水面無人艇避碰方法回顧與展望*

吳　博　文元橋　吳　貝　周思楊　肖長詩

(武漢理工大學航運學院1)　武漢　430063)　(內河航運技術湖北省重點實驗室2)　武漢　430063) (武漢海事局3)　武漢　430000)　(武漢第二船舶設計研究所4)　武漢　430000)

水面無人艇避碰方法回顧與展望*

吳博1，2)文元橋1，2)吳貝3)周思楊4)肖長詩1，2)

(武漢理工大學航運學院1)武漢430063)(內河航運技術湖北省重點實驗室2)武漢430063) (武漢海事局3)武漢430000)(武漢第二船舶設計研究所4)武漢430000)

摘要：水面無人艇因其具有體積小、速度快、較好的隱身性、較高的智能化等特點被世界各國廣泛應用.隨著其應用價值的不斷提高，水面無人艇日益成為國內外研究的焦點.避碰技術作為水面無人艇的核心技術之一，是實現無人艇安全航行正常執行任務的重要前提.針對水面無人艇的避碰問題，從水面無人艇全局路徑規劃和局部避碰的角度，分別闡述了國內外主要研究成果，并且總結了水面無人艇避碰方法目前存在的一些問題，同時對未來的研究方向進行了展望.

關鍵詞：水面無人艇;避碰方法;全局路徑規劃;局部避碰

0引言

水面無人艇是因軍事作戰、海事監管巡航、海洋環境監測等需求應運而生的新型智能水面航行艇，常被用來執行在復雜多變的海洋環境中特殊的、不適合有人船只完成的任務.它集速度快、安全性高、多功能一體化等特點于一身，可實現快速、高效、準確完成任務的要求.在復雜多變的海洋環境中，水面無人艇安全航行、順利完成各項任務的一個重要的前提就是水面無人艇能夠實現避碰功能.作為水面無人艇研究的核心技術之一，水面無人艇的避碰不僅從一定程度上反映了水面無人艇智能化水平的高低，也是水面無人艇實現自主安全可靠航行的關鍵技術之一.水面無人艇避碰技術包括無人艇全局路徑規劃和局部避碰.

水面無人艇的全局路徑規劃主要解決水面無人艇定位和路徑跟蹤問題[1-2].水面無人艇在已知任務的起始點和目標點的情況下，根據任務的要求(時間最少、距離最短或者安全性最高等)規劃出一條無碰可航路徑.在進入某水域前，全局路徑規劃已為水面無人艇規劃出在該水域安全可航的路徑，這為其快速、靈活、安全地航行提供了基礎.

水面無人艇的局部避碰是指在無人艇航行過程中，遇到障礙物(全局路徑規劃過程中未考慮的障礙物，例如，突然出現的船舶等)采取正確合理的規避行為.水面無人艇在航行過程中，遇到突然出現的船舶、漂浮物等礙航物時，能夠及時有效的調整航速或航向，駛離原規劃路徑，進而躲避新出現的礙航物，在完成原目標任務的前提下，盡可能的確保快速安全航行.

水面無人艇在航行及執行任務過程中，可通過航行前的全局路徑規劃和航行過程中的局部避碰實現航線整體實時設定，完成無人艇的安全快速航行及正常執行相關任務的要求.下面分別介紹水面無人艇在全局路徑規劃和局部避碰方面的國內外研究成果.

1水面無人艇全局路徑規劃

目前，國內外已有許多專家學者對水面無人艇全局路徑規劃進行了研究，并取得了一定的研究成果.其中涉及到的研究方法包括可視圖法、遺傳算法、模糊算法、勢場法、粒子群優化算法、Dijkstra算法和A*算法等.

陳超等[3]提出了一種基于可視圖的 A*算法解決全局路徑規劃問題.該算法的優點在于結合了可視圖法處理無人艇避讓障礙物，同時運用啟發式的方法增強可視圖法對環境的適應性和實時性，不僅克服了傳統可視圖法靈活性差的問題，還可以提高規劃效率.

