一種基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種氣墊船避障方法，特別是基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避 障方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣墊船在海上航行過程中不可避免的會遇到障礙物，由于氣墊船的速度較大，因 此發(fā)生碰撞的概率增大。針對氣墊船手操模式，駕駛?cè)藛T要想控制船成功避開障礙物需要 經(jīng)歷信息采集、信息分析、路徑規(guī)劃W及控船等幾個步驟，由于氣墊船速度很大留給操作人 員的決策時間有限，運給駕駛?cè)藛T很大的工作壓力。
[0003] 國內(nèi)外關(guān)于水面船的避碰控制研究大多集中在專家避碰輔助系統(tǒng)，利用專家的經(jīng) 驗對當前的避碰局面給出指導，但是專家系統(tǒng)存在W下缺點：第一，海上情況復雜多變，對 于每只船（即便是完全相同的船）都存在各自特殊的問題，需要適合的避碰方案來解決問 題，所W對于經(jīng)驗總結(jié)的方案來說是無法做到完全適合的；第二，由于每個駕駛員對于海上 航行的知識認知不同，無法與總結(jié)經(jīng)驗的科學家的認知完全一樣，所W運些方案不但無法 對駕駛員產(chǎn)生幫助，反而可能會對其產(chǎn)生誤導。另外還有一些學者利用電子海圖提前對路 徑規(guī)劃實現(xiàn)避障。但由于路徑規(guī)劃需要進行在線尋優(yōu)，算法復雜，并不適合對實時性要求比 較高的氣墊船。
[0004] 人工協(xié)調(diào)場作為一種改進的人工勢場，應(yīng)用于船舶避碰具有計算簡單，實時性好， 避免了局部極小值，但容易在目標點附近振蕩，并且沒有考慮到氣墊船的運動約束。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種在考慮氣墊船運動約束下實現(xiàn)避障，同時減小氣墊船 的抖動，提高操氣墊船航行安全性的基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是運樣實現(xiàn)的：
[0007] (1)獲取氣墊船狀態(tài)信息、目標點位置W及障礙物位置；
[0008] (2)根據(jù)氣墊船狀態(tài)和目標點位置設(shè)計PID控制律，代替人工協(xié)調(diào)場中的吸引力；
[0009] (3)根據(jù)氣墊船狀態(tài)信息和障礙物位置計算風險度，若風險度大于設(shè)定的風險度 則進入步驟（4)，否則進入步驟化）；
[0010] (4)設(shè)計斥力場，并利用氣墊船的最大加速度約束設(shè)計斥力場的場強參數(shù)，進而計 算出斥力；
[0011] 妨根據(jù)斥力計算出協(xié)調(diào)力；
[001引 （6)將吸引力、排斥力W及協(xié)調(diào)力合成，算出大地坐標下的合力，然后將所述合力 的方向作為氣墊船的期望臘向設(shè)計臘向PID控制律，將所述合力的大小作為氣墊船的縱向 控制力對氣墊船進行控制。
[0013]人工協(xié)調(diào)場作為一種改進的人工勢場，應(yīng)用于船舶避碰具有計算簡單，實時性好， 避免了局部極小值，但容易在目標點附近振蕩，并且沒有考慮到氣墊船的運動約束。本發(fā)明 提出了一種基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法則很好的解決了運些問題，目的在于 在考慮氣墊船運動約束下實現(xiàn)避障，同時減小氣墊船的抖動，提高操氣墊船航行安全性。
[0014] 本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：
[0015] 人工協(xié)調(diào)場中的吸引力通過PID控制律產(chǎn)生，由于該控制律將位置偏差、速度W 及偏差積分考慮在內(nèi)，克服了W往吸引力只依賴于位置信息造成的氣墊船在目標點附近的 抖動。排斥力中的場強參數(shù)是根據(jù)氣墊船的最大加速度設(shè)計的，因此協(xié)調(diào)場的設(shè)計考慮了 氣墊船的運動約束。最后通過轉(zhuǎn)換坐標將水平面協(xié)調(diào)場的合力轉(zhuǎn)換為氣墊船的縱向力和回 轉(zhuǎn)力矩，解決了氣墊船橫向欠驅(qū)動的問題。
