追越中；当他船进入本艇船舶领域边界时，本艇应采取避碰行动；当本艇前进方向上存在固定障碍物时，按照本艇为追越船采取避碰措施；

(2)被追越局面：当他船从本艇正横后大于22.5°的某一方向赶上本艇时，即认为他船处于追越中，本艇为直航船；本艇应保持原始航向、航速正常航行，同时监测让路船动向，必要时本艇亦可采取避让措施；

(3)对遇局面：当来船与本艇航向相反或接近相反，夹角不超过左右舷各6°时，且进入本艇船舶领域边界时，应采取向右转向避让来船；

(4)交叉相遇局面：他船与本艇的船首向交叉，来船处于本艇大于6°舷角、但小于112.5°舷角的位置时，当本艇右舷有船时，本艇应采取让路措施；当本艇处于他船右舷时，本艇为直航船，本艇应保持原始航向、航速正常航行，同时监测让路船动向，必要时本艇亦可采取避让措施。

本发明的有益效果是:本发明构建了水面无人艇的船舶领域模型，解决了水面无人艇何时开始避碰行动的关键问题。并提出了按照国际海上避碰规则的水面无人艇路径规划及避碰方法。提高了水面无人艇航行的规范程度和安全性。

附图说明

图1为本发明基于船舶领域的水面无人艇避碰方法流程图；

图2为本发明水面无人艇船舶领域模型构成示意图；

图3为本发明不同会遇态势方位示意图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。图1为本发明基于船舶领域的水面无人艇避碰方法流程图，具体过程为：

步骤一、水面无人艇船舶领域模型的构建；

进一步地，船舶领域模型为近似椭圆形区域，但根据在避碰中的需求使得模型前、后、左、右半轴长度并不完全一致。以水面无人艇进距(航向角变化90°时无人艇重心的纵向移动距离，一般用ad表示)为单位。由于水面无人艇避碰过程中主要是向右转向，因此无人艇前、右方向领域轴长分别为ad和2/3*ad。同时为了防止左侧直航船、后方追越船与本艇形成碰撞紧迫局面，设置后、左方向领域轴长分别为1/3*ad和1/2*ad。将各端点以圆弧连接，构成完整的领域模型边界。如图2所示。

步骤二、航行中领域模型内态势感知，主要获取本船与周围船只或障碍物的会遇态势，判断是否存在碰撞风险；

进一步地，建立船舶领域模型后，应进行领域模型内态势感知，具体内容为：主要获取本船与周围船只或障碍物的会遇态势，判断是否存在碰撞风险。利用雷达、gps、ais、声呐等设备获取周围船只与障碍物与本艇的空间距离、方位、相对速度等，判断与本艇船舶领域模型边界的关系。当其他船只或障碍物侵犯本艇船舶领域模型时，则应根据情况展开特定的避碰行动。

步骤三、依照国际海上避碰规则规划航行路径，即在遵守国际海上避碰规则的前提下规划出能够安全躲避障碍物的航行路径；

进一步地，当本船与他船处于追越、被追越、对遇、交叉相遇等局面时，应根据国际海上避碰规则采取避碰行动：

(1)追越局面：当本艇从他船正横后大于22.5°的某一方向赶上他船时，即认为本艇处于追越中。当他船进入本艇船舶领域边界时，本艇应采取避碰行动。当本艇前进方向上存在固定障碍物时，按照本艇为追越船采取避碰措施。

(2)被追越局面：当他船从本艇正横后大于22.5°的某一方向赶上本艇时，即认为他船处于追越中，本艇为直航船。本艇应保持原始航向、航速正常航行，同时监测让路船动向，必要时本艇亦可采取避让措施。

(3)对遇局面：当来船与本艇航向相反或接近相反(夹角不超过左右舷各6°时)，且进入本艇船舶领域边界时，应采取向右转向避让来船。

(4)交叉相遇局面：他船与本艇的船首向交叉，来船处于本艇大于6°舷角(左与右)、但小于112.5°舷角(左与右)的位置时。当本艇右舷有船时，本艇应采取让路措施；当本艇处于他船右舷时，本艇为直航船。本艇应保持原始航向、航速正常航行，同时监测让路船动向，必要时本艇亦可采取避让措施。如图3所示。

进一步地，按照上述规则要求进行路径规划。

步骤四、按照步骤四中规划的路径的采取避碰措施，包括航向和航速的改变；

步骤五、判定是否避碰完全，即周围是否仍然存在与自身有碰撞风险的船只或障碍物。若否，则继续执行步骤二—步骤五的程序；若是，则完成避碰行动。

本发明构建了水面无人艇的船舶领域模型，解决了水面无人艇何时开始避碰行动的关键问题。并提出了按照国际海上避碰规则的水面无人艇路径规划及避碰方法。提高了水面无人艇航行的规范程度和安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。