水面无人艇多船障碍智能避碰_茅云生
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* 碰中的启发式 A 算法、 人工势场法、 可视图法等 ［5 ］ 进行改进和集成 ． 但由于无人艇速度高、 环境
险评估的综合决策支持框架
［2 ］
Multiobstacle intelligent collision avoidance strategy for unmanned surface vehicle
［10 ］ 的算法没有权衡遵照避碰规则执行的危险性 ． 从无人艇角度来说， 按避碰策略来执行是推荐的， ［8 ］
的左舷通过． 2 ） 追越 ： USV 与障碍船航向角度差 Δθ 满足 | Δθ | ＜ 45 ʎ ， USV 应向其左舷转向， 从他船的左舷 通过． 3 ） 交叉： USV 与障碍船航向角度差 Δθ 满足 45 ʎ ≤| Δθ | ≤ 165 ʎ ， USV 要从障碍船后方航行．
但由于障碍船可能具有的不确定性， 在特定情况 下， 强行按避碰策略进行避障有可能使无人艇处 境更加危险． 因此， 在无人艇避碰规划时应尽量 智能 多地考虑复杂多变不可预知的障碍船路径， 避碰规划应先满足安全性， 再尽量考虑满足避碰 规则． 针对现有优点和不足， 本文认为对海上避碰 规则的处理应建立统一高效的避碰策略， 对规则 即应对遵守避碰规则的安全 的处理具有灵活性， 性进行判断， 而不能盲目遵守． 环境情况应更加 真实， 在多船同时会遇及船舶运动随机变化的复 杂环境下， 要求避碰规划仍能安全避碰， 同时， 避 碰规划还应考虑是否满足无人艇的机动性能 ． 为此， 本文按照海上避碰规则对障碍船舶进 行偏心膨胀， 增加无人艇违背《公约 》 的阻碍， 使 符合海事 避 碰 规 则 的 避 碰 方 向 享 有 优 先 权 ． 然 后， 应用统一的避碰策略， 使无人艇按照碰撞局面 自行判断避碰方向和速度． 同时， 本文对宽阔水 域的多船障碍避碰问题提出一种兼顾障碍船紧急 不同避障策略安全性、 避障策略调整可行性 程度、 的模糊规划方法， 对复杂多船障碍环境下考虑海 事规则的所有避障策略进行挑选， 实时获取最优 的避碰策略．
Ｒ * 为 Ｒ' 的 1 3 倍． 碰撞危险度 由式（ 5 ） ， 较低时， 障碍物偏心膨胀较大， 对避碰规则影响 障碍物偏心膨胀较小， 对 大； 碰撞危险度较高时， 避碰规则影响小． 图 3 所示偏心膨胀圆 O 与安全性膨胀圆 O' * 在海事规则推荐的绕行侧相切， 因此当 Ｒ ≠ Ｒ' 时， 圆心不重合． 偏心膨胀圆圆心： O * （ x） = O' （ x） + （ Ｒ * － Ｒ' ） cosζ
Abstract ： To take the Convention on the International Ｒegulations for Preventing Collisions at Sea（ COLＲEGS） into account in planning for obstacle avoidance of unmanned surface vehicle（ USV） ，this paper presented the rule of eccentric expansion accord with COLＲEGS． To reduce the ship collision occurrence and achieve multiship collision avoidance in broad areas，a fuzzy programming method based on urgency，security and feasibility of planning was put forward． Example simulation consists of multiship including different collision situation，which shows the intelligence of the proposed method． Key words： unmanned surface vehicle （ USV ） ； multiship obstacle； intelligent collision avoidance； Convention on the International Ｒegulations for Preventing Collisions at Sea （ COLＲEGS）