[0016] 本發(fā)明通過PID控制率來改進人工協(xié)調(diào)場中的吸引力，減小了傳統(tǒng)吸引力只與位 置有關(guān)而造成的氣墊船在目標點附近的抖動，將排斥力與氣墊船的運動約束結(jié)合在一起實 現(xiàn)了有約束的避碰。另外，協(xié)調(diào)力只根據(jù)斥力的大小和方向確定，不需要再設(shè)計場強參數(shù)， 簡化了設(shè)計過程。本發(fā)明能夠在氣墊船的性能范圍內(nèi)實現(xiàn)安全避障，具有很強的實用價值。
【附圖說明】
[0017] 圖1改進的人工協(xié)調(diào)場示意圖。
[0018] 圖2氣墊船避障算法流程圖。
[0019] 圖3氣墊船避讓靜態(tài)障礙物過程。
[0020] 圖4氣墊船與障礙物距離變化曲線。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0022] 結(jié)合圖2,氣墊船避障方法的實現(xiàn)包括如下步驟：
[0023]1.讀取當前時刻氣墊船的位置（x，y)、速度（u，v)、臘向11) W及回轉(zhuǎn)率r，目標點 的位置（Xg，yg)，障礙物的位置（X。，y。）；
[0024] 2.根據(jù)氣墊船狀態(tài)和目標點位置設(shè)計如下PID控制律計算吸引力F。：
[00巧]
[0026] 其中，Pg=[Xg，yg]T，P=[X，y]T，戶=/r;義.'，
U=山v]T， Kp，Ki，Kd為2X2的增益矩陣；
[0027] 3.計算碰撞風險度risk,并與設(shè)定的;r_d比較：
[0028]
[0029] 其中d為設(shè)定的障礙物與氣墊船安全距離，e為設(shè)定的安全余量。若risk>r_ d，則進行下一步計算，否則轉(zhuǎn)至步驟6 ;
[0030] 4.設(shè)計斥力場并計算斥力Ff;
[0031] Ff=kr(P-P。）
[0032]其中，P"=[XwyjT;
[0033] 場強參數(shù)kr如下計算：
[0034]
[00巧]其中，m> 1，pos(x) =max(x, 0)，U"為氣墊船相對于障礙物的相對速度，因為運 里考慮的是靜態(tài)障礙物，因此有U"=U，e(X)表示向量X的單位向量，am。、表示氣墊船的最 大加速度；
[0036] 5.根據(jù)斥力計算協(xié)調(diào)力Fn:
[0037] Fn=kn*^*Fr
[0038] 其中，k。為標量的可調(diào)參數(shù)，
A的主要作用就是產(chǎn)生垂直于斥力的 協(xié)調(diào)力，避免局部極小值的出現(xiàn)。
[0039] 6.計算氣墊船在大地坐標下的合力F，并轉(zhuǎn)換成氣墊船的縱向力和回轉(zhuǎn)力矩：
[0040]
[0041] 設(shè)二維合力F =[n，f2]T，fl，f2分別為合力在大地坐標下的北向分力和東向分 力，則氣墊船的期望臘向il>d:
[0042]
[0043] 氣墊船的回轉(zhuǎn)控制力矩T?？筛鶕?jù)PID計算為
[0044] T n= k P(廣1]〇+ki / (1]5廣1]〇dt+kd (fd-r)
[004引其中，kp，ki，kd為標量的可調(diào)PID參數(shù)，於，為期望的臘向，約為期望的臘 向回轉(zhuǎn)率。
[0046] 氣墊船的縱向控制力Tx為
[0047]
[0048] 運樣就把大地坐標下計算的合力轉(zhuǎn)換為氣墊船的縱向控制力和回轉(zhuǎn)控制力矩。
【主權(quán)項】
