[发明专利]一种用于群水面无人艇的自主避碰系统及方法

摘要

本发明提出一种用于群水面无人艇的自主避碰系统及方法，包括艇载避碰系统包括运动操纵模块、无线通信模块、数据收集处理模块和避碰决策模块，完成从周边无人艇航行姿态信息获取、分析处理到制定出避碰决策所有过程，应用运动操纵模块、无线通信模块、数据收集处理模块和避碰决策模块各自的功能，实现无人艇在开阔水域避碰群无人艇的功能，同时，使用动态分组算法和同组跟随算法完成避碰过程中无人艇交通流的生成与群组无人艇避让，最终使得每一艘无人艇都能够安全驶过。本发明能够实现水面无人艇在复杂态势下的避碰，并根据航行态势变化调整避让决策，实现无人艇的自主避碰。

主权项

1.一种用于群水面无人艇的自主避碰方法，其特征在于，包括如下步骤：S1)首先运用无线通信模块在基于Zigbee协议栈的基础上，设计了一种应用层上的协商协议，通过在Zigbee通信网络中互相发送消息达到协商的目的，并将协商结果通过数据收集处理模块送到避碰决策模块，同时，在航行过程中周期性的广播自身航行姿态信息和获取周边无人艇航行姿态信息，并将其送达数据收集处理模块进一步处理；S2)所述数据收集处理模块包含周边环境数据处理单元，数据收集处理模块从传感器获取相应的原始数据，并将这些数据结构化后传递给运动操纵模块和避碰决策模块，周边环境数据处理单元是将无线通信模块的环境数据整合后传递给避碰决策模块；S3)所述避碰决策模块能够从数据收集处理模块获取自身的姿态信息和周边无人艇航行姿态信息，根据动态分组算法和同组跟随算法得出避碰决策，向运动操纵模块发出控制指令，通过控制螺旋桨和舵叶角度来调整无人艇航行姿态，从数据收集处理模块主动获取航向C₀和舵角δ₀数据，使用PID航向控制算法调整航向，调节螺旋桨转速调整航速，保证无人艇能够根据决策指令迅速调整到目标航行姿态；所述S3)中动态分组算法包括如下内容：S31)在数据收集处理模块中，获取的位置信息是经纬度，首先按照墨卡托投影的方式将经纬度转换到全局平面坐标系中，在全局平面坐标系中，无人艇USV_i位置表示为(P_xi，P_yi)，航向为C_i，航速为V_i，舵角为δ_i；S32)避碰决策模块从数据收集处理模块获取数据，将周边无人艇位置、航向、航速和舵角映射到艇体坐标系XOY中，所述艇体坐标系是以本无人艇为中心，以本艇航向为OY轴，与其垂直的右正横方向作为OX轴，从航向开始顺时针旋转的极角作为相对方位角θ；映射公式如下：ci＝C_i‑C₀v_i＝V_iγ_i＝δ_iθ_i＝arctan(Y_i/X_i)式中：X_i,Y_i表示USV_i在艇体坐标系中位置，P_x0,P_y0表示本艇USV₀的全局坐标位置，C₀表示本无人艇的航向，c_i表示USV_i在艇体坐标系中的航向，v_i表示USV_i在艇体坐标系中的航速，γ_i表示USV_i在艇体坐标系中的舵角，θ_i表示USV_i相对于本艇的相对方位角；S33)在艇体坐标系中，计算每一艘无人艇与临近无人艇的运动姿态相似度，如果小于μ_max则分到同一分组中，所述μ_max根据分组效果调整，相似度μ计算公式如下：式中：X_i,X_j—无人艇USV_i、USV_j的OX坐标Y_i,Y_j—无人艇USV_i、USV_j的OY坐标c_i,c_j—无人艇USV_i、USV_j的航向v_i,v_j—无人艇USV_i、USV_j的航速；S34)如果本无人艇与周边无人艇被分到同一组中，则使用同组跟随算法计算跟随对象；S35)在无人艇运动过程中周期性地更新分组，完成避碰过程中无人艇交通流的生成与群组无人艇避让，最终使得每一艘无人艇都能够安全驶过。