基于动态领域势场法的船舶避碰路径规划.pdf
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1、基于动态领域势场法的船舶避碰路径规划孙硕,杨少龙*,向先波,范雪(华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉,430074)摘要:针对传统人工势场避碰路径规划在避让距离和避碰时机方面的局限性,提出一种基于改进人工势场法的动态船舶避碰路径规划方法。采用四元安全领域改进了人工势场中固定的障碍物斥力作用范围,构建一种根据船速动态调整的避让领域范围来代替固定阈值的障碍物斥力势场范围,实现避让距离由静转动;提出一种设定半径自适应的子目标设定方法,并且加入可变调整角,以调整子目标点与障碍物的距离,从而解决避碰大型障碍物时出现的局部最小值和路径抖动问题。改进后算法可根据不同船速构建自适应的避让领域,实现船舶避
2、让距离的动态调整,在保证安全的前提下减少因过于保守的避让距离带来的不必要的碰撞威胁和避碰行为,在速度为 1m/s 时,动态领域势场法相对于障碍物斥力势场范围分别为 100、200m 的传统人工势场法分别节省航程的 8%和 9%。通过真实海图仿真试验验证了所提避碰路径规划算法的可行性,能够实现在有大型障碍物的复杂场景中船舶的安全避碰路径规划。关键词:船舶避碰;路径规划;人工势场;四元安全领域;避让距离;局部最小值中图分类号:TJ630.33;U674.941文献标识码:A文章编号:2096-3920(2023)05-0679-08DOI:10.11993/j.issn.2096-3920.202
3、2-0058ShipCollisionAvoidancePathPlanningBasedonDynamicDomainPotentialFieldSUNShuo,YANGShaolong*,XIANGXianbo,FANXue(SchoolofNavalArchitectureandOceanEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:Inviewofthelimitationsoftraditionalartificialpotentialfieldcollisionavoi
4、dancepathplanningintermsofcollisionavoidancedistanceandcollisionavoidanceopportunity,adynamicshipcollisionavoidancepathplanningmethodbasedonanimprovedartificialpotentialfieldmethodwasproposed.Byusingthequaternionsafetydomain,therepulsionforceactionrangeofthefixedobstacleintheartificialpotentialfield
5、wasimproved,andacollisionavoidancedomainrangethatwasdynamicallyadjustedaccordingtotheshipspeedwasconstructedtoreplacethepotentialfieldrangeofobstaclerepulsionforcewithafixedthreshold,soastorealizethecollisionavoidancedistancefromstatictodynamic.Avariableadjustmentanglewasaddedtothesub-targetsettingm
6、ethodwithanadaptivesettingradiustochangethedistancebetweenthesub-targetpointandtheobstacle,soastosolvetheproblemoflocalminimumandpathjitterwhentherearelargeobstacles.Theimprovedalgorithmcouldbuildadaptivecollisionavoidancedomainsaccordingtodifferentshipspeedsandrealizedynamicadjustmentofshipcollisio
7、navoidancedistance.Withthegoalofensuringsafety,theimprovedalgorithmcouldreduce unnecessary collision threats and collision avoidance behaviors caused by an excessively conservative collisionavoidancedistance.Whenthevelocityis1m/s,thedynamicdomainpotentialfieldmethodsaves8%and9%ofthevoyage,respective
8、ly,comparedwiththetraditionalartificialpotentialfieldmethodwiththepotentialfieldrangeofrepulsionforceof收稿日期:2022-09-17;修回日期:2022-11-10.基金项目:国家自然科学基金资助(52071153);教育部产学合作协同育人项目资助(202102063009).作者简介:孙硕(1999-),男,在读硕士,主要研究方向为船舶路径规划与避碰.*通信作者简介:杨少龙(1988-),男,博士,副教授,硕导,主要研究方向为智能船舶规划与决策.第31卷第5期水下无人系统学报Vol.31
