趙貴祥, 王晨旭, 王賀平, 李云淼

(天津大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 天津 300110)

0 引 言

水面無人艇(unmanned surface vehicle, USV)作為一種輕量化、智能化的水上交通工具,具有操縱性好、搭載平臺(tái)多樣化等優(yōu)點(diǎn),常被用來執(zhí)行海洋調(diào)查、海上搜救和環(huán)境監(jiān)測(cè)等工作[1-2]。路徑規(guī)劃作為運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ),是USV研究的核心問題[3-4]。

根據(jù)環(huán)境信息的知悉情況,路徑規(guī)劃可分為全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃,前者能在已知環(huán)境中引導(dǎo)USV到達(dá)目的地,后者能對(duì)未知障礙物實(shí)時(shí)避碰[5]。局部路徑規(guī)劃主要包括動(dòng)態(tài)窗口算法(dynamic window approach, DWA)[6-7]、人工勢(shì)場(chǎng)(artificial potential field, APF)算法[8-9]與速度障礙(velocity obstacles, VO)法等。VO法由Fiorini等[10]在1998年首次提出,具有原理簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn),不僅能夠評(píng)估碰撞風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也能提供避碰方法,因此被廣泛應(yīng)用于局部路徑規(guī)劃的研究中。然而,目前VO法多用于無人車和無人機(jī),很少被應(yīng)用于USV的路徑規(guī)劃中[11-15]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者展開了基于VO法的USV路徑規(guī)劃,并取得了一些成果。徐小強(qiáng)等[16]通過VO法和改進(jìn)的APF算法設(shè)計(jì)了一種交替局部路徑規(guī)劃方法,通過調(diào)整算法的參數(shù),可對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確避碰。洪曉斌等[17]構(gòu)建了矩形包圍的障礙物模型和USV相對(duì)運(yùn)動(dòng)模型,對(duì)VO法進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下的USV路徑規(guī)劃。Zhu等[18]使用橢圓表示障礙物的安全距離,克服了VO法存在過度約束和以圓形表示障礙物不適用的問題。USV在海上航行時(shí)難免會(huì)遇到有人船,因此應(yīng)遵守國際海上避碰規(guī)則(International Regulations for Preventing Collisions at Sea, COLREGs),以避免發(fā)生碰撞[19-21]。Kuwata等[22]執(zhí)行將COLREGs與VO法結(jié)合,用于USV的路徑規(guī)劃。Zhang等[23]提出了一種APF和VO法的混合算法,同時(shí)考慮了COLREGs中關(guān)于讓路船條款的約束。Emil等[24]基于COLREGs確定USV從障礙物的哪一側(cè)通過,并通過為動(dòng)態(tài)障礙物分配一個(gè)擴(kuò)展域,進(jìn)而根據(jù)擴(kuò)展域制定VO法。Niu等[25]基于COLREGs改進(jìn)了VO法,右交叉和對(duì)遇局面的避讓能夠滿足COLREGs的要求,但忽略了對(duì)左交叉會(huì)遇的約束,可能會(huì)導(dǎo)致避讓的不協(xié)調(diào),甚至帶來碰撞的威脅。經(jīng)過梳理和分析發(fā)現(xiàn),目前改進(jìn)的VO法中障礙物擴(kuò)展域的確定較為主觀,往往缺乏對(duì)兩船的尺度、速度、操縱性等因素的考慮,導(dǎo)致局部路徑規(guī)劃的避碰路徑長度和避碰時(shí)間過長。此外,基于COLREGs的VO法通常忽略緊迫局面會(huì)遇中避讓責(zé)任的約束[26]。

針對(duì)上述問題,本文基于文獻(xiàn)[25]的成果進(jìn)一步對(duì)VO法進(jìn)行改進(jìn):為減少規(guī)劃路徑的長度和時(shí)間,首先通過四元船舶領(lǐng)域確定了障礙物的擴(kuò)展域,然后構(gòu)建了碰撞威脅距離模型,以確定VO法執(zhí)行避讓的時(shí)機(jī)。為了更好地處理緊迫局面下的避碰責(zé)任約束,本文引入最晚施舵距離,建立了緊迫局面模型,并通過COLREGs中第8條、第13～第17條的條款對(duì)避碰模型進(jìn)行了約束。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 速度障礙法