*
{ O （ y）
*
最差避让方案（ 需大幅转向） ： Δγ ≤ － μ － γ， γ≥0
{ Δγ ≥ μ － γ， γ ＜ 0
（ 7）
= O' （ y） + （ Ｒ * － Ｒ' ） sinζ ζ =
1
海事避碰规则具体化
图2 Fig． 2 无人艇与障碍物运动模型
［13 ］
［11 ］ 《国际海上避碰规则公约 》 ， 按照 将船舶互 见中构成 碰 撞 危 险 时 的 局 面 分 为 以 下 三 类 （ 图
Motion model of USV and obstacle
1） ． 1 ） 对遇： USV 与障碍船航向角度差 Δθ 满足 | 180 － Δθ | ＜ 15 ʎ ， USV 应向其右舷转向， 从他船
{
[
]}
（ 3）
上式微分后可得 v Ｒ cosφ v o cosη sinφ － sinη Δγ = Δv Ｒ + Δα + Δv o + Δβ Δv Δv Δv Δv （ 5） 在由雷达信息已知的障碍速度 v o 、 角度 β 以 及推知的速度改变量 Δv o 、 角度改变量 Δβ 基础上， 通过调节本船速度 v Ｒ 和角度 α 可改变 Δγ． 规定最优避障方案： γ ≥ μ － γ， γ≥0 {Δ Δγ ≤ － μ － γ， γ ＜ 0 （ 6）
DOI:10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2015.04.016
第 41 卷
第4 期
2015 年 11 月
大 连 海 事 大 学 学 报 Journal of Dalian Maritime University
Vol． 41
No． 4
Nov． ， 2015
图1 Fig． 1
国际海上避碰规则碰撞局面划分 Different situation of COLＲEGS
2
符合避碰规则的障碍偏心膨胀
本文对障碍进行安全性膨胀和偏心膨胀的二 安全性膨胀用以增加避障安全性， 偏心膨 重膨胀， 胀用以增加障碍船在海事规则劣势侧的阻碍， 诱 导无人艇在避碰决策时尽量符合避碰规则 ． 1 ） 障碍船安全性膨胀 安全性膨胀半径 Ｒ' = 1 ． 2 Ｒ + Ｒ a ， 其中： Ｒ 为 ； Ｒ 简化为圆的障碍半径 a 为无人艇领域半径． 2 ） 障碍船偏心膨胀 ［12 ］ 建立 USV 与障碍的运动模型 ． 图 2 中 Ｒ 为 USV 位置， 障碍物为圆 O， 此时障碍半径为安全性 膨胀半径 Ｒ' ． USV 速度为 （ v Ｒ ， α） ， 障碍船速度为 （ vO ， α） ．
1021 ； 修回日期： 20141103． 收稿日期： 2014mail： ysmao@ 163． com． 作者简介： 茅云生（ 1962 － ） ，男，博士，教授，E-
第4 期
茅云生， 等： 水面无人艇多船障碍智能避碰
9
［3 ］ 的避碰行为多达 7 14 种 ． 这种拓扑式的规则 结构过于庞杂， 在复杂局面尤其是多船障碍环境
0
引
言
目前，船舶智能避碰领域采用信息论、 系统 ［1 ］ 论和控制论等观点 ， 结合专家系统构建基于风 ． 但建立专家系统 需要大量准确的信息补充知识库， 另外， 专家系统 常用于半自动无人艇的人机对话咨询平台， 所作 的避碰决策用于给岸基的决策者提供辅佐参考， 而决策者与系统意见不合时， 容易错过最佳避碰 ［3 ］ 一方面， 借鉴船 时机 ． 其他自主智能避碰决策， 舶人工避碰的思想， 主要根据由无人艇与船舶位 置和运动关系所确定的碰撞危险度以及避碰时机 进行避碰决策， 碰撞危险度和避碰时机的判断方 法在不断发展， 并已深入到对船员的驾驶思路、 心 理素质进行统计分析以预测障碍船舶的运动行 ［4 ］ 为 ； 另一方面， 在决策系统中， 对机器人路径避
