一种无人船导航自主决策系统及自主航行方法

本发明涉及无人船自动航行技术，具体涉及一种无人船导航自主决策系统及自主航行方法，属于船舶设备。

背景技术：

1、船舶航行中，由于船员判断错误导致航行设备使用不当而发生碰撞事故，其中能见度低是大多数事故发生的根源，在黑暗或弥漫有薄雾的天气更容易引起船舶互撞或碰到桥墩、露岩和其它漂浮物。人为失误造成了超过80％的船舶碰撞事故，是海上航行的主要危险源，开展船舶智能航行决策系统的研究，对于降低船舶总体碰撞风险以及减轻船员及岸基工作人员的工作量非常重要，研究一种无人船自主决策系统，已成为船舶功能改进的首选方向。

2、同时无人船的路径规划和自主避障是执行任务的关键技术之一，定点航行的精度和自主避障的能力体现了无人船的智能化发展水平。无人船路径规划方法对规划出的路径的光滑性提出了更高的要求，路径不仅需要光滑，而且不能出现超过其最大转弯半径的情况。基于搜索的算法在约束较少、问题规模较小的情况下有不错的表现，但是一旦问题约束增多或问题规模变大时，搜索效率会急剧下降，不利于实际应用。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的一个目的是提供一种无人船导航自主决策系统。

2、本发明的另一个目的是提供一种无人船导航自动航行方法。

3、技术方案：本发明的一种无人船导航自主决策系统，包括智能决策模块、导航模块、无线网络通讯模块和运动控制模块，智能决策模块用于选择无人船航行模式，在正常情况下，选择自主航行模式，在应急情况下，开启应急越控，选择人工辅助模式；导航模块用于实现无人船路径规划；运动控制模块用于实现无人船路径跟踪和轨迹优化调节，并将航行状态信息通过无线网络通讯模块发送至指控中心；指控中心通过无线网络通讯模块下达起始位置到终点位置命令给无人船后，智能决策模块选择航行模式，导航模块在电子海图数据的基础上，融合多种传感器组成的感知系统获取到的实时数据，构建海洋环境地图，实现无人船自身定位，并利用改进的a*算法得到全局路径，利用改进的人工势场法得到局部路径，实现无人船路径规划；运动控制模块按照导航模块规划的路径自主航行完成对路径的跟踪功能，期间通过一阶多项式曲线的轨迹优化算法和pid控制算法进行轨迹优化调节；

4、其中改进的a*算法包括：基于角度定义指数加权改进估价函数，利用障碍物的安全阈值优化子节点的选择以及对路径进行二次优化来提升a*算法路径规划效率和安全性；改进的人工势场法包括：在人工势场法的斥力函数中加入了相对速度斥力，提升无人船在动态路径规划中的求解效率；最后融合改进的a*算法和改进的人工势场法，选取改进的a*算法得到的全局路径的拐点作为子目标点，引导人工势场法进行局部路径规划，从而确定从起点位置到终点位置的一条最佳航行路线。

5、可选的，在人工辅助模式下，无人船将状态反馈信息发送回指控中心，指控中心接收到无人船发送的应急越控指令后，结合无人船的位置，计算无人船当前位置和障碍物之间的最近距离，并下达航速指令和航向指令给无人船完成避让动作。

6、可选的，多种传感器组成的感知系统获取到的实时数据包括：gps获取到的无人船经纬度数据，测深模块获取到的海下地理信息数据，罗盘获取到的无人船的航向和姿态，雷达获取到的海面障碍距离、位置等相关参数，ais获取并交换来船位置，航向，航速和其他数据，计程器获取到的无人船相对于海底的速度和航程数据，风速风向仪获取到的海上风速风向数据和气象仪获取到的海上气象数据。

7、基于相同的发明构思，本发明的一种无人船导航自主航行方法，包括以下步骤：

8、s1、指控中心在电子海图上输入起点位置和终点位置，并通过无线网络通讯模块发送给无人船；

9、s2、无人船接受指令后智能决策模块选择航行模式，然后导航模块利用电子海图数据融合多种传感器组成的感知系统获取到的实时数据，实时构建并更新海洋环境地图得到自身定位；

10、s3、在已知的起点位置和终点位置两个任务点之间进行全局路径规划和局部路径规划，采用融合改进的a*算法与改进的人工势场法的混合算法制定最佳航行路线；包括：首先，基于角度定义指数加权改进估价函数，利用障碍物的安全阈值优化子节点的选择以及对路径进行二次优化来提升a*算法路径规划效率和安全性；同时，在人工势场法的斥力函数中加入了相对速度斥力，提升无人船在动态路径规划中的求解效率；最后融合改进的a*算法和改进的人工势场法，选取改进的a*算法得到的全局路径的拐点作为子目标点，引导人工势场法进行局部路径规划，从而确定从起点位置到终点位置的一条最佳航行路线；