文獻(xiàn)[10]詳細(xì)介紹了VO法的原理,此處只對(duì)VO法進(jìn)行簡(jiǎn)單的回顧。在局部路徑規(guī)劃中,VO法將USV視為質(zhì)點(diǎn),USV的尺度大小與兩者之間需保持的距離都擴(kuò)展到目標(biāo)船上,將在目標(biāo)船上形成的擴(kuò)展半徑稱為安全距離。若USV在碰撞威脅距離內(nèi)探測(cè)到目標(biāo)船,USV與擴(kuò)展圓形成一個(gè)錐形障礙區(qū)間,當(dāng)相對(duì)速度落入錐形區(qū)域,視為存在碰撞沖突,具有避讓責(zé)任的船應(yīng)進(jìn)行避讓,速度障礙錐如圖1所示。

圖1 速度障礙法示意圖Fig.1 Schematic diagram of VO method

USV和目標(biāo)船分別位于O和T兩點(diǎn),速度分別為vo和vt,vr為目標(biāo)船相對(duì)USV的速度,l為vr的延長線,di為安全距離,安全距離形成的圓形區(qū)域?yàn)镻o,RCC為相對(duì)碰撞區(qū),RCC的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

RCC={l∩PO≠0}

(1)

傳統(tǒng)VO法的執(zhí)行步驟如下:① 通過兩船的會(huì)遇參數(shù)計(jì)算目標(biāo)船是否在碰撞錐內(nèi):若不在碰撞錐內(nèi)則無需避碰,否則應(yīng)執(zhí)行下一步;② 改變本船速度大小或方向,使得本船能在兩船碰撞錐外通過;③ 若本船安全通過會(huì)遇船,本船朝著目標(biāo)點(diǎn)駛?cè)ァ?/p>

1.2 國際海上避碰規(guī)則分析

在能見度良好的寬闊水域中,USV的避碰行動(dòng)通常應(yīng)考慮COLREGs第8條和第13～17條的條款,以保證航行的安全。其中,第8條為避免碰撞行動(dòng)的條款,規(guī)定了避讓行動(dòng)應(yīng)是及早的、大幅度的;若水域環(huán)境許可,僅靠轉(zhuǎn)向避碰是期望采取的;避碰行動(dòng)在兩船駛過讓清后結(jié)束。第13～15條分別定義了追越局面、對(duì)遇局面和交叉局面,同時(shí)將會(huì)遇局面中的兩船分別定義為讓路船、直航船和具有同等避讓責(zé)任的船舶。第16條要求讓路船的避讓行動(dòng)應(yīng)遵守“早、大、寬、清”的原則,即讓路船應(yīng)及早、大幅度地避讓,保證兩船在寬裕的距離上駛過讓清。第17條規(guī)定了直航船的避讓規(guī)則,若兩船發(fā)生碰撞威脅,直航船應(yīng)保持航向和航速等待讓路船避讓,若讓路船違反了COLREGs的避讓條款使兩船形成緊迫局面,直航船具有緊急避讓的義務(wù)。緊迫局面指單憑一船避讓不能使兩船在安全距離外通過的局面。

為了將COLREGs集成到USV的避碰方法中,將常見的會(huì)遇態(tài)勢(shì)分為對(duì)遇、右交叉、左交叉和追越4種,如圖2所示。追越局面又可分為本船追越它船和本船被追越兩種。當(dāng)兩船構(gòu)成對(duì)遇局面時(shí),兩船具有同等避讓責(zé)任;當(dāng)兩船構(gòu)成右交叉和追越它船的局面時(shí),本船為讓路船,應(yīng)及時(shí)對(duì)目標(biāo)船避讓;當(dāng)兩船構(gòu)成左交叉或被追越的局面時(shí),本船為直航船,目標(biāo)船應(yīng)給本船讓路。本文綜合方位、航向等信息采用的會(huì)遇態(tài)勢(shì)的計(jì)算公式為

(2)