在利用勢場法進行路徑規劃過程中，容易出現局部最小點問題，造成無法找到最優路徑.文獻[4]針對這種情況提出了基于改進人工勢場法的水面無人艇路徑規劃，通過建立新的引力和斥力勢場函數來解決局部最小點問題.

當斥力大于引力時，將會產生水面無人艇不能到達目標位置，而是在目標點附近振蕩情況.通常的斥力勢場函數：

(1)

新的斥力勢場函數：

(2)

式中:ρo為障礙物的影響距離；ρ為水面無人艇與障礙物的最近距離；x-xgoal為水面無人艇與目標之間的相對距離；n為一個任意的大于零的實數；?為增益系數.改進算法的特點為：當無人艇向目標點前進時，斥力會大幅減小，保證整個勢場僅在xgoal點.

當水面無人艇進入局部最小點，可以給引力加個振蕩函數，以此來協助無人艇尋找下一個運動點.

通常的引力場函數：

(3)

新的引力場函數：

(4)

式中:F(X)為振蕩函數；k為引力增益系數；X-Xgoal為水面無人艇與目標之間的相對距離.改進算法的特點為：當水面無人艇進入局部最小點時，振蕩函數會隨機改變引力場的方向，相當于改變了終點的坐標，以這種振蕩行為來破壞平衡，以此協助水面無人艇走出局部最小點.

Soltan等[5-6]在對水面無人艇全局路徑規劃研究過程中，利用基于離散空間遺傳算法、基于勢場柵格法的人工勢場算法進行路徑規劃，并選取合適的參數縮短規劃時間和優化規劃路徑，提高了水面無人艇的安全航行效率.

饒森等[7]對水面無人艇的全局路徑規劃進行了系統的分析研究，研究了將遺傳算法和分層模型相結合的路徑規劃算法，解決了大尺度環境范圍內的全局路徑規劃問題.

莊佳園等[8]為解決水面無人艇全局路徑規劃問題，提出了一種基于電子海圖的距離尋優Dijkstra算法，該算法基于電子海圖進行環境建模，將電子海圖信息轉化為可識別模式進行環境讀取，運用改變網格精度方法在水域中選取有效網格，并通過仿真驗證了該方法的有效性.

文獻[9]提出了利用基于電子江圖的路徑遍歷算法進行內河水面無人艇路徑規劃研究.算法運用柵格法在內河水域中選擇可航水域，并利用Voronoi圖對動態物標建立航行路徑集，進行優化后選取可航路徑.

文獻[10]設計了一種基于航海雷達圖像處理的規劃方法，以處理水面無人艇的全局路徑規劃問題.利用邊緣保持去噪平滑算法和自適應閾值法對航海雷達的原始圖進行處理并建立了環境模型.采用距離尋優的Dijkstra算法搜索最佳路徑，將所提出的算法經海上和湖上實驗加以驗證.

莊佳園等[11]針對無人艇速度快及實時性要求高的特點，為滿足路徑規劃需要，在經典快速擴展隨機樹(RRT)算法的基礎上，設計一種基于改進RRT算法的路徑規劃方法，通過雷達獲取環境信息，引入抑制因子，限定轉角和距離啟發信息，改進生長點和探索點的選擇，提高了規劃速度.采取去除多余規劃航點和運用船舶回轉性能平滑規劃路徑方法，縮短航行距離，提高了路徑的可航性.

Kim等[12]結合Line-of-Sight(LOS)導航策略研究無人艇的全局路徑規劃問題(見圖1)，其主要功能為檢測在規劃的路徑上是否存在障礙物，如果無人艇與目標位置LOS角度收斂于某一角度ψlos，那么該角度被視為收斂目標位置.在無人艇航行過程中，使無人艇位置能夠收斂到期望路徑上，偏航角收斂到視線角內.

(5)

Kim研究了基于ARC-θ*(angular rate-constrained-θ*)路徑旋轉角速率限制法方法的路徑規劃，該規劃方法類似于A*算法，但主要區別在于選擇規劃點的不同.ARC-θ*中限制了LOS的收斂角度和能夠適應于無人艇轉彎能力的角速度大小，即

(6)

式中：r為角速度；v為航行速率；R為旋轉半徑.