11、s4、运动控制模块获取到最佳航行路线信息后，进行数据解析，分别获取到所有的路径节点总数、单个路径节点数据，再获取到所有经纬度数据以及航行过程中实时经纬度数据，当运动轨迹出现偏差，还需考虑无人船在导航过程中修正方向与运动方向的关系进行轨迹优化调节，产生控制无人船的航行的指令，完成对路径的跟踪功能以实现对无人船的自主导航；

12、s5、根据雷达的扫描信息与来船互换信息，如果来船和自船能够保持安全距离，自船无需改变自身的航线，继续选择自主航行模式，正常行驶即可；当来船和自船超出安全距离时，智能决策模块立即切换到应急越控，采用人工辅助模式，无人船将状态反馈信息发送回指控中心，指控中心接收无人船发送的应急越控指令后，计算无人船当前位置和障碍物之间的最近距离，并下达航速指令和航向指令给无人船完成避让动作；

13、s6、无人船通过无线网络通讯模块和指控中心进行通信，以一定的频率监测外界指令，收到指令之后对其进行简单的处理后发送到相应的单元模块，指控中心实时接收无人船航行路线信息，并实现电子海图屏幕共享。

14、进一步的，改进的a*算法中基于角度定义的估价函数f(n)为：

15、

16、其中，g(n)为无人船从起始节点到当前节点n的实际代价值，h(n)为启发函数，表示无人船从当前节点n到目标点的估计代价值；θi为各子节点与父节点及目标点的夹角，若θi不满足上式中的判断条件，则消除该子节点；

17、优化子节点的选择方法为：

18、判断各障碍物到父节点和各子节点连成的直线的距离是否大于安全距离，若大于，保留该子节点，否则，消除该子节点；对于保留下来的子节点，根据基于角度定义的估价函数计算出它们的估价函数值，选择估价函数值最小的子节点为下一次搜索的父节点；

19、进一步的，二次路径优化方法为：首先，按顺序提取出路径中所有拐点，起始节点和目标点也看作拐点；接着，连接拐点与其不相邻的后续拐点得到一条新的路径，以该新路径的估价函数值是否小于原路径的估价函数值以及其是否在障碍物的安全距离外作为该新路径是否成立的判断标准；如果新路径成立，则剔除中间拐点，否则，保留原路径；最后，生成的路径为最短路径。

20、进一步的，改进的人工势场法具体为：

21、在斥力函数中加入相对速度斥力，改进后的斥力势场为：

22、

23、其中，为相对速度斥力势场，则相对速度斥力为δ为相对速度斥力常量；

24、改进斥力势场后相应的斥力frep1为：

25、

26、相对速度斥力的方向与动态障碍物对无人船的斥力方向一致；引进相对速度斥力使得无人船在与动态障碍物有碰撞风险时获得更大的斥力，在相对安全的状态下能够避免盲目的避障。

27、进一步的，当运动轨迹出现偏差，还需修正无人船运动方向，具体为：

28、通过规划路径的节点分段与实时位置误差计算航迹偏差值，将最优路径分为n个节点，其中n0为起点，nn为终点，相邻两节点做路程分段处理，根据每段起点与终点的经纬度，将h为起点与终点的经度，y设为起点与终点的纬度，通过节点分段路径y＝v·h+b这个斜率公式求出对应的直线方程的斜率v和常量b，考虑不同斜率下不同运动方向的偏差计算与修正；斜率v≠0时，节点分段路径d的起点为n0，终点为n1，用n1的纬度n1(y)减去n0的纬度n0(y)为正时，则表示正方向运动，反之则为反向运动；斜率v＝0时，用n1的经度n1(h)减去n0的经度n0(h)为正时，则表示正方向运动，反之则为反向运动；假设无人船在起点为n0和终点为n1的节点分段路径行驶到误差点m，则实际偏差值为：首先将误差点m的纬度m(y)作为节点分段路径的斜率公式中y＝v·h+b的y，已知斜率v和常量b的值，得到节点分段路径的斜率公式中的经度值h，即m(h’)，修正偏差值为：errorm＝hm-h’m；当errorm<0，则无人船左转；当errorm>0，则无人船右转；当errorm＝0，则无人船直行。

29、基于相同的发明构思，本发明的一种无人船导航自动航行设备，所述设备包括：

30、存储有可执行程序代码的存储器；

31、与所述存储器耦合的处理器；

32、所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行如上述的无人船导航自动航行方法。

33、基于相同的发明构思，本发明的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行如上述的无人船导航自动航行方法。

34、有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：

35、(1)本发明使用一种无人船自主决策系统，设计了一种无人船航行决策系统，在一定程度上代替驾驶员做出更加正确的决策，保障航行的安全，从而极大程度上降低船舶的人员配置，减轻船员的工作强度。

36、(2)本发明使用一种无人船导航自主航行方法，提出了一种融合a*算法与人工势场法的混合算法，让无人船的航行路线更加平滑；同时采取进行轨迹优化调节，实现对航行轨迹偏移角度的自动纠错从而无人船实现更好地自主导航运动。