时， 难以给出正确的决策； 如果同时可执行多种方 案， 在不同避碰行动方案中也难以取舍． 另外， 考 虑规则的速度障碍方法 ， 在无人艇的速度空间 结合海上避碰规则衡量不同圆 中生成圆锥障碍， 锥区的避碰危险度， 基于此在多障碍环境进行动 态避碰． 这些仿真实验中考虑的障碍的运动较为 简单， 且其运动都主动配合无人艇， 进行符合避碰 规则的避让或保向保速． 但大量事故调查表明， 船 舶的行驶路径不符合海事规则是海上碰撞事故发 ［9 ］ 生的重要原因 ． 同时， 大多考虑海上避碰规则
－1 γ = tan
第 41 卷
v Ｒ sin（ α － θ） － v o sin（ β － θ） v Ｒ cos（ α － θ） － v o cos（ β － θ）
式中： μ_DCPA 为 DCPA 危险度隶属函数； μ_TCPA 为 TCPA 危险度隶属函数． 基于海事规则的障碍物偏心膨胀半径 2 Ｒ * = 3 Ｒ' 1 + sin π （ μ + 2 ） 3 2
7736 （ 2015 ） 04000806 文章编号： 1006-
水面无人艇多船障碍智能避碰
茅云生
* a， b a， b a， b a， b a ， 宋利飞 ， 向祖权 ， 周永清 ， 茅普修 ， 闫
钊
a， b
（ 武汉理工大学 a． 高性能船舶技术教育部重点实验室； b． 交通学院，武汉 430063 ） 摘要： 为尽可能在无人艇避碰规划时兼顾《国际海上避碰 ， 《公约 》 规则公约》 提出对障碍船进行符合 的偏心膨胀， 对偏心膨胀建立统一的运动模型 ． 为实现宽阔水域的水 面无人艇多船障碍智能避碰 ， 提出基于避障紧迫程度 、 安 全性预测以及调整可行性的模糊规划方法 ． 对同时具有 交叉及追越情况的多个复杂运动障碍进行避碰规划 对遇、 仿真， 结果证明了该方法的智能性 ． 关键词： 无人艇（ USV） ； 多船障碍； 智能避碰； 国际海上避 碰规则（ COLＲEGS） 中图分类号： U676． 1 文献标志码： A
由 DCPA 和 TCPBiblioteka Baidu 需的膨胀危险度．
判断障碍物偏心膨胀所
= | ＲO | sin（ | γ | ） {DCPA TCPA = | ＲO | cos（ | γ | ） / | Δv |
（ 1）
10 综合碰撞危险度 μ_DCPA + μ_TCPA ， 1） μ = min（ 2
大连海事大学学报 系可知： （ 2）
MAO Yunsheng
* a， b a， b
，SONG Lifei ，
a， b
b XIANG Zuquan ，ZHOU Yongqing a， ，
a， b
MAO Puxiu ，YAN Zhao
a
（ a． Key Laboratory of High Performance Ship Technology Ministry of Education； b． Transportation Institute，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063 ， China）
复杂、 障碍动态的特点， 这些应用于智能机器人的 算法往往难以取得良好的效果． 另外， 在这些决策 中也较少考虑无人艇的速度和角速度等动力系统 ［6 ］ 的限制 ， 因而作出的规划往往并非无人艇能力 所及． 同时， 无人艇智能避碰相对其他智能机器人 有其独有的规则． 《国际海上避碰规则公约 》 在总 体层面为船舶避碰提供了抽象规则． 在避碰规划 ， 时， 无人艇应考虑障碍船普遍遵守《公约 》 且自 《公约 》 ， 身也应遵守 这已成为无人艇智能避碰研 ［7 ］ 究的共识 ． 对海上避碰规则的处理多是将潜在 威胁的 会 遇 情 况 进 行 细 分， 目前多按规则分为 ［8 ］ 4 7 种会遇情况 ， 然后对不同会遇情况拟定相 应的协议构建决策系统， 系统协议库中可能采取