9、No.52023年10月JOURNALOFUNMANNEDUNDERSEASYSTEMSOct.2023引用格式 孙硕,杨少龙,向先波,等.基于动态领域势场法的船舶避碰路径规划 J.水下无人系统学报,2023,31(5):679-686.水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-679100and200m.Realchartsimulationexperimentsconfirmedtheviabilityoftheproposedcollisionavoidancepathplanningalgorithmandrealizedthesafecollisionavoidancepathpla
10、nningofshipsincomplicatedscenarioswithlargeobstacles.Keywords:shipcollisionavoidance;pathplanning;artificialpotentialfield;quaternionsafetydomain;avoidancedistance;localminimum0引言随着智能船舶技术的蓬勃兴起,船舶路径规划作为重要支撑技术,在商船远洋运输航行、海洋区域探测搜索等场景中均有重要意义1-3。船舶路径规划是指在海洋环境中设计出一条合理路径使船舶能安全、经济地从出发点到达目标点的规划算法。常用的规划算法有遗传算法
11、4-5、蚁群算法6、A*算法7和人工势场法8。人工势场法因其计算量小、实时性高等特点成为路径规划领域有望用于实际场景的避碰规划算法之一,在船舶路径规划方面也有着诸多报道。文献 911 通过在斥力势场函数中引入船舶与障碍物相对距离解决目标不可达问题,其中张琪等9通过引入逃逸力的方法来帮助船舶逃离局部最小区域。陈超等12针对无人艇在势场中运行可能遇到的二力平衡造成的局部最小值问题给引力加入振荡函数 F(x)协助避免二力平衡。马小轩等13针对水下复杂环境进行了基于改进人工势场法的水下自主航行器的路径规划。Yu 等14采用全局和局部路径规划切换方式,先用全局规划算法设计跟踪路径,再在局部复杂障碍环境中
12、用人工势场法进行局部路径规划,完成复杂环境的路径规划任务。然而,现有研究在人工势场法斥力模型的作用距离设定仍有显著的局限性,固定的障碍物斥力势场范围使得避碰时机在整个路径规划中全程固化,过大障碍物斥力势场范围导致出现不必要的碰撞威胁以及路程的额外耗费;过小的障碍物斥力势场范围则会导致航行安全难以保证。在实际航海中,针对不同航行任务或某一航行任务的不同路段,有经验的驾驶员也会精心考量避碰时机,动态调整避让距离,以实现既安全又经济的航行。因此,根据航行状况和任务要求,动态调整避碰时机和避让距离将是少人化智能船舶实现安全经济航行任务的重要能力。实现像有经验驾驶员一样的优化避碰考量是避碰路径规划算法面
13、临的重大挑战之一。文中针对传统人工势场法在避碰时机、避让距离方面的局限性,提出一种基于船舶动态安全领域的改进人工势场法优化船舶的避碰路径规划。通过构建动态的船舶避让领域,实现船舶避让距离的自适应,从而实现更具针对性的航行危险感知。并考虑在复杂的真实海图场景中对大型障碍物避碰面临的局部最小值和路径抖动问题,提出改进的子目标点设立方法,完成复杂海图场景的船舶避碰路径规划。通过模拟海图场景中无人艇的仿真试验,验证了算法合理性。1传统人工势场法人工势场法是最早由 Khatib15提出的一种虚拟势场法,该方法将整个环境设想为抽象的势场空间。在研究船舶避碰路径规划过程中,把船舶假设在由目标点产生的引力势场
14、和障碍物产生的斥力势场组成的环境中,如图 1 所示,整个环境就是由障碍物和目标点分别引起的势场相互叠加,并共同影响的一个虚拟势场。船舶在目标点引力和障碍物斥力的共同作用下向目标点行进,从而完成船舶的避碰路径规划。斥力 Frep引力 Fatt障碍物目标点d0船舶图1人工势场避碰路径规划示意图Fig.1Artificial potential field collision avoidance pathplanning势场力定义为势场的负梯度,势能下降最快的方向,通过对引力势场函数求导得出引力,对斥力势场函数求导得出斥力。将船舶简化为质点,其2023年10月水下无人系统学报第31卷680Journ
15、alofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-实时位置 p(x,y),则引力势场函数为Uatt=12k1dn1(p,pg)(1)式中:k1为引力势场系数;d(p,pg)为船舶和目标点的距离;n1为引力势场因子;pg为目标点位置。引力 Fatt的方向为势能下降最快的方向,且引力大小为Fatt=n12k1dn11(p,pg)(2)斥力势场函数为Urep=12k2(1d(p,po)1d0)n2,d(p,po)d00,d(p,po)d0(3)式中:k2表示斥力势场系数;n2为斥力势场因子;d(p,po)表示船舶和障碍物的距离;po为障碍物位置;d0为障碍物斥力势场范围
16、。船舶在运行到障碍物斥力势场范围以内才会受到斥力影响,否则斥力为 0。则斥力为Frep=k2n22(1d(p,po)1d0)n211d(p,po)2,d(p,po)d00,d(p,po)d0(4)合力由受到的引力和斥力矢量叠加求得F=Fatt+Frep(5)2改进人工势场避碰路径规划2.1人工势场法固定避让距离的改进设定航行全程固定的障碍物斥力势场范围对航行过程中不同避碰场景的适配性欠佳,会出现不必要的转弯,或没有及时采取避碰措施而导致距离障碍物过近,进而影响航行安全。受四元安全领域理论启发,引入动态领域,改进斥力势场函数。构造与速度有关的动态船舶避让领域,当检测到障碍物进入避让领域后,根据与