圖2 會(huì)遇態(tài)勢(shì)的劃分Fig.2 Division of encounter situation

式中:θr為目標(biāo)船相對(duì)本船的真方位;ΔC為兩船的航相差。

2 VO法的改進(jìn)

2.1 安全距離的確定

傳統(tǒng)VO法通常通過障礙物的尺度主觀確定避碰的安全距離,能夠解決全驅(qū)動(dòng)地面機(jī)器人的路徑規(guī)劃問題。然而,USV具有欠驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)滯后的特點(diǎn),在避碰時(shí)還應(yīng)考慮船舶速度和操縱性的影響,否則不當(dāng)?shù)谋芘鼍嚯x可能會(huì)導(dǎo)致碰撞的發(fā)生。四元船舶領(lǐng)域[27]考慮了船舶尺度、速度、操縱性和會(huì)遇參數(shù)等,能夠根據(jù)會(huì)遇情況隨時(shí)調(diào)整領(lǐng)域的大小,因此被用于計(jì)算本文VO法的安全距離。為了安全起見,取四元船舶領(lǐng)域模型中的最大半軸與目標(biāo)船長的閔可夫斯基之和作為本船的安全距離。四元船舶領(lǐng)域的邊界方程為

(3)

(4)

式中:Rfore,Raft,Rport,Rstarb分別為船首船尾、左舷和右舷的橢圓半徑,計(jì)算公式可從文獻(xiàn)[27]中得到;λ為四元船舶領(lǐng)域邊界值;φ為橢圓上一點(diǎn)與橢圓長軸的夾角。兩船的安全距離dsafe可表示為

dsafe=max(λ)⊕lobject

(5)

式中:⊕為閔可夫斯基之和;lobject為目標(biāo)船的長度,可通過船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)獲得。

2.2 構(gòu)建碰撞威脅距離

在傳統(tǒng)的VO法中,當(dāng)USV在自身探測(cè)范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)船時(shí),開始判斷兩船速度是否落在碰撞錐內(nèi),若發(fā)生碰撞沖突,USV立即進(jìn)行避讓。然而,不同USV配備的雷達(dá)的量程有所不同,影響著USV的避碰時(shí)機(jī)。為了讓兩船能在安全距離外通過,USV應(yīng)在某個(gè)合理的距離上采取適當(dāng)?shù)谋茏屝袆?dòng),在本文中這個(gè)距離被稱為碰撞威脅距離。船舶動(dòng)界的概念和碰撞威脅距離類似,并且可根據(jù)兩船的操縱性和會(huì)遇參數(shù)靈活調(diào)整大小,因此本文通過動(dòng)界的公式確定USV碰撞威脅距離,其取值[28]如下所示:

Darena=Df+k·vr

(6)

式中:Darena為動(dòng)界邊界值;k為時(shí)間參數(shù);Advo為本船的進(jìn)距,可通過旋回實(shí)驗(yàn)得到;Advt為目標(biāo)船的進(jìn)距,可通過如下經(jīng)驗(yàn)公式[28]得到:

Advt=2.531lobject+4.062bobject+23.83

(7)

式中:bobject為目標(biāo)船的寬度,可通過船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)獲得。

2.3 緊迫局面的判斷

當(dāng)本船與目標(biāo)船構(gòu)成左交叉及被追越時(shí),本船為直航船。根據(jù)COLREGs第17條1、2款的要求,本船在碰撞的初始階段應(yīng)保向保速等待讓路船避讓,但當(dāng)目標(biāo)船未及時(shí)避讓且兩船距離小于緊迫局面時(shí)的距離時(shí)形成緊迫局面,直航船可進(jìn)行右轉(zhuǎn)避讓。航海界將最晚施舵時(shí)的距離作為碰撞危險(xiǎn)局面過渡到緊迫局面的臨界值[29]。為方便計(jì)算緊迫局面的臨界值,建立北東坐標(biāo)系,如圖3所示。本文將本船轉(zhuǎn)向90°后恰好能夠在安全的距離外成功避讓違反COLREGs的直航船時(shí)兩船的距離作為最晚施舵距離。

圖3 本船最晚施舵點(diǎn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the last rudder point of the ownship

(8)

(9)

假設(shè)本船轉(zhuǎn)向時(shí)速度不發(fā)生變化,t為船舶轉(zhuǎn)向90°所用的時(shí)間,兩船相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離S=vrt[30],t計(jì)算如下:

(10)

式中:Dt為本船的旋回初徑。兩船相對(duì)速度vr的求法如下:

(11)

式中:φo和φt分別為本船和目標(biāo)船的航向。聯(lián)立式(8)～式(11)并化簡(jiǎn),可得緊迫局面d的表達(dá)式并可求其解析解:

