水面無人艇動態避碰策略研究

尚明棟，朱志宇，周 濤

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

水面無人艇動態避碰策略研究

尚明棟，朱志宇，周 濤

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

針對水面無人艇局部路徑規劃的局限性，本文提出基于水面無人艇操縱運動模型的動態智能避碰，根據海事規則將局面劃分為對遇、交叉相遇以及追越3種局面，在MMG模型基礎上，通過避碰模型改變USV的航速和航向，完成USV對動態障礙物的智能避碰。通過實驗仿真表明，該方法有效地完成USV對動態障礙物的危險避碰，符合USV實際航行避碰操縱要求。

水面無人艇；操縱運動模型；智能避碰

0 引 言

水面無人艇（unmanned surface vehicle，USV）在海洋科研、海洋開發和軍事領域具有極其廣泛的應用前景，已經成為國內外智能化裝備的研究方向之一。文獻[1]總結了USV的歷史、研究現狀以及發展趨勢。目前已有多種水面無人艇應用于軍事、科研等領域，其中以美國的SPAR-TAN和以色列的Protector為典型代表。

國內外不少學者對USV避碰問題經行了相應研究，并取得了較好的成果。王敏捷等利用模糊近域圖避障方法進行了避障研究；Caccia等針對海洋-大氣研究的需要開發了Sesamo號雙體型USV，基于視線（line-of-sight，LOS）規劃算法設計了具有自主避碰能力USV系統；Casalino等利用分層思想把USV的實時危險規避分為靜止障礙物規避，運動障礙物規避和反應式規避，并分層討論了規避策略。

目前國內外的USV避碰研究為水面無人艇避碰提供了一定的參考，然而這些方法運用的前提大多是將USV視為質點，并沒考慮其操縱運動特性，而且忽略外界條件對USV航行的影響，然而，在相當復雜的水域環境中，USV在智能避碰的同時，還會受到風浪流的影響，所以這種理想化的思想對于USV在實際水域上航行避碰的借鑒價值是有限的。因此，水面無人艇避碰不僅要考慮靜態障礙物的智能避碰，還需要考慮動態障礙物情況下的智能避碰。

本文在海事避碰規則的基礎上，考慮水面無人艇的操縱運動模型（MMG模型）和運動數學模型，以及動態障礙物的運動情況，通過實時改變USV的航速和航向，成功的實現水面無人艇在運動情況下的動態障礙物的智能避碰。

1 USV運動環境模型建立

水面無人艇在海面上行駛過程中，會遇到動態障礙物的阻礙，并且考慮到USV體積小、速度快等特點，在行駛中會碰到橫傾、首搖等現象。因此為了保障水面無人艇的安全行駛，必須考慮USV的避碰規則和運動環境模型的建立。

1.1 避碰規則公約

按照《國際海上避碰規則公約》，將船舶互見中構成避碰危險時的局面分為以下3類（見圖1）。

對遇：USV與動態障礙物航向角度差?θ滿足|180–?θ|＜15°，USV應向其右方轉向，從障礙物的左方通過。

追越：USV與動態障礙物航向角度差?θ滿足|?θ|＜45°，USV應向其左舷轉向，從障礙物的左方通過。

交叉：USV與動態障礙物航向角度差?θ滿足45°≤|?θ|≤165°，USV要從障礙物后方航行。

1.2 水面無人艇運動環境模型建立和參數計算

為了實現USV較好的動態智能避碰效果，必然要對USV和動態障礙物的相關參數進行計算分析，根據參數分析結果對水面無人艇實施相應的措施，因此，需要在坐標系下進行相應的計算（見圖2）。

圖2中，S0是USV的當前位置，以航速v0、首向φ0前行（在海洋環境中，水面無人艇簡化為一個點）。其中：

ST是動態障礙物的位置，以航速vT、首向φT前行。其中：

式中α同上。障礙物相對USV的相對運動速度為vR、相對速度的航向為φR。則

USV與動態障礙物之間的相對距離RT為

障礙物相對USV的真方位為αT，水面無人艇相對動態障礙物的真方位為α0，以及動態障礙物的相對方位θT和障礙物與水面無人艇航向交叉角CT。

通過上面公式可以得到無人艇與障礙物的最近會遇距離DCPAT和無人艇與障礙物的最小會遇時間TCPAT為

而USV與動態障礙物的碰撞危險度ρ與DCPAT和DCPAT有較大關系，因此可以通過結合DCPA和TCPA來衡量碰撞危險度ρ。

式中a，b為加權值，是通過統計得到的數值。通常情況下，當右戚來船時，a取5，b取0.5；當左戚來船時，a取5，b取1。由此可以看出，當ρ越小，USV和障礙物之間越危險。

2 水面無人艇操縱運動模型

為了研究基于操縱運動特性的水面無人艇智能避碰問題，需要對水面無人艇的操縱性運動模型進行分析，即需要對水面無人艇進行運動建模，從而完成USV在受力情況下的智能避碰問題。