1. 一種基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法，其特征是： (1) 獲取氣墊船狀態(tài)信息、目標點位置以及障礙物位置； (2) 根據(jù)氣墊船狀態(tài)和目標點位置設(shè)計PID控制律，代替人工協(xié)調(diào)場中的吸引力； (3) 根據(jù)氣墊船狀態(tài)信息和障礙物位置計算風險度，若風險度大于設(shè)定的風險度則進 入步驟（4)，否則進入步驟（6); (4) 設(shè)計斥力場，并利用氣墊船的最大加速度約束設(shè)計斥力場的場強參數(shù)，進而計算出 斥力； (5) 根據(jù)斥力計算出協(xié)調(diào)力； (6) 將吸引力、排斥力以及協(xié)調(diào)力合成，算出大地坐標下的合力，然后將所述合力的方 向作為氣墊船的期望艏向設(shè)計艏向PID控制律，將所述合力的大小作為氣墊船的縱向控制 力對氣墊船進行控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法，其特征是：所述 氣墊船狀態(tài)信息包括當前時刻位置（X，y)、速度（u，V)、艏向Φ以及回轉(zhuǎn)率r，目標點位置用 (x g，yg)表示，障礙物位置用（Xc^yci)表示。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法，其特征是吸引力 Fa為：為2X2的增益矩陣。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法，其特征是：風險 度risk為，其中d為設(shè)定的障礙物與氣墊船安全距離，ε為設(shè)定的安全余量。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法，其特征是斥力F ^ 為： Fr= kr (P-P0) 其中，P。= [X。，yJT; 場強參數(shù)I如下計算：其中，m彡1，pos(x) = max(X，0)，Uot為氣墊船相對于障礙物的相對速度，因為這里考 慮的是靜態(tài)障礙物，因此有Uot= U，e (X)表示向量X的單位向量，a _表示氣墊船的最大加 速度。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法，其特征是協(xié)調(diào)力其中，kn為標量的可調(diào)參數(shù)，，：λ的作用就是產(chǎn)生垂直于斥力的協(xié)調(diào)力，避 免局部極小值的出現(xiàn)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法，其特征是大地坐 標下的合力為F為：設(shè)二維合力F = [fl，f2]T，fl，f2分別為合力在大地坐標下的北向分力和東向分力，則 氣墊船的期望艏向氣墊船的回轉(zhuǎn)控制力矩τη根據(jù)PID計算為其中，kp，Ic1, kd為標量的可調(diào)PID參數(shù)，G =么，％為期望的艏向，匕為期望的艏向回 轉(zhuǎn)率。 氣墊船的縱向控制力^為
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于改進的人工協(xié)調(diào)場的氣墊船避障方法。(1)獲取狀態(tài)信息、目標點位置以及障礙物位置；(2)設(shè)計PID控制律，代替人工協(xié)調(diào)場中的吸引力；(3)計算風險度，若風險度大于設(shè)定的風險度則進入步驟(4)，否則進入步驟(6)；(4)設(shè)計斥力場，并利用最大加速度約束設(shè)計斥力場的場強參數(shù)，進而計算出斥力；(5)根據(jù)斥力計算出協(xié)調(diào)力；(6)算出大地坐標下的合力，將合力的方向作為期望艏向設(shè)計艏向PID控制律，將合力的大小作為縱向控制力對氣墊船進行控制。本發(fā)明減小了傳統(tǒng)吸引力只與位置有關(guān)而造成的氣墊船在目標點附近的抖動，實現(xiàn)了有約束的避碰，能夠在氣墊船的性能范圍內(nèi)實現(xiàn)安全避障，具有很強的實用價值。
【IPC分類】G05D1/02
【公開號】CN105182975
【申請?zhí)枴緾N201510593659
【發(fā)明人】付明玉, 徐玉杰, 王成龍, 丁福光, 林孝工, 王元慧, 趙大威, 劉向波
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年9月17日