2dS(sinBt·sinθr+cosBt·cosθr)

(12)

3 USV避碰模型

傳統(tǒng)VO法可以判斷USV是否會(huì)與障礙物發(fā)生碰撞,但USV具體從何時(shí)開始與結(jié)束避障,還要進(jìn)一步的判斷。基于以上對(duì)VO法的改進(jìn)以及考慮COLREGs第8條和第13～17條的約束,本文設(shè)計(jì)的USV避碰算法流程如圖4所示。

圖4 局部路徑規(guī)劃流程圖Fig.4 Flowchart of local path planning

3.1 碰撞避讓模型

根據(jù)COLREGs第8條的描述,若環(huán)境允許,單憑轉(zhuǎn)向可能是避碰最有效的行動(dòng),因此本文在避讓時(shí)只考慮轉(zhuǎn)向。當(dāng)目標(biāo)船落在碰撞威脅距離內(nèi),開始判斷相對(duì)速度是否落在碰撞錐內(nèi),若落在碰撞錐內(nèi)且USV具有避碰義務(wù),USV開始執(zhí)行避碰行動(dòng)。

當(dāng)本船為讓路船或?yàn)榫哂型缺茏屫?zé)任的船時(shí),本船應(yīng)及時(shí)向右調(diào)整航向并朝向目標(biāo)船擴(kuò)展圓的右切點(diǎn)移動(dòng);當(dāng)本船為直航船,在碰撞初始階段本船應(yīng)保向保速等待讓路船避讓,但若目標(biāo)船未及時(shí)避讓且兩船距離小于緊迫局面距離時(shí)形成緊迫局面,本船可緊急避讓。由于COLREGs第17條第3款規(guī)定“若當(dāng)時(shí)環(huán)境許可,不應(yīng)對(duì)在本船左舷的船采取向左轉(zhuǎn)向”,因此當(dāng)USV為緊迫局面的直航船時(shí),采取右轉(zhuǎn)避讓為宜。

在改進(jìn)的VO法中,(x1,y1)和(x2,y2)為目標(biāo)船擴(kuò)展圓上的兩個(gè)切點(diǎn);(xo,yo)和(xt,yt)分別為USV和目標(biāo)船的位置;D為兩船的距離,可通過式(13)求解; Δθ為障礙錐的圓周角;θ2和θ1分別為左右切線與x軸的夾角;θ為兩船位置連線與x軸的夾角,可通過式(14)求解;θr為本船相對(duì)目標(biāo)船的速度方向與x軸的夾角,可通過式(15)求解,碰撞錐的角度可通過式(16)求解,碰撞錐示意圖如圖5所示。

圖5 本船與目標(biāo)船形成的碰撞錐Fig.5 Collision cone formed by ownship and target ship

(13)

(14)

(15)

(16)

如果θr∈(θ-Δθ/2,θ+Δθ/2),則兩船將在未來發(fā)生碰撞,USV應(yīng)向右轉(zhuǎn)向,使相對(duì)運(yùn)動(dòng)線沿著右側(cè)的切線,求解公式如下:

(17)

求解式(17)方程組可得(x1,y1),(x2,y2)兩組解,分別為圖5中的兩個(gè)切點(diǎn),如果Δθ滿足式(20),則求出來的(x1,y1)為右側(cè)切點(diǎn)。

(18)

(19)

Δθ=θ2-θ1, 0<Δθ<π; Δθ<-π

(20)

在已知本船和目標(biāo)船航速航向的條件下,若要求僅改變本船的航向、使得兩船的相對(duì)運(yùn)動(dòng)能夠沿著右側(cè)切線航行,本船需要改變的新航向?yàn)?/p>

(21)

式中:φnew為滿足相對(duì)運(yùn)動(dòng)、沿著右側(cè)切線時(shí)USV調(diào)整后的新航向。

在下一周期USV和目標(biāo)船的位置更新如下所示:

(22)

(23)

式中:Δt為位置更新周期。

3.2 航向恢復(fù)的時(shí)機(jī)

COLREGs中第8條第4款、第13條第4款、第16條多次出現(xiàn)“駛過讓清”一詞,即一旦形成某一種會(huì)遇態(tài)勢(shì),則要求避讓行動(dòng)一直進(jìn)行,除非兩船解除碰撞威脅。本文將本船運(yùn)動(dòng)到兩船的速度碰撞錐與障礙物擴(kuò)展圓的右側(cè)切點(diǎn)視為解除碰撞威脅,若滿足:

