水面無人艇動(dòng)態(tài)避碰策略研究

張引弦

（海軍裝備部，北京100036）

水面無人艇的英文簡(jiǎn)稱為USV，是一種可以遠(yuǎn)程操控的水面艦艇，可以代替人去完成危險(xiǎn)的海上任務(wù)。USV 可執(zhí)行的非戰(zhàn)爭(zhēng)任務(wù)有偵查、搜索、探測(cè)、排雷、搜救、導(dǎo)航和水文地理勘察等；可執(zhí)行的戰(zhàn)爭(zhēng)任務(wù)有巡邏、反潛作戰(zhàn)和海上攻擊等。水面無人艇在保證人員安全的情況下可以高效完成危險(xiǎn)任務(wù)，在軍事、民用和科研領(lǐng)域具有光明的發(fā)展前景。目前，美國(guó)和以色列對(duì)水面無人艇的研究技術(shù)和成果在全球處于領(lǐng)先地位，其他國(guó)家緊跟其后，高度重視對(duì)水面無人艇的研發(fā)。國(guó)內(nèi)多所大學(xué)、公司、研究所投身于水面無人艇的相關(guān)行業(yè)中，科研人員就USV 動(dòng)態(tài)避障方面的研究已經(jīng)取得了優(yōu)異成果。

1 USV 運(yùn)動(dòng)環(huán)境模型建立

為了避免水面無人艇在海面與動(dòng)態(tài)障礙物相撞，需嚴(yán)格遵循USV 的國(guó)際避碰規(guī)則公約。在極坐標(biāo)系下建立運(yùn)動(dòng)環(huán)境模型，通過計(jì)算對(duì)具體情況進(jìn)行分析。

1.1 國(guó)際避碰規(guī)則公約

國(guó)際避碰規(guī)則公約是由國(guó)際海事組織制訂的海上交通規(guī)則，目的是為了維護(hù)海上交通安全。如圖1 所示，海事避碰規(guī)則大致可以分為以下三類：

圖1 海事避碰規(guī)則劃分圖

1.1.1 對(duì)遇沖突：水面無人艇和動(dòng)態(tài)障礙物對(duì)遇時(shí)，USV 和動(dòng)態(tài)障礙物航向的夾角△θ 滿足|180-△θ|＜15°，USV 應(yīng)靠右從動(dòng)態(tài)障礙物的左邊行駛。

1.1.2 追越?jīng)_突：水面無人艇和動(dòng)態(tài)障礙物追越時(shí)，USV 和動(dòng)態(tài)障礙物航向的夾角△θ 滿足△θ＜45°，USV 應(yīng)靠左從動(dòng)態(tài)障礙物的左邊行駛。

1.1.3 交叉沖突：水面無人艇和動(dòng)態(tài)障礙物交叉時(shí)，USV 和動(dòng)態(tài)障礙物航向的夾角△θ 滿足45°≤|△θ|≤165°，USV 應(yīng)從動(dòng)態(tài)障礙物的后方行駛。

1.2 水面無人艇運(yùn)動(dòng)環(huán)境模型建立和參數(shù)計(jì)算

通過在直角坐標(biāo)系中的計(jì)算可以得出水面無人艇和動(dòng)態(tài)障礙物之間的相關(guān)參數(shù)，分析得出USV 的具體操作，達(dá)到USV 動(dòng)態(tài)避障的效果。極坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系相對(duì)比，可以直觀地看出長(zhǎng)度和角度，所以USV 的建模一般選用極坐標(biāo)系。USV 在直角坐標(biāo)系中的建模如圖2 所示。

圖2 USV 與動(dòng)態(tài)障礙物運(yùn)動(dòng)模型

通過相關(guān)公式可以計(jì)算得出動(dòng)態(tài)障礙物和USV 之間的距離和相對(duì)速度，根據(jù)兩者航向的夾角判斷適用于哪一種避碰規(guī)則，根據(jù)USV 和動(dòng)態(tài)障礙物之間的最近會(huì)遇距離和最小會(huì)遇時(shí)間可以計(jì)算得出危險(xiǎn)度ρ，ρ 越大，USV 和障礙物之間就越安全。

2 水面無人艇操縱運(yùn)動(dòng)模型

建立水面無人艇操縱運(yùn)動(dòng)模型，便于研究水面無人艇的操縱運(yùn)動(dòng)特性，解決USV 的智能避碰問題。根據(jù)USV 的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以建立三種運(yùn)動(dòng)模型，分別是定常運(yùn)動(dòng)模型、轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型和變速運(yùn)動(dòng)模型。假若這三種運(yùn)動(dòng)模型不能起到避碰作用，需要遠(yuǎn)程控制USV 緊急制動(dòng)。

2.1 定常運(yùn)動(dòng)模型

定常運(yùn)動(dòng)模型指USV 和動(dòng)態(tài)障礙物的速度和方向保持一定的運(yùn)動(dòng)模型。USV 的直角坐標(biāo)系中的位置假設(shè)為（x0,y0），航向?yàn)棣?，航速為v，可以根據(jù)下列公式計(jì)算得出經(jīng)過t 時(shí)間后的目標(biāo)位置。