作用于水面無人艇上的力包括艇體、螺旋槳、以及舵上受到的流體力。按照力產生的性質進行分類，艇體上受到的流體力和力矩可分為慣性類及粘性類流體力和力矩。因此，作用于艇體上的流體力和力矩可表示為：

其他I為慣性類流體力和力矩；H，P，R為作用在艇體，螺旋槳，舵上的流體動力與力矩。

本文主要研究USV水平面上的運動。在USV做平面運動過程中，對于涉及其運動及其操縱控制的問題，主要考慮的運動變量是前進速度u，橫移速度v，轉首角速度r，因此可以將USV的運動簡化為三自由度的運動問題。

3 USV智能避碰模型

在水面無人艇模擬交通時，其運動狀態有3種：定常運動、轉向運動和變速運動。因此，水面無人艇的運動模型主要包括定常運動模型、轉向運動模型和變速運動模型。

3.1 定常運動模型

3.2 轉向運動模型

式中：k，T為操縱性指數；δ0為操控角，一般取10°～15°；t表示時刻，s；t1表示操控舵的時間，一般取為2.5 s。

3.3 變速運動模型

如果USV在對遇或者超越過程中，僅轉向無法避免碰撞時，需要采用變速運動模型，其運動方程為：

其中：v0為變速前的速度；v1為終速度；m+mx為前進方向的虛質量；m為USV的質量；mx為附加質量；k為USV的阻力系數。

如果以上3種運動模型依然無法避免碰撞的話，則必須立即停止USV的前行。

3.4 USV動態避碰流程圖

本文中，USV動態避碰是基于無人艇操縱運動模型，通過判斷USV的碰撞危險局面，然后選擇避碰模型，從而實現USV的動態智能避碰。具體流程圖如圖3所示。

3.5 USV動態避碰步驟

步驟1 初始化USV的位置和速度，建立運動環境模型。

步驟2 判斷USV與動態障礙物的碰撞危險局面。

步驟3 通過得到的碰撞局面，進行USV的轉向角操作，如果是對遇或者交叉局面，則僅僅增加轉向角；如果是追越局面，不僅要增加轉向角，還要增加速度。

步驟4 判斷轉向角是否大于15°，如果是則減速航行；如果不是則計算USV航向、航速和位置。

步驟5 繼續判斷USV是否越出軌道，是則減速，否則判斷動態障礙物是否在USV領域內，如果在領域范圍內，繼續增加轉向角或速度，不在領域內則轉向下一個轉向點。

步驟6 最后成功實現USV動態智能避碰，繼續航行。

4 仿真實驗結果與分析

為驗證該動態智能避碰方法的有效性，現使用軟件Matlab2012a進行仿真，背景圖采用鎮江焦山風景區長江水域圖。圖中淺色部分代表USV，深色部分代表動態障礙物。

4.1 對遇局面避碰仿真圖

生成水面無人艇和動態障礙物，無人艇的初始中心坐標為（125，237），障礙物的初始坐標為（125，160）。考慮USV操縱運動模型，通過智能避碰模型對動態障礙物進行避碰。USV提前獲取動態障礙物信息，當進入危險領域時，開始避碰，如圖4所示。

4.2 交叉局面避碰仿真圖

生成水面無人艇和動態障礙物，無人艇的初始中心坐標為（125，237），障礙物的初始坐標為（175，160）。考慮USV操縱運動模型，通過智能避碰模型對動態障礙物進行避碰。USV提前獲取動態障礙物信息，當進入危險領域時，開始避碰，如圖5所示。

4.3 追越局面避碰仿真圖

生成水面無人艇和動態障礙物，無人艇的初始中心坐標為（125，237），障礙物的初始坐標為（125，190）。考慮USV操縱運動模型，通過智能避碰模型對動態障礙物進行避碰。USV提前獲取動態障礙物信息，當進入危險領域時，開始避碰，如圖6所示。

5 結 語

本文通過考慮USV操縱運動模型，采用USV智能避碰模型，通過分析USV與動態障礙物的相對位置和相對速度關系，改變USV的速度和航向，實現了水面無人艇對動態障礙物的智能避碰。通過建立USV自動避碰決策仿真系統，證明了該智能避碰方法的有效性、高效性和實用性。

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Research on dynamic intelligent anti-collision of USV

SHANG Ming-dong, ZHU Zhi-yu, ZHOU Tao
(Department of Electronics and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

For the limitation of local path planning of USV, This paper puts forward the dynamic intelligent collision avoidance of USV maneuvering model. According to rules of maritime, dividing the situation for encountering, crossing and overtaking, on the base of MMG model, by changing the speed and course of USV through the collision avoidance to complete the dynamic obstacle intelligent collision avoidance of USV. The simulation results show that this method effectively complete dynamic intelligent anti-collision of USV, according the actual navigational maneuvering requirements of USV.

unmanned surface vehicle (USV)；maneuvering model；intelligent anti-collision

TP24；U674

A

1672 – 7649(2017)09 – 0069 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.014

2016 – 08 – 19；

2016 – 09 – 22

尚明棟(1991 – )，男，碩士研究生，研究方向為先進控制技術與應用。