(xo,yo)=(x1,y1)

(24)

USV可改變航向朝著局部目標(biāo)點(diǎn)航行。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 4種會(huì)遇態(tài)勢(shì)的仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證本文改進(jìn)VO法的有效性,以“Dolphin-I”號(hào)USV為例進(jìn)行仿真。在仿真計(jì)算中,本船和目標(biāo)船的船舶尺度及操縱性能等參數(shù)都參考“Dolphin-I”,如表1所示。為了各組數(shù)據(jù)的一致性,假定目標(biāo)船航向航速恒定,在會(huì)遇時(shí)能夠與本船構(gòu)成對(duì)遇、右交叉、左交叉和追越他船的會(huì)遇態(tài)勢(shì)。本文不考慮風(fēng)浪流的影響,在北東坐標(biāo)系中,設(shè)定USV的起始點(diǎn)坐標(biāo)為(100,100),目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)為(100,1 020),USV速度為3 m/s,轉(zhuǎn)艏速率為2.5°/s,航向?yàn)?0°。在4種不同場(chǎng)景中,目標(biāo)船的初始運(yùn)動(dòng)信息如表2所示。

表1 Dolphin-I參數(shù)

表2 目標(biāo)船的初始信息

在上述4種場(chǎng)景中,分別驗(yàn)證了改進(jìn)算法避讓的有效性。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果中,綠色軌跡表示USV航行的軌跡,粉紅色軌跡表示目標(biāo)船的軌跡。當(dāng)目標(biāo)船的顏色為黃色時(shí),表示此時(shí)無需避讓或避讓完成;當(dāng)目標(biāo)船的顏色變成紅色時(shí),表示USV需要執(zhí)行避讓行動(dòng)。如圖6(a)所示,兩船構(gòu)成對(duì)遇局面,當(dāng)時(shí)間t=150 s時(shí),兩船相距205.17 m,碰撞威脅距離為218.24 m,相對(duì)運(yùn)動(dòng)落在碰撞錐內(nèi),USV具有避碰責(zé)任,需要給目標(biāo)船讓路。USV開始右轉(zhuǎn)使相對(duì)運(yùn)動(dòng)沿著碰撞錐右側(cè)的切線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)t=205 s時(shí),已成功避讓目標(biāo)船,此時(shí)解除兩船右交叉的會(huì)遇態(tài)勢(shì),本船逐漸轉(zhuǎn)向并駛向目標(biāo)點(diǎn),如圖6(b)所示。同理,可對(duì)場(chǎng)景2～場(chǎng)景4中的右交叉、左交叉和追越他船的會(huì)遇態(tài)勢(shì)進(jìn)行分析,可以得到類似的結(jié)果,都能夠在滿足安全距離的同時(shí)成功避讓目標(biāo)船,場(chǎng)景2～場(chǎng)景4的避讓結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖6 對(duì)遇局面的避讓行動(dòng)Fig.6 Avoidance action in head-on situation

圖7 右交叉局面的避讓行動(dòng)Fig.7 Avoidance action in right-crossing situation

圖9 追越局面的避讓行動(dòng)Fig.9 Avoidance action in over-taking situation

4.2 算法對(duì)比

將本文改進(jìn)的VO法與文獻(xiàn)[25]中的改進(jìn)VO法方法進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證改進(jìn)的有效性。對(duì)比實(shí)驗(yàn)中船舶安全通過的閾值參考原文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù),其他參數(shù)參考表1和表2的數(shù)值。圖10和圖11分別表示了改進(jìn)前后避讓過程兩船的距離,圖12為改進(jìn)前左交叉局面的避讓圖,表3～表5記錄了改進(jìn)前后4種會(huì)遇避讓過程的參數(shù)。

圖10 改進(jìn)前各場(chǎng)景避讓過程所保持的距離Fig.10Distance of each scene in avoidance process before improvement

圖11 改進(jìn)后各場(chǎng)景避讓過程所保持的距離Fig.11 Distance of each scene in avoidance process after improvement

圖12 改進(jìn)前的左交叉局面的避讓行動(dòng)Fig.12 Avoidance action in left-crossing situation before improvements

