一种利用双螺旋桨驱动的无人艇港口靠泊方法

本发明涉及水面无人艇自主靠泊领域，是一种考虑欠驱动无人艇靠泊的路径规划方法。

背景技术：

1、水面无人艇(unmanned surface vehicle，usv)根据其自主性可分为遥控、半自主和自主三种，按照预设任务规划路径航行，具有机动灵活、隐蔽性好和成本低等特点。因为其在安全、效率、回报率等方面较好的表现，水面无人艇被广泛应用于水域自动化作业领域。近年来无人艇在海事监管、水质检测、巡检巡护、地形勘测、搜寻救助等领域的应用比重逐年增加。无人艇欠驱动的特点使其受环境影响巨大，由于水面工作环境复杂多变且往往伴随风浪流的扰动，因此对执行任务过程中的安全性指标要求十分严格。

2、无人艇的驱动方式多种多样，常见的有单桨单舵、双桨、多桨多舵、泵喷等驱动方式，不同的驱动方式有不同的特点，同时也有不同的控制方法。而双桨相较于单桨单舵的推进控制方式，具有更高的推进冗余度，但其控制难度也更大，由于其不存在水平方向的推力驱动，双螺旋桨驱动的无人艇只能通过两边螺旋桨的差速推动控制无人艇的运动，并且由于双桨无人艇滞后性强，响应速度慢，仅根据无人艇的航向进行控制难以达到理想的控制效果。

3、因此，需要设计一种特殊的靠泊方法，弥补双螺旋桨无人艇的滞后性，满足该类无人艇靠泊需求的安全性。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术存在的问题，本申请提出一种利用双螺旋桨驱动的无人艇港口靠泊方法，包括以下步骤：

2、s1：环境建模，采用代价地图法对无人艇工作环境进行建模；

3、s2：全局规划，在代价地图上获取无人艇对应的初始位置和目标泊位，利用a*算法得到一条前往目标泊位最短的规划路径，并对路径点做平滑处理；

4、s3：动态避障：在无人艇跟踪初始路径过程中检测到障碍物时，利用动态窗口法结合避障策略，重新规划局部避障路径；

5、s4：泊位前镇定，完成靠泊：无人艇接近目标泊位前，降低航行速度，在距离目标点位一定距离处的泊外镇定点提前镇定，提前调整无人艇艏向后完成靠泊。

6、进一步地，步骤s1中，将港口环境划分为可行区域和障碍物区域，通过slam配置多个图层：静态地图层static map layer，障碍物层obstacle map layer以及膨胀层inflation layer，来组成完整的港口环境地图。

7、进一步地，步骤s2中，在全局路径规划的同时，引入路径平滑处理，利用douglas-peucker算法去除没有明显变化的冗余点，优化路径，其中douglas-peucker算法步骤可以概括为：

8、s2.1：选择起始点a和终点b；

9、s2.2：计算所有中间点到直线ab的最大距离dmax；

10、s2.3：如果dmax小于预设的阈值ε，则保留端点a、b，舍弃其他点，否则保留点p，并对线段ap和pb，分别递归执行步骤s2.1和s2.2；

11、s2.4：返回最终保留的点集。

12、进一步地，在无人艇跟踪初始路径过程中检测到障碍物时，步骤s3所述的利用动态窗口法进行避开障碍物的局部路径规划，包括如下步骤：

13、s3.1：初始化无人艇初始位置、无人艇当前的速度ν和角速度ω；

14、s3.2：生成若干速度和加速度组合[v，ω]，预测无人艇在短时间内的轨迹；

15、s3.3：评估每条轨迹是否与障碍物发生碰撞，根据预测轨迹的评估结果，计算每个轨迹的评估指标；

16、s3.4：根据评估指标，选择最佳的航行轨迹，重复执行步骤s3.1-s3.2，直到到达目标点。

17、进一步地，步骤s3.3中，所述每个轨迹评估指标通过如下的评价函数计算：

18、g(v，ω)＝a1·heading(v，ω)+a2·dist(v，ω)+a3·velocity(v，ω)

19、式中，g(v，ω)表示计算轨迹评估指标的评价函数；heading(v，ω)表示机器人目标方向与方向的偏差；dist(v，ω)表示与预测轨迹相交并且距离当前机器人位置最近的障碍物的距离；velocity(v，ω)表示无人艇处于预测轨迹最后时的速度，a1、a2和a3分别表示各评价子函数的系数。

