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改进速度障碍法的无人机局部路径规划算法

航空学报 2023年第11期44卷 266-276页

作者：郭华郭小和南昌航空大学飞行器工程学院南昌330000

针对无人机基于环境感知进行局部路径再规划的实时与安全性问题,提出了一种基于改进速度障碍法的局部路径避障规划算法。将传统速度障碍法拓展到三维空间中,建立三维空间速度障碍模型,将机动性动态障碍物在速度空间中的运动不确定转化... 详细信息

针对无人机基于环境感知进行局部路径再规划的实时与安全性问题,提出了一种基于改进速度障碍法的局部路径避障规划算法。将传统速度障碍法拓展到三维空间中,建立三维空间速度障碍模型,将机动性动态障碍物在速度空间中的运动不确定转化为位置不确定,实时性更好,提高了避障水平与安全裕度;通过定义和引入自适应威胁距离,提高了无人机在避障过程中对原航迹的利用率;利用空间几何分析,求解无人机空间自主避障的最优速度,实现局部路径动态实时规划。通过比较分析对遇、追击和交叉3种场景下的局部路径避障规划仿真结果,验证了该算法的实时性、可行性和有效性。

关键词：路径规划速度障碍法机动性障碍物自适应威胁距离自主避障最优速度

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改进速度障碍法的无人艇局部路径规划

系统工程与电子技术 2023年第12期45卷 3975-3983页

作者：赵贵祥王晨旭王贺平李云淼天津大学海洋科学与技术学院天津300110

针对传统速度障碍(velocity obstacles,VO)法进行局部路径规划时避碰路径长、避碰时间长以及忽略紧迫局面会遇中避让责任的约束等问题,提出一种适用于水面无人艇(unmanned surface vehicle,USV)的改进VO法。将四元船舶领域和碰撞威胁距... 详细信息

针对传统速度障碍(velocity obstacles,VO)法进行局部路径规划时避碰路径长、避碰时间长以及忽略紧迫局面会遇中避让责任的约束等问题,提出一种适用于水面无人艇(unmanned surface vehicle,USV)的改进VO法。将四元船舶领域和碰撞威胁距离引入VO避碰时机的计算中,确定了避碰阈值;将最晚施舵距离作为碰撞危险局面过渡到紧迫局面的临界值,构建了紧迫局面模型;设计了USV避碰模型,并通过国际海上避碰规则(International Regulations for Collision Avoidance at Sea,GOLREGs)进行约束。比较分析了对遇、右交叉、左交叉和追越4种会遇的避碰仿真。仿真结果表明:改进的VO法平均路径缩短39.88%、平均时间减少44.26%,改进后的局部规划能够在保证安全避碰的条件下满足GOLREGs第8条和第13~17条的避让要求。

关键词：局部路径规划速度障碍法国际海上避碰规则水面无人艇紧迫局面

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基于改进速度障碍法的内河船舶避碰决策研究

基于改进速度障碍法的内河船舶避碰决策研究

作者：张广宇吉林大学

学位级别：硕士

随着我国经济的不断增长,物流货运的不断繁荣以及南北贸易的逐渐深化,内河航运越来越成为无法取代的重要交通运输方式,对区域经济一体化及货物贸易自由化起着至关重要的作用。然而,在内河日益高强度、高密度的交通运输环境下,随之增长... 详细信息