险评估的综合决策支持框架
［2 ］
Multiobstacle intelligent collision avoidance strategy for unmanned surface vehicle
［10 ］ 的算法没有权衡遵照避碰规则执行的危险性 ． 从无人艇角度来说， 按避碰策略来执行是推荐的， ［8 ］
的左舷通过． 2 ） 追越 ： USV 与障碍船航向角度差 Δθ 满足 | Δθ | ＜ 45 ʎ ， USV 应向其左舷转向， 从他船的左舷 通过． 3 ） 交叉： USV 与障碍船航向角度差 Δθ 满足 45 ʎ ≤| Δθ | ≤ 165 ʎ ， USV 要从障碍船后方航行．
但由于障碍船可能具有的不确定性， 在特定情况 下， 强行按避碰策略进行避障有可能使无人艇处 境更加危险． 因此， 在无人艇避碰规划时应尽量 智能 多地考虑复杂多变不可预知的障碍船路径， 避碰规划应先满足安全性， 再尽量考虑满足避碰 规则． 针对现有优点和不足， 本文认为对海上避碰 规则的处理应建立统一高效的避碰策略， 对规则 即应对遵守避碰规则的安全 的处理具有灵活性， 性进行判断， 而不能盲目遵守． 环境情况应更加 真实， 在多船同时会遇及船舶运动随机变化的复 杂环境下， 要求避碰规划仍能安全避碰， 同时， 避 碰规划还应考虑是否满足无人艇的机动性能 ． 为此， 本文按照海上避碰规则对障碍船舶进 行偏心膨胀， 增加无人艇违背《公约 》 的阻碍， 使 符合海事 避 碰 规 则 的 避 碰 方 向 享 有 优 先 权 ． 然 后， 应用统一的避碰策略， 使无人艇按照碰撞局面 自行判断避碰方向和速度． 同时， 本文对宽阔水 域的多船障碍避碰问题提出一种兼顾障碍船紧急 不同避障策略安全性、 避障策略调整可行性 程度、 的模糊规划方法， 对复杂多船障碍环境下考虑海 事规则的所有避障策略进行挑选， 实时获取最优 的避碰策略．
Ｒ * 为 Ｒ' 的 1 3 倍． 碰撞危险度 由式（ 5 ） ， 较低时， 障碍物偏心膨胀较大， 对避碰规则影响 障碍物偏心膨胀较小， 对 大； 碰撞危险度较高时， 避碰规则影响小． 图 3 所示偏心膨胀圆 O 与安全性膨胀圆 O' * 在海事规则推荐的绕行侧相切， 因此当 Ｒ ≠ Ｒ' 时， 圆心不重合． 偏心膨胀圆圆心： O * （ x） = O' （ x） + （ Ｒ * － Ｒ' ） cosζ
Abstract ： To take the Convention on the International Ｒegulations for Preventing Collisions at Sea（ COLＲEGS） into account in planning for obstacle avoidance of unmanned surface vehicle（ USV） ，this paper presented the rule of eccentric expansion accord with COLＲEGS． To reduce the ship collision occurrence and achieve multiship collision avoidance in broad areas，a fuzzy programming method based on urgency，security and feasibility of planning was put forward． Example simulation consists of multiship including different collision situation，which shows the intelligence of the proposed method． Key words： unmanned surface vehicle （ USV ） ； multiship obstacle； intelligent collision avoidance； Convention on the International Ｒegulations for Preventing Collisions at Sea （ COLＲEGS）