該方法改善了其他算法沒有考慮船舶的性能的不足，實現路徑規劃的實時性，并且具有規劃路徑距離最短優點.

圖1　Line-of-Sight(LOS)模型圖

Campbell等[13]仍是基于LOS導航策略研究無人艇的路徑規劃問題.文中結合了無人艇控制方法，引入國際避碰規則作為限制因素研究水上無人艇避碰問題，國際海上避碰規則的融入主要是為降低由于人為錯誤造成的避碰事故.但是，運用LOS方法規劃路徑，容易在外界環境的擾動下提高軌跡跟蹤誤差，造成超調而無法精確到達下一指定點.

文獻[14]基于快速步進(FM)方法進行無人艇路徑規劃研究.FM方法公式為

(7)

式中：T(x)為無人艇到達目標點的時間；w(x)為無人艇在目標點處的移動速度.文章中選取環境地圖進行柵格化處理，建立環境模型，在沒有障礙物的網格中賦值1，有障礙物的網格中賦值0.建立以物標到達不同點時間為勢值的勢場，到達越遠的地方勢場值越高.當有障礙物存在的地方，到達目標點的時間為無窮大.

該方法區別于勢場法的地方為：FM的潛在領域有全局最小值，從而避免了局部最小值的問題出現.

在選取避碰路徑過程中，找到從起始點到達目標點的所有最佳路徑，選擇其中勢場值最低點的集合路徑，并且該路徑保證歐幾里德距離最短.

Casalino等[15]利用分層思想進行避碰，其主要避碰策略為：利用柵格法建立環境模型，并根據障礙物信息及相關約束條件建立全局路徑，根據障礙物實時動態，對路徑進行完善，實現避碰的實時有效性.在建立環境模型的過程中，首先將靜態障礙物膨化處理，采用A*算法獲取全局路徑，根據動態障礙物的運動趨勢修改完善規劃路徑，從而實現實時避碰.當運動障礙物的信息數據不能有效獲取時，采用最后一層規避方式，即反應式短期危險規避.

2水面無人艇局部避碰算法

目前，在解決水面無人艇局部避碰問題時眾多學者將智能算法應用到局部避碰過程中，有些方法考慮了無人艇的操縱運動特性和外界環境的干擾，在環境模型的建立過程中有利用航海助航儀器進行環境識別，并通過仿真驗證避碰的有效性.

Almeida等[16]利用航海儀器、傳感器等探測障礙物，根據障礙物距離進行危險等級劃分，加以避碰.在研究過程中，通過攝像機獲取外界環境信息，輸入“C&C”框架進行處理，實現無人艇局部避碰.

馬闖等[17]基于改進的VFH(vector field histogram)算法，實現了無人艇在三維空間內的實時避碰，在環境建模過程中利用雙層聲吶獲取障礙物的信息.Liao等[18-19]提出了綜合運用全局路徑規劃和局部避碰而建立的混合路徑，對無人艇進行避碰規劃，并取得了一定的成果.

文獻[20]提出了3種基于軌跡規劃的障礙物規避方法.方法一，以障礙物的邊緣為界限進行路徑規劃；方法二，考慮外界環境的影響，當外界環境影響了水面無人艇路徑規劃，將進行修正再規劃；方法三，將啟發式A*算法與局部邊界最優規劃相結合，利用博弈樹搜索方法獲得位置.在進行無人艇避碰過程中考慮海浪對船體的影響，并且當周圍存在多個障礙物時，避碰原則為碰撞危險度最低.

Aaron等[21]提出了基于標準和規則的水面無人艇避碰方法.該方法首先制定了一組候選避碰策略，根據時變環境水域特征等外界條件選擇不同的速度或轉向措施.制定出的多種避碰策略，要求其滿足相關的規則和標準，這里的規則是指根據目標的避碰優先權高低來確定避碰準則.