随着我国经济的不断增长,物流货运的不断繁荣以及南北贸易的逐渐深化,内河航运越来越成为无法取代的重要交通运输方式,对区域经济一体化及货物贸易自由化起着至关重要的作用。然而,在内河日益高强度、高密度的交通运输环境下,随之增长的便是船舶的安全问题。长久以来,船舶碰撞便是影响船舶航行安全、造成事故发生的最严重因素,这一问题不只体现在宽阔海域,在水道狭长的内河环境更加显著。内河船舶的碰撞事故不仅使国家经济蒙受了巨大损失,也对船员及乘客的人身安全造成了直接威胁,严重限制了内河航运事业的发展。由于内河水域环境复杂,传统应用于宽阔海域的避碰算法难以满足现实需要,针对这一问题,本文提出了一种基于改进速度障碍法的内河船舶避碰决策模型,旨在辅助船舶在航行时既能满足内河避碰规则,又能在船舶操纵性限制的条件下实现独立的避碰操作;同时改进后的算法具有一定的可靠性、实时性、稳定性,保证在不同局面下都能得到有效的避碰指令。本文主要的研究内容如下:(1)概述了我国内河环境及内河船舶避碰的相关知识。结合内河避碰规则,分析了船舶在内河基本的避碰操作,阐述了船舶在内河航行时的避让原则,明确了船舶在不同会遇局面下的避碰责任。(2)构建了内河船舶数学模型。首先设计了随障碍物类型改变的动态船舶领域模型。然后分析了船舶在内河的受力,将传统应用于宽阔海域的船舶运动模型——MMG模型,改进为适应于内河环境的船舶操纵性运动数学模型。最后参考内河船舶的避碰需求升级了危险度评估模型。(3)对船舶在内河环境需要采取避碰行为的局面进行了分析,引入广泛应用于智能体的避碰算法——速度障碍法来提供相应的避碰决策。在此基础上,本文针对内河环境,对速度障碍法进行了一定的改进,设计了基于动态船舶领域的速度障碍法。速度障碍法的改进包括:第一,设立了静态障碍物的分类模型。第二,将偏心椭圆船舶领域引入动态障碍物的避碰中。第三,重新划分了速度障碍区并考虑了安全距离。第四,设立了速度缓冲区。这些改进方便应对不同避碰情形。最后,也考虑了潜在威胁来实现紧迫局面下的避碰。(4)利用MATLAB软件搭建了内河船舶避碰辅助决策实验环境,模拟了船舶在内河对静态障碍物(浅滩、暗礁等)、动态障碍物(对遇、追越以及交叉相遇局面)的避碰,同时检验了多船复杂会遇局面以及紧迫局面的避碰。通过分析仿真测试的结果,证实了改进速度障碍法用于解决内河船舶碰撞问题的可行性、有效性,可以为内河船舶提供合理的避碰决策。

关键词：内河船舶多船避碰速度障碍法 MMG模型

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基于速度障碍法的飞行冲突网络建模与分析

系统工程与电子技术 2021年第8期43卷 2163-2173页

作者：毕可心吴明功张文斌温祥西杜坎空军工程大学空管领航学院陕西西安710051 国家空管防相撞技术重点实验室陕西西安710051 中国人民解放军31435部队辽宁沈阳110015 中国人民解放军32211部队陕西榆林719006

由于依据航空器相对位置关系构建的复杂网络模型未考虑速度、航向等信息,对航空器之间的冲突和空中交通的复杂情况反映能力有限。为解决这一问题,使用速度障碍模型优化飞行状态网络中航空器节点之间的连边和权重,在考虑航空器位置临近... 详细信息

由于依据航空器相对位置关系构建的复杂网络模型未考虑速度、航向等信息,对航空器之间的冲突和空中交通的复杂情况反映能力有限。为解决这一问题,使用速度障碍模型优化飞行状态网络中航空器节点之间的连边和权重,在考虑航空器位置临近的同时,关注航空器的航向与速度状态,使网络能够反映出更多空域系统的内禀属性。通过程序仿真和长水机场雷达数据进行验证,结果表明,该模型相较于飞行状态网络能够更加准确地反映航空器之间的冲突关系和空域的复杂信息,减少飞行冲突的虚警数量,提升网络的信息价值。

关键词：速度障碍法飞行冲突复杂网络空中交通管制管制员

基于改进的速度障碍法的有人/无人机协同系统三维实时避障方法

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西北工业大学学报 2020年第2期38卷 309-318页