*
{ O （ y）
*
最差避让方案（ 需大幅转向） ： Δγ ≤ － μ － γ， γ≥0
{ Δγ ≥ μ － γ， γ ＜ 0
（ 7）
= O' （ y） + （ Ｒ * － Ｒ' ） sinζ ζ =
1
海事避碰规则具体化
图2 Fig． 2 无人艇与障碍物运动模型
［13 ］
［11 ］ 《国际海上避碰规则公约 》 ， 按照 将船舶互 见中构成 碰 撞 危 险 时 的 局 面 分 为 以 下 三 类 （ 图
Motion model of USV and obstacle
1） ． 1 ） 对遇： USV 与障碍船航向角度差 Δθ 满足 | 180 － Δθ | ＜ 15 ʎ ， USV 应向其右舷转向， 从他船
{
[
]}
（ 3）
上式微分后可得 v Ｒ cosφ v o cosη sinφ － sinη Δγ = Δv Ｒ + Δα + Δv o + Δβ Δv Δv Δv Δv （ 5） 在由雷达信息已知的障碍速度 v o 、 角度 β 以 及推知的速度改变量 Δv o 、 角度改变量 Δβ 基础上， 通过调节本船速度 v Ｒ 和角度 α 可改变 Δγ． 规定最优避障方案： γ ≥ μ － γ， γ≥0 {Δ Δγ ≤ － μ － γ， γ ＜ 0 （ 6）
DOI:10.16411/j.cnki.issn1006-7736.2015.04.016
第 41 卷
第4 期
2015 年 11 月
大 连 海 事 大 学 学 报 Journal of Dalian Maritime University
Vol． 41
No． 4
Nov． ， 2015
图1 Fig． 1
国际海上避碰规则碰撞局面划分 Different situation of COLＲEGS
2
符合避碰规则的障碍偏心膨胀
本文对障碍进行安全性膨胀和偏心膨胀的二 安全性膨胀用以增加避障安全性， 偏心膨 重膨胀， 胀用以增加障碍船在海事规则劣势侧的阻碍， 诱 导无人艇在避碰决策时尽量符合避碰规则 ． 1 ） 障碍船安全性膨胀 安全性膨胀半径 Ｒ' = 1 ． 2 Ｒ + Ｒ a ， 其中： Ｒ 为 ； Ｒ 简化为圆的障碍半径 a 为无人艇领域半径． 2 ） 障碍船偏心膨胀 ［12 ］ 建立 USV 与障碍的运动模型 ． 图 2 中 Ｒ 为 USV 位置， 障碍物为圆 O， 此时障碍半径为安全性 膨胀半径 Ｒ' ． USV 速度为 （ v Ｒ ， α） ， 障碍船速度为 （ vO ， α） ．
1021 ； 修回日期： 20141103． 收稿日期： 2014mail： ysmao@ 163． com． 作者简介： 茅云生（ 1962 － ） ，男，博士，教授，E-
第4 期
茅云生， 等： 水面无人艇多船障碍智能避碰
9
［3 ］ 的避碰行为多达 7 14 种 ． 这种拓扑式的规则 结构过于庞杂， 在复杂局面尤其是多船障碍环境
0
引
言
目前，船舶智能避碰领域采用信息论、 系统 ［1 ］ 论和控制论等观点 ， 结合专家系统构建基于风 ． 但建立专家系统 需要大量准确的信息补充知识库， 另外， 专家系统 常用于半自动无人艇的人机对话咨询平台， 所作 的避碰决策用于给岸基的决策者提供辅佐参考， 而决策者与系统意见不合时， 容易错过最佳避碰 ［3 ］ 一方面， 借鉴船 时机 ． 其他自主智能避碰决策， 舶人工避碰的思想， 主要根据由无人艇与船舶位 置和运动关系所确定的碰撞危险度以及避碰时机 进行避碰决策， 碰撞危险度和避碰时机的判断方 法在不断发展， 并已深入到对船员的驾驶思路、 心 理素质进行统计分析以预测障碍船舶的运动行 ［4 ］ 为 ； 另一方面， 在决策系统中， 对机器人路径避