Glotzbach等[22]提出了一種應用于異構水面無人艇編隊避障的方法.文中所介紹的避碰方式有2種：(1) 保持原有隊形避碰，重新規劃路徑；(2) 重構隊形避碰，以“一”字隊形穿越障礙物群.

文獻[23-24]提出了基于速度障礙法的水面無人艇避碰方法.首先建立了速度空間坐標系，水面無人艇在航行過程中避免進入速度重疊空間即可安全通過.文章結合國際海上避碰規則(COLREGS)相關內容，判斷無人艇避障的方向.

文獻[25]研究基于速度障礙法并考慮風浪流影響下的無人艇操縱運動特性的自主避碰算法.首先建立了無人艇和障礙物速度坐標系，通過改變無人艇速度方向使無人艇和避障物的速度不發生重疊，以此避讓障礙物.該方法考慮了無人艇操縱運動特性，在避碰過程中均以無人艇作為主動避碰船舶去比讓他船，并且在轉向避讓的過程中以最小的轉向角作為一個限制條件.

盧艷爽[26]設計了一種基于速度調整法的局部避碰方法，通過調整水面無人艇在原有路徑上行駛的速度和方向來避開其他運動的物體.該速度避障法融合了海事避碰規則，同時考慮外界與內部的不確定性，對獲取的信息進行了不確定建模.

Benjamin等[27]利用多目標優化區間規劃方法解決無人艇的避碰問題.方法融入多目標最優化、間隔規劃、行為控制框架原理，在滿足相關的航行約束條件同時，實現多任務的同步.

Jacoby等[28-29]等建立障礙物預估區域，估計障礙物的將來位置，根據障礙物和水面無人艇的位置關系建立局部環境模型，并且以轉彎半徑和角速度作為限制條件進行可航路徑搜索.

文獻[30]利用了基于視覺探測方法，實現水面無人艇海面上多障礙物探測和定位，探測范圍為30～100 m距離內，并且通過卡爾曼濾波對障礙物下一步可能的運動軌跡進行估計，然后采取措施避碰.

唐平鵬等[31-32]根據水面無人艇運動學特征和基礎控制特性提出一種局部危險規避算法，采用分層策略將動態窗口分解為指向窗口和線速度窗口，使用切線法和弧線法分別從指向窗口和線速度窗口中求出規避角速度和線速度，并引入角速度緩沖模型以提升無人艇在航行避碰過程中的穩定型.以無人艇偏航角和速度為優化目標，以最小回轉半徑和障礙物動態為約束條件，將多目標問題轉化為單目標優化問題，通過快速搜索水面無人艇的動態窗口獲取無人艇規避策略.

杜開君等[33]針對水面無人艇對探測到的電子海圖上沒有標示的動態障礙物的規避問題，提出符合國際海上避碰規則公約的規避方法，將動態障礙物某一運動時刻轉換為相對無人艇瞬時靜止的狀態，對避障模型進行實時計算；并通過粒子群優化算法解算出無人艇進行避障所需的最優航速和航向改變量.

吉大海等[34]針對高速水面無人艇提出了一種基于行為的動態危險規避算法.首先對水面無人艇的運動性能進行分析，并獲得基本運動特性，采用碰撞錐理論對水面無人艇與障礙物之間的情況進行判定，將海事規則約束和碰撞約束轉換為水面無人艇基于行為的約束，通過求解基于偏航角度和速度的優化問題獲得水面無人艇最優規避行為.

莊肖波等[35]提出基于蟻群算法(ACA)實現高速無人艇對運動目標避碰的方法,該方法把避碰、路徑最短和航跡跟蹤等約束條件映射為目標函數,使得路徑搜索過程快速高效.

3結論

本文針對水面無人艇的避碰問題，從全局路徑規劃和局部避碰的角度，綜述了國內外主要的研究成果，總結如下.