表3 場(chǎng)景1～場(chǎng)景4的避碰結(jié)果

表4 改進(jìn)前避碰過程中的相關(guān)參數(shù)

表5 改進(jìn)后避碰過程中的相關(guān)參數(shù)

(1) 在改進(jìn)前的局部路徑規(guī)劃中,未能夠根據(jù)船舶實(shí)際情況設(shè)置安全閾值,USV較早地避讓目標(biāo)船,導(dǎo)致避碰的距離和時(shí)間較長,如圖10和表4所示。改進(jìn)后考慮了船舶尺度、速度和操縱性等,確定了安全距離和碰撞威脅距離,在4種場(chǎng)景的避讓過程中,兩船的距離始終都不低于本船所要求的安全距離。在確保安全避讓的條件下,推遲了避讓的時(shí)機(jī),使得避碰的路徑和時(shí)間較短,如圖11所示。改進(jìn)后的算法較改進(jìn)前平均路徑長度縮短了38.88%,平均規(guī)劃時(shí)間減少了44.26%,如表3所示。驗(yàn)證了本文改進(jìn)算法可以有效地縮短避碰的路徑和時(shí)間。

(2) 改進(jìn)前的算法沒有考慮當(dāng)本船作為直航船時(shí)的避讓責(zé)任。如圖12所示,當(dāng)場(chǎng)景3中的USV與目標(biāo)船構(gòu)成左交叉的會(huì)遇態(tài)勢(shì)時(shí),USV并沒有認(rèn)清自身為直航船的身份,仍按照主動(dòng)避讓的方式進(jìn)行避碰,在形成碰撞危險(xiǎn)時(shí)執(zhí)行避讓行動(dòng)。這種避碰模型違背了COLREGs對(duì)直航船避碰行動(dòng)的要求。改進(jìn)后的算法通過最晚施舵距離確定了緊迫局面。從表5可知,場(chǎng)景3在避碰過程中形成了緊迫局面。如圖8(a)所示,USV在碰撞危險(xiǎn)的初始階段仍保向保速,直到兩船形成緊迫局面,USV開始執(zhí)行避讓的行動(dòng),滿足了COLREGs中第17條的規(guī)定,如圖8(b)所示。此外,在場(chǎng)景1、2和4的會(huì)遇中,USV均為讓路船且都按照COLREGs第13～15條的條款主動(dòng)避碰,同時(shí)避碰行動(dòng)符合“早”“大”“寬”“清”的原則,滿足COLREGs第8條和第16條的要求,如圖6、圖7和圖9所示。因此,證明了改進(jìn)的VO法規(guī)劃的路徑在保證避碰安全的同時(shí)滿足COLREGs第8條和第13～17條的避讓要求。

5 結(jié)束語

針對(duì)USV基于VO法的局部路徑規(guī)劃時(shí)避碰的路徑和時(shí)間較長以及忽略緊迫局面中避碰責(zé)任約束的問題,提出一種改進(jìn)的VO法,通過仿真驗(yàn)證得出以下結(jié)論:

(1) 通過四元船舶領(lǐng)域和船舶動(dòng)界分別確定VO法中的安全距離和碰撞威脅距離,能夠縮短避碰路徑長度和避碰耗時(shí)。改進(jìn)后的VO法較改進(jìn)前平均路徑長度縮短38.88%,平均規(guī)劃時(shí)間減少了44.26%。

(2) 改進(jìn)的VO法規(guī)劃的路徑在保證避碰安全的同時(shí)滿足COLREGs第8條和第13～17條的避讓要求。當(dāng)USV為讓路船或具有同等避讓責(zé)任的船時(shí),能夠及時(shí)避讓目標(biāo)船;當(dāng)USV為直航船時(shí),能夠保持航速和航向、等待目標(biāo)船執(zhí)行避讓的行動(dòng),同時(shí)能夠在兩船構(gòu)成緊迫局面時(shí)進(jìn)行緊急避讓。

在未來的研究中,應(yīng)考慮風(fēng)浪流等環(huán)境因素和目標(biāo)船機(jī)動(dòng)的不確定因素,并研究多智能體之間的協(xié)調(diào)避碰。同時(shí),結(jié)合全局路徑規(guī)劃,以滿足USV在海上自主航行的實(shí)際情況。