20、进一步地，避障策略为：

21、s3.5：当有垂直方向动态障碍接近无人艇时，继续执行当前算法，提前避开障碍物；

22、s3.6：当有水平方向动态障碍物接近无人艇时，停止运动，待其通过后，且认定无人艇与动态障碍物属于安全距离，从障碍物驶离的反方向前进，绕开障碍物，结合动态窗口法重新规划局部路径。所述地评价函数修改为：

23、g(v，ω)＝a1·|heading(v，ω)|+a2·dist(v，ω)+a3·velocity(v，ω)

24、式中，当方位角评价函数heading(v，ω)输出值等于无人艇当前朝向与障碍物连线的相反方向时，意味着无人艇应该朝着远离障碍物的方向移动，即从障碍物运动的反方向运动，方向角视为正值；当方位角评价函数heading(v，ω)输出值等于无人艇当前朝向，与绕过障碍物的理想路径方向一致时，表明无人艇应继续沿当前朝向或微调朝向以便与障碍物运动同向或更有效的绕过障碍物，此时方向角视为负值。结合避障策略后调整方向角评价函数为|heading(v，ω)|，使得在水平方向有障碍物运动时，无人艇只能停止接着从障碍物驶离的反方向前进，绕开障碍物。

25、进一步地，步骤s4所述具体为：

26、s4.1：无人艇在到达目标泊位前提前镇定，根据目标点位在代价地图中标定的位置，设定提前镇定点位(x0，y0)，无人艇先到达镇定点提前镇定，并结合无人艇靠泊所需最终艏向θ，调整当前艏向角θ1，与所需最终艏向角θ一致后，无人艇平直驶入目标泊位，完成靠泊工作；

27、s4.2：镇定点的设定方式具体为：判断选取目标泊位(x1，y1)属于哪一泊位点区域集合(x，y)，规定每一泊位区域点的泊外镇定点为(x0，y0)，其中泊外镇定点与泊位点区域集合中心点(x2，y2)平行，当无人艇到码头附近后结束路径规划跟踪，前往泊外镇定点提前镇定，并调整无人艇艏向角θ1等于最终艏向角θ，使船头朝向于泊位点区域中心点(x2，y2)，无人艇平直驶入泊位，在泊位点区域中心点(x2，y2)完成靠泊。

28、本发明提出的水面无人艇的路径规划方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

29、本发明在环境建模、动态避障和双螺旋桨驱动的无人艇靠泊方法等方面进行了改进，使得路径规划更加高效准确，并且能够处理复杂多障碍的环境，达到更好的规划效果，本发明还能够有效利用双桨无人艇通过差速控制原地调整艏向的优势，解决该类无人艇靠泊安全性和滞后性等问题。

技术特征：

1.一种利用双螺旋桨驱动的无人艇港口靠泊方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用双螺旋桨驱动的无人艇港口靠泊方法，其特征在于所述s1步骤中的港口代价地图构建方法为，将港口环境划分为可行区域和障碍物区域，通过slam配置多个图层：静态地图层，障碍物层以及膨胀层，来组成完整的港口环境地图。

3.根据权利要求1所述的利用双螺旋桨驱动的无人艇港口靠泊方法，其特征在于所述步骤s3中根据动态障碍物当前位置采取的避障策略为：

4.根据权利要求1所述的利用双螺旋桨驱动的无人艇港口靠泊方法，其特征在于所述步骤s4的泊外镇定的的方法为，无人艇在到达目标泊位前提前镇定，根据目标点位在代价地图中标定的位置，设定提前镇定点位，到达镇定点提前镇定，结合无人艇靠泊所需最终艏向，调整艏向角，与所需最终艏向角一致后无人艇平直驶入目标泊位，完成靠泊工作。

技术总结本发明提出了一种利用双螺旋桨驱动的无人艇港口靠泊方法，包括以下步骤：(1)环境建图，采用代价地图法建立靠泊环境地图；(2)全局路径规划，采用A*算法生成全局靠泊规划路径，并对路径做平滑处理；(3)局部动态避障，在跟踪路径过程中，对于动态障碍物采用动态窗口法结合避障策略重新规划路径，安全驶入靠泊区域；(4)提前镇定，待无人艇提前镇定后调整艏向角完成靠泊作业。本发明在环境建模、动态避障和双螺旋桨驱动的无人艇靠泊方法等方面进行了改进,使得路径规划更加高效准确,并且能够处理复杂多障碍的环境,达到更好的规划效果，有效利用双桨无人艇通过差送控制原地调整艏向的优势，解决该类无人艇靠泊安全性和滞后性等问题。技术研发人员：范佳佳,李宇潇,马腾,李东洁,马俊达,张亦帅受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学技术研发日：技术公布日：2024/7/4