1) 全局路徑規劃在研究水面無人艇全局路徑規劃的過程中，主要采取利用可視圖法、遺傳算法、模糊算法、勢場法、粒子群優化算法、Dijkstra算法和A*算法等規劃安全可航路徑，并且在一些規劃的約束條件中，融入了《國際海上避碰規則》相關條款.同時，在原有的智能算法的基礎上，進行改進優化，使得規劃時間縮短，規劃路徑更加可行.但是，目前提出的路徑規劃算法較多沒有將無人艇操縱運動特性以及外界風浪流的影響作為約束條件，往往規劃出的路徑較為理想，與水面無人艇實際航行軌跡有一定的差別.

2) 局部避碰多基于航海助航儀器進行水面無人艇航行環境信息提取，并且一些研究方法考慮了外界環境對無人艇航行過程中的操縱避讓的影響，利用速度障礙法、動態窗口法、蟻群算法等對動態船舶及靜態物標進行避讓.但是，局部避碰沒有全局路徑規劃的前提約束，往往容易造成避讓過大偏航后無法及時恢復原航線，不能沿最短最優路徑航行至目標點.

目前，有許多水面無人艇全局路徑規劃和局部避碰的方法，雖然有些方法做了較完整的證明，并通過仿真試驗驗證算法的可行性.但目前仍存在許多實際應用困難，并且方法還不夠成熟，因此很難在實際操作中得到應用.

根據目前研究的現狀以及未來的發展趨勢，在研究過程中，筆者建議對以下幾個方面開展深入探討.

1) 考慮水面無人艇操縱運動特性，結合《國際海上避碰規則》的水面無人艇全局路徑和局部避碰綜合研究.

在水面無人艇航行前規劃水域全局可航路徑，在航行過程中進行局部避碰，并且在水面無人艇避碰過程中，考慮水面無人艇操縱運動特性，以《國際海上避碰規則》作為避碰行為的約束條件之一.避碰結束后，水面無人艇能夠實現航跡恢復，確保水面無人艇不偏離規劃路徑繼續安全航行.

基于以上條件進行避碰仿真，能夠更有效、更真實的反映出在外界環境影響下的水面無人艇避碰效果，更符合水面無人艇實際航行避碰情況，同時對研究水面無人艇復雜水上環境中避碰問題更具有實際應用價值.

2) 結合水域復雜度研究水面無人艇避碰研究

水域復雜度[36]是水域環境復雜程度的指標，以本船與其他船舶相對距離、最小會遇距離(DCPA)和最小會遇時間(TCPA)等為主要參數，反應本船與他船及周圍環境危險程度.基于水域復雜度模型研究水面無人艇避碰技術，不僅能衡量多船之間的相互影響趨勢，同時能夠更好地為水面無人艇描述周圍的交通態勢，還能構建船舶之間危險區域，進而尋找到水面無人艇的避碰路徑.

參 考 文 獻

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Review and Expectation on Collision Avoidance Method of Unmanned Surface Vessel

WU Bo1,2)WEN Yuanqiao1,2)WU Bei3)ZHOU Siyang4)XIAO Changshi1,2)

(SchoolofNavigation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China1)(HubeiKeyLaboratoryofInlandShippingTechnology,Wuhan430063,China)2)(WuhanMaritimeSafetyAdministration,Wuhan430000,China)3)(WuhanSecondShipDesignandResearchInstitute,Wuhan430000,China)4)

Abstract：Because of small size, fast speed, good invisibility and high intelligence, the Unmanned Surface Vessel (USV) is widely used in the world. Along with the continuous improvement of its application value, the USV has increasingly become the focus of the domestic and foreign research. As one of the core technologies for the USV, collision avoidance technology is an important premise to ensure ship navigation safety and to perform normal tasks. In this paper, according to the collision avoidance problem of the USV, the main research achievements at home and abroad is expounded and some problems of USV collision avoidance methods are summarized from the view of USV global path planning and local collision avoidance. In addition, the future research directions are discussed.

Key words：unmanned surface vessel (USV); collision avoidance method; global path planning; local collision avoidance

收稿日期：2016-02-09

中圖法分類號：U675.5

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.013

吳博(1988- )：男，碩士，助理實驗師，主要研究領域為水面無人艇智能仿真避碰、船舶控制

*國家自然科學基金項目資助(51579204)