作者：李樾韩维陈清阳张勇海军航空大学航空基础学院山东烟台264001 国防科技大学空天科学学院湖南长沙410073

为适应当前智能体自主化水平,同时发挥多智能体在空战中的优势,有人/无人机协同系统的作战形式逐渐成为研究热点。针对协同系统在三维空间内的实时避障问题,首先,在传统速度障碍法的基础上,建立三维机动障碍的模型;其次通过设定系统遇... 详细信息

为适应当前智能体自主化水平,同时发挥多智能体在空战中的优势,有人/无人机协同系统的作战形式逐渐成为研究热点。针对协同系统在三维空间内的实时避障问题,首先,在传统速度障碍法的基础上,建立三维机动障碍的模型;其次通过设定系统遇障时的通行法则,选择飞行模式,进而确定最佳的避障平面及航迹;最后,通过3组仿真分别校验避障平面的差异性、单机躲避机动性障碍的可行性以及协同系统整体避障的有效性。仿真结果表明,该方法能安全快速地实现有人/无人机协同系统对三维机动障碍的躲避。

关键词：有人/无人机速度障碍法三维空间避障平面实时避障

基于速度障碍法的多UAV可飞行航迹优化生成

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系统工程与电子技术 2015年第2期37卷 323-330页

作者：张毅杨秀霞周硙硙海军航空工程学院控制工程系山东烟台264001

研究无人飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV)在线可飞行航迹的自主规划对UAV适应非结构化环境、提高机动作战能力具有重要的现实意义。提出了一种基于Pythagorean Hodograph(PH)曲线的UAV在线航迹生成算法,可以根据UAV当前的飞行状态... 详细信息

研究无人飞行器(unmanned aerial vehicle,UAV)在线可飞行航迹的自主规划对UAV适应非结构化环境、提高机动作战能力具有重要的现实意义。提出了一种基于Pythagorean Hodograph(PH)曲线的UAV在线航迹生成算法,可以根据UAV当前的飞行状态、目标点信息及传感器探测信息实时规划出曲率连续的可避碰飞行航迹。考虑系统动态性能约束,采用分布估计算法对航迹参数进行优化选取,提出基于区间选优的全局精英个体概率选择机制,提高了航迹生成的速度及精度。根据速度障碍法原理,结合PH曲线的特点,给出了高动态环境下多UAV的实时动态避碰规划算法,该算法能使轨迹快速趋近于目标。对一组UAV的航迹规划在不同环境下进行了仿真实验,仿真结果证明了算法的有效性和实用性。

关键词：多无人飞行器 PH曲线航迹规划分布估计算法速度障碍法

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结合速度障碍法的无人艇编队控制策略研究

数字海洋与水下攻防 2022年第3期5卷 202-208页

作者：徐杨邵兴中国船舶集团有限公司第七一〇研究所清江创新中心

在实际的工程运用中，领航者–跟随者算法无法解决无人艇在编队形成过程中的相互碰撞问题，往往需要提前确定编队初始状态，避免编队无人艇之间的相互碰撞。针对该缺陷，将速度障碍法引入领航者–跟随者算法，并将威胁评价引入速度障碍... 详细信息

在实际的工程运用中，领航者–跟随者算法无法解决无人艇在编队形成过程中的相互碰撞问题，往往需要提前确定编队初始状态，避免编队无人艇之间的相互碰撞。针对该缺陷，将速度障碍法引入领航者–跟随者算法，并将威胁评价引入速度障碍法中，以解决无人艇在编队过程中的相互碰撞问题。建立了无人艇的运动仿真平台，并对提出的无人艇编队控制策略进行了仿真试验。试验表明：该算法提高了编队控制的稳定性，降低了编队形成过程中的碰撞风险。