2.2 轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型

轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)模型是指USV 保持一定的速度航行，但是航向發(fā)生了變化的運(yùn)動(dòng)模型。USV 的直角坐標(biāo)系中的位置假設(shè)為（x0,y0），航向?yàn)棣眨╰），航速為v，可以根據(jù)下列公式計(jì)算得出經(jīng)過t 時(shí)間后的目標(biāo)位置。要想得到φ（t）的值需要掌握操控性指數(shù)、操控角、時(shí)刻和掌舵時(shí)間等參數(shù)。

2.3 變速運(yùn)動(dòng)模型

變速運(yùn)動(dòng)模型是指航向改變無法避免碰撞的情況下，采用變速的運(yùn)動(dòng)模型。如下列公式所示，需要掌握USV 的變速前的速度、最終速度、前進(jìn)方向的虛質(zhì)量、USV 的質(zhì)量和阻力系數(shù)等參數(shù)。

3 水面無人艇導(dǎo)航與控制關(guān)鍵算法

實(shí)現(xiàn)水面無人艇導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是采用全局航線規(guī)劃算法和局部避碰算法。

3.1 全局航線規(guī)劃算法

導(dǎo)航是水面無人艇的重要系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)USV 全局路線避碰。導(dǎo)航系統(tǒng)需要對(duì)USV 的航線進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)環(huán)境設(shè)計(jì)出一條無碰撞的最優(yōu)路徑。

賽斯詹姆斯于1995 年提出了快速行進(jìn)法，是可以對(duì)界面?zhèn)鞑タ焖偾蠼獾乃郊椒?。此方法可以根?jù)USV 速度和位置的變化，快速對(duì)時(shí)間求解，現(xiàn)已被應(yīng)用在圖象自動(dòng)處理和航線規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域。如下列公式所示，對(duì)波浪在網(wǎng)格空間迭代傳播的過程進(jìn)行模擬，求解全局最小點(diǎn)的連續(xù)長(zhǎng)度，經(jīng)過梯度下降規(guī)劃最優(yōu)路徑。

3.2 局部碰壁算法

水面無人艇智能導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)關(guān)鍵是局部避碰技術(shù)，適用于處理全局航線規(guī)劃算法規(guī)劃的合理路線上的意外情況。雷達(dá)、定位系統(tǒng)等設(shè)備可以實(shí)時(shí)對(duì)水面上的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)障礙物，局部碰壁算法可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避碰。此算法會(huì)因傳感器的監(jiān)測(cè)范圍受到限制，而且對(duì)于精度的要求極高。本文采用經(jīng)典的VO算法實(shí)現(xiàn)水面無人艇的自動(dòng)避碰，根據(jù)以下公式，由USV 和動(dòng)態(tài)障礙物的相對(duì)位置和速度構(gòu)造出一個(gè)錐形的速度障礙區(qū)域，可以快速、有效、靈活地實(shí)現(xiàn)USV 自動(dòng)避障。

4 仿真試驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證水面無人艇動(dòng)態(tài)避碰策略的可行性，以Matlab2010 軟件為工具分別對(duì)三種碰撞事件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。圖中的黑色長(zhǎng)線表示動(dòng)態(tài)障礙物，淺色部分代表USV 及其航線的變動(dòng)方向。在Matlab2010 軟件中生成代表USV 和動(dòng)態(tài)障礙物的線條。記錄USV 和障礙物的初始位置。根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型，通過算法實(shí)現(xiàn)無人艇的智能化避障。當(dāng)USV 前行時(shí)發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)動(dòng)態(tài)障礙物，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避碰。圖3 為對(duì)遇局面、交叉局面和追越局面動(dòng)態(tài)智能避碰仿真圖。

圖3 對(duì)遇局面、交叉局面和追越局面動(dòng)態(tài)智能避碰仿真圖

5 結(jié)論與展望

水面無人艇具有快速靈活、安全高效等諸多優(yōu)勢(shì)，在未來海上領(lǐng)域具有光明的前景。其技術(shù)實(shí)現(xiàn)不僅為軍用、民用提供了巨大便利，也代表了一個(gè)國(guó)家的科技水平和軍事水平。本文對(duì)于水面無人艇動(dòng)態(tài)避碰策略的研究，意在為日后水面無人艇的發(fā)展提供借鑒?；趪?guó)際避碰規(guī)則公約采用了極坐標(biāo)系對(duì)水面無人艇的運(yùn)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行建模，描述了三種水面無人艇的運(yùn)動(dòng)模型，選擇快速行進(jìn)法和VO算法分別實(shí)現(xiàn)了全局航線規(guī)劃和局部碰壁。使用Matlab2010 分別對(duì)三種USV 運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證水面無人艇導(dǎo)航與控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避碰的可行性，得到水面無人艇可以完成基本的航線規(guī)劃和自主避障任務(wù)的結(jié)果。