时， 难以给出正确的决策； 如果同时可执行多种方 案， 在不同避碰行动方案中也难以取舍． 另外， 考 虑规则的速度障碍方法 ， 在无人艇的速度空间 结合海上避碰规则衡量不同圆 中生成圆锥障碍， 锥区的避碰危险度， 基于此在多障碍环境进行动 态避碰． 这些仿真实验中考虑的障碍的运动较为 简单， 且其运动都主动配合无人艇， 进行符合避碰 规则的避让或保向保速． 但大量事故调查表明， 船 舶的行驶路径不符合海事规则是海上碰撞事故发 ［9 ］ 生的重要原因 ． 同时， 大多考虑海上避碰规则
－1 γ = tan
第 41 卷
v Ｒ sin（ α － θ） － v o sin（ β － θ） v Ｒ cos（ α － θ） － v o cos（ β － θ）
式中： μ_DCPA 为 DCPA 危险度隶属函数； μ_TCPA 为 TCPA 危险度隶属函数． 基于海事规则的障碍物偏心膨胀半径 2 Ｒ * = 3 Ｒ' 1 + sin π （ μ + 2 ） 3 2
7736 （ 2015 ） 04000806 文章编号： 1006-
水面无人艇多船障碍智能避碰
茅云生
* a， b a， b a， b a， b a ， 宋利飞 ， 向祖权 ， 周永清 ， 茅普修 ， 闫
钊
a， b
（ 武汉理工大学 a． 高性能船舶技术教育部重点实验室； b． 交通学院，武汉 430063 ） 摘要： 为尽可能在无人艇避碰规划时兼顾《国际海上避碰 ， 《公约 》 规则公约》 提出对障碍船进行符合 的偏心膨胀， 对偏心膨胀建立统一的运动模型 ． 为实现宽阔水域的水 面无人艇多船障碍智能避碰 ， 提出基于避障紧迫程度 、 安 全性预测以及调整可行性的模糊规划方法 ． 对同时具有 交叉及追越情况的多个复杂运动障碍进行避碰规划 对遇、 仿真， 结果证明了该方法的智能性 ． 关键词： 无人艇（ USV） ； 多船障碍； 智能避碰； 国际海上避 碰规则（ COLＲEGS） 中图分类号： U676． 1 文献标志码： A
由 DCPA 和 TCPBiblioteka Baidu 需的膨胀危险度．
判断障碍物偏心膨胀所
= | ＲO | sin（ | γ | ） {DCPA TCPA = | ＲO | cos（ | γ | ） / | Δv |
（ 1）
10 综合碰撞危险度 μ_DCPA + μ_TCPA ， 1） μ = min（ 2
大连海事大学学报 系可知： （ 2）
MAO Yunsheng
* a， b a， b
，SONG Lifei ，
a， b
b XIANG Zuquan ，ZHOU Yongqing a， ，
a， b
MAO Puxiu ，YAN Zhao
a
（ a． Key Laboratory of High Performance Ship Technology Ministry of Education； b． Transportation Institute，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063 ， China）
复杂、 障碍动态的特点， 这些应用于智能机器人的 算法往往难以取得良好的效果． 另外， 在这些决策 中也较少考虑无人艇的速度和角速度等动力系统 ［6 ］ 的限制 ， 因而作出的规划往往并非无人艇能力 所及． 同时， 无人艇智能避碰相对其他智能机器人 有其独有的规则． 《国际海上避碰规则公约 》 在总 体层面为船舶避碰提供了抽象规则． 在避碰规划 ， 时， 无人艇应考虑障碍船普遍遵守《公约 》 且自 《公约 》 ， 身也应遵守 这已成为无人艇智能避碰研 ［7 ］ 究的共识 ． 对海上避碰规则的处理多是将潜在 威胁的 会 遇 情 况 进 行 细 分， 目前多按规则分为 ［8 ］ 4 7 种会遇情况 ， 然后对不同会遇情况拟定相 应的协议构建决策系统， 系统协议库中可能采取