17、障碍物的距离计算所受斥力,避让领域以外船舶不受斥力势场影响,实现船舶与障碍物的避让距离在航行过程中的自适应调整。Wang16提出以前后左右 4 个半径 Rfore、Raft、Rport和 Rstarb为四元的安全领域,即Q=Rfore,Raft,Rport,Rstarb(6)四元安全领域模型为fk(x,y;Q)=(2x(1+sgn x)Rfore(1sgn x)Raft)k+(2y(1+sgn y)Rstarb(1sgn y)Rport)k(7)其中sgn x=1,x 01,x 0(8)Rfore=1+1.34k2AD+(kDT2)2LRaft=1+0.67k2AD+(kDT2)2LRport
18、=(0.2+0.75kDT)LRstarb=(0.2+kDT)L(9)式中:k 取 1,2,3,N,k 的取值不同导致领域形状不同;L 为本船船长;kAD和 kDT为船舶进距和旋回初径的系数,其不仅可以通过进距 AD 和旋回初径 DT 的数据计算求取,还可以利用船速估算得出kAD=ADL=100.359 1lgv+0.095 2kDT=DTL=100.544 1lgv0.079 5(10)式中,v 为本船船速。基于四元安全领域的启发,进行相应简化。前方是避碰时最需要考虑的方向,前半径 Rfore也是4 个方向半径中最大的,利用 Rfore可构建 1 个足够安全的自适应一元圆形船舶安全领域。安全
19、领域是保证航行安全不被侵入的区域,为避免或减少对安全领域的入侵,应有一个范围更大的避让领域,当障碍物进入到避让领域(即船舶与障碍物距离小于避让距离)时可认为存在碰撞危险,船舶应采取相应避碰措施来减少或者避免对安全领域的入侵。障碍物斥力势场范围 d0实际上为避让距离,将安全领域半径放大 1 倍作为避让领域半径,在利用动态避让领域改进后避让领域半径 d0=2Rfore。为避免或减少对安全领域的入侵,当船舶与障碍物距离小于避让距离时,障碍物会有斥力产生,引导船舶在路径规划时进行避碰。安全领域与避让领域如图 2 所示。构建的一元船舶安全领域边界为(xRfore)2+(yRfore)2=1(11)202
20、3年10月孙硕,等:基于动态领域势场法的船舶避碰路径规划第5期水下无人系统学报sxwrxtxb.xml-681对应的船舶动态避让领域边界为(x2Rfore)2+(y2Rfore)2=1(12)当障碍物进入到外层边界范围后,船舶会受到障碍物的斥力影响,此时,d0不再是一个定值,而是会依据船舶速度在航行中的变化进行自适应调整。简化避让距离的设定调试过程,优化了对航行状况变化的适应性,有助于改善在固定障碍物斥力势场范围下较低速度时不必要的障碍物斥力影响、不必要的路径抖动以及较高速度时距障碍物过近等问题。2.2局部最小值和路径抖动的改进针对传统人工势场算法在面对有大型障碍物的复杂场景时易出现局部最小值
21、和路径抖动问题(如图 3 所示),通过设立子目标点的方法进行优化。主要流程是检测是否需要设立子目标点,搜索设立子目标点的方向,确定设定半径并设立子目标点,最后通过设立的子目标点引导无人船逃离受限区域来改善上述航行规划问题,完成逃离后则向目标点行进继续规划路径。检测是否陷入局部最小或路径抖动问题,采取以下判定式17Fatt+Frep=0(13)|PaPb|d0(15)上式如果结果为真,表示虽然满足了式(13)与式(14),但这并不是由障碍物引起的路径偏转或波动,故不规划新的子目标点;如果结果为假,则继续规划子目标点的位置。图 4 为确定子目标点位置的示意图,首先确定设立子目标点的方向,从引力方向
22、开始向两侧不断地扫描,初始探测方向即为引力方向。探测距离为 l,若探测到障碍物就向两侧各偏转 角直到一侧探测不到障碍物,则此方向为首次探测到没有障碍物的方向 new。图中:rmin为 new角度搜索线上从无人船到障碍物的最近距离;a为调整角。在 new方向上设立子目标点虽不会设立到障碍物上,但可能造成子目标点距障碍物过近,故需增加调整角 a,即Rfore安全领域避让领域图2船舶安全领域与避让领域Fig.2Shipsafetydomainandavoidancedomain目标点障碍物轨迹目标点障碍物轨迹(a)局部最小值(b)路径抖动图3局部最小值和路径抖动问题Fig.3Localminimum
23、andpathjitterproblem2023年10月水下无人系统学报第31卷682JournalofUnmannedUnderseaSystemssxwrxtxb.xml-=new+a(16)a=30crmin(17)式中:c 为常量;rmin也可用作设定子目标点的距离半径,在 方向上 rmin远处设立子目标点,以实现a随设定半径大小的变化。通过 rmin和 实现了设定半径的自适应,并保证子目标点距障碍物有适当的距离。改进后算法流程如图 5 所示。3仿真试验3.1试验系统文中的仿真试验系统如图 6 所示。制导系统ud底层控制器船舶模型xuvr感知系统与障碍物距离障碍物信息yd图6仿真试验系
24、统示意图Fig.6Simulationtestsystem1)船舶模型参数见表 118。表1船舶模型参数Table1Shipmodelparameters船长/m船宽/m质量/kg惯性矩/(kg/m2)8.533980197032)感知系统主要用来获取自身状态和周围环境信息,输送给导航系统障碍物信息。3)制导系统根据周围环境指导如何进行下一步航行规划。4)底层控制器将输入偏差转化为控制力和力矩输出至船舶模型,主要由分别用于速度和航向的 2 个控制器组成,且Fx=XuuX|u|u|u|uXuuuu3mrv+Kp,um(udu)(18)lrFy=Kp,Iz(d)+Td,(rdr)(19)式中:Kp
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