基于改进速度障碍法的水面无人艇动态避障

洪晓斌; 徐郑攀; 魏新勇; 朱坤财; 陈远明

doi:10.37188/OPE.2021.0272

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基于改进速度障碍法的水面无人艇动态避障

微纳技术与精密机械 | 更新时间：2021-10-08

- 基于改进速度障碍法的水面无人艇动态避障
- Dynamic obstacle avoidance of unmanned surface vehicle based on improved speed obstacle method
- 光学精密工程 2021年29卷第9期页码：2126-2139
- 作者机构：
  
  1.华南理工大学机械工程学院，广东广州 510640
  2.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641
- 作者简介：
  
  [ "洪晓斌（1979-），男，广东揭阳人，教授，博士生导师，2002年于武汉理工大学获得学士学位，2007年于华南理工大学获得博士学位，现为华南理工大学机械与汽车工程学院副院长，主要从事无损检测技术与装备、网络化测控技术及仪器及海上智能化无人装备等方面的研究。E-mail：mexbhong@scut.edu.cn" ]
  [ "徐郑攀（1997-），男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事水面无人艇自主航行控制、路径规划和避障技术等方面的研究。E-mail：243636483@qq.com" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2019YFB1804200);广东省基础与应用基础研究基金资助项目(2019B151502057)
- DOI：10.37188/OPE.2021.0272
  中图分类号： TP242
- 收稿日期：2021-05-07，
  
  修回日期：2021-05-28，
  
  纸质出版日期：2021-09-15
- 稿件说明：
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洪晓斌,徐郑攀,魏新勇等.基于改进速度障碍法的水面无人艇动态避障[J].光学精密工程,2021,29(09):2126-2139.

HONG Xiao-bin,XU Zheng-pan,WEI Xin-yong,et al.Dynamic obstacle avoidance of unmanned surface vehicle based on improved speed obstacle method[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2126-2139.
洪晓斌,徐郑攀,魏新勇等.基于改进速度障碍法的水面无人艇动态避障[J].光学精密工程,2021,29(09):2126-2139. DOI： 10.37188/OPE.2021.0272.

HONG Xiao-bin,XU Zheng-pan,WEI Xin-yong,et al.Dynamic obstacle avoidance of unmanned surface vehicle based on improved speed obstacle method[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(09):2126-2139. DOI： 10.37188/OPE.2021.0272.

摘要

针对水面无人艇在复杂海况下的动态避障问题，构建了障碍物模型和碰撞风险模型，通过引入多个约束条件的改进速度障碍法，实现了复杂海况下水面无人艇动态避障的航迹重规划。针对无人艇长宽比较大的几何特点，提出了矩形包围框的障碍物模型描述方法，建立无人艇相对运动模型，并在船体坐标系下计算相对运动参数。通过计算碰撞危险度来确定开始避障的时机。最后，在速度障碍法的基础上引入障碍物模型约束和水面无人艇自主局部避障系统特性约束对避障路径进行优化，并通过实验获得动态避障环境下的航迹重规划结果。基于V-REP（Virtual Robot Experimentation Platform）平台仿真实验以及实船避障实验表明，在航速12节的情况下，避碰过程中的路径重规划时间在15 s以下，满足在实际航行多约束条件下水面无人艇的动态避障要求。

Abstract

Aiming at solving the dynamic collision avoidance problem for unmanned surface vehicle under complex marine status， this study constructs the obstacle model and the collision risk model to achieve the track re-planning of dynamic collision avoidance in complex sea conditions with the improved velocity obstacle method that introduced multiple constraints.Firstly， an obstacle model description method for rectangular bounding box was proposed for USV's geometric characteristics of large aspect ratio.A relative motion model of USV in hull coordinate system was established with the relative motion parameters calculated. Secondly，the collision risk was calculated to determine the time to start avoiding the obstacle.Lastly， improved obstacle avoidance path was constructed by introducing obstacle model constraints and characteristic constraints of USV’s autonomous local obstacle avoidance system based on velocity obstacle method. The track re-planning results were obtained through experiments.The simulated experiment on the physical simulation platform of V-REP （Virtual Robot Experimentation Platform） and the actual ship obstacle avoidance experiment show that the path re-planning time during collision avoidance is less than 15 s at a speed of 12 knots， meeting the dynamic collision avoidance requirements of unmanned surface vehicle under multiple constraints of actual navigation.

关键词

Keywords

references

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