关键词：水面无人艇编队控制领航者–跟随者算法速度障碍法

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基于动态视觉传感器的无人机目标检测与避障

北京航空航天大学学报 2024年第1期50卷 144-153页

作者：蔡志浩陈文军赵江王英勋北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院北京100191

针对无人机在动态环境中感知动态目标与躲避高速动态障碍物,提出了基于动态视觉传感器的目标检测与避障算法。设计了滤波方法和运动补偿算法,滤除事件流中背景噪声、热点噪声及由相机自身运动产生的冗余事件;设计了一种融合事件图像和RG... 详细信息

针对无人机在动态环境中感知动态目标与躲避高速动态障碍物,提出了基于动态视觉传感器的目标检测与避障算法。设计了滤波方法和运动补偿算法,滤除事件流中背景噪声、热点噪声及由相机自身运动产生的冗余事件;设计了一种融合事件图像和RGB图像的动态目标融合检测算法,保证检测的可靠性。根据检测结果对目标运动轨迹进行估计,结合障碍物运动特点和无人机动力学约束改进速度障碍法躲避动态障碍物。大量仿真试验、手持试验及飞行试验验证了所提算法的可行性。

关键词：事件相机事件滤波运动补偿融合检测速度障碍法

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基于速度障碍法和势场法的无人船避碰研究

基于速度障碍法和势场法的无人船避碰研究

作者：黄登骏大连海事大学

学位级别：硕士

随着人工智能技术的快速发展,无人驾驶船舶的研究已经成为了航运界关注的焦点。为了有效解决作为无人驾驶船舶技术研究重点问题之一的船舶自动避碰问题,研究人员已经开展了细致的研究并且成果颇丰,但是还有一些问题未能得到充分地解决... 详细信息

随着人工智能技术的快速发展,无人驾驶船舶的研究已经成为了航运界关注的焦点。为了有效解决作为无人驾驶船舶技术研究重点问题之一的船舶自动避碰问题,研究人员已经开展了细致的研究并且成果颇丰,但是还有一些问题未能得到充分地解决。本文针对当前船舶自动避碰研究中存在的船舶领域模型未能充分考虑他船操纵性、未将局面辨识方法和路径规划算法结合、船舶采取转向避碰行动时转向幅度大、规划出的路径背离《国际海上避碰规则》且不利于船舶操纵等问题展开了研究,完成的重点研究工作如下:针对传统的船舶领域模型未充分考虑他船操纵性的缺陷,将协同论船舶领域模型引入到碰撞危险的评估中。把协同论船舶领域半径R、DCPA和TCPA作为确定空间和时间碰撞危险度因子函数的参数,建立船舶碰撞危险度集并使用偏态分布方程建立其隶属度函数,通过设定碰撞危险度的临界阈值作为评判是否需要采取避碰行动的指标,再将空间和时间碰撞危险度合成来表示船舶间的时空临近性。该方法在度量船间的碰撞危险方面具有简单实用、准确性强等特点。针对使用人工势场法规划船舶路径研究中存在单次转向角度大的问题,提出基于速度障碍法的允许航向范围(ACR)、航向障碍区域(COR)、安全航向区(SCR)以及最小可行航向角(?)等船舶转向角度限制因素,在满足避碰安全性的同时,有效地减少单次转向幅度。针对传统的人工势场法易陷入局部最小值、不能很好的满足航海实际应用等缺陷,改进了算法中的斥力函数并将船舶会遇辨识方法引入其中。改进的方法可以有效地避免陷入局部最小值,而且结合局面辨识的结果可以自动生成左转或右转的合理路径。针对目前使用人工势场法结合DCPA和TCPA等碰撞危险评估指标规划船舶路径研究中普遍存在的一小段步数内航向小幅度振动问题,分析其原因并提出了基于数值分析法的预设时间步数概念,将其引入到算法中可以有效地避免了生成路径存在航向振动的问题。改进的方法在符合《国际海上避碰规则》的同时也会减小实际操船难度。此外,本文还考虑了他船采取不协调避让行为时,为避免紧迫局面本船应采取的应急避碰措施。最后,通过对两船间三种会遇态势下算法改进前后的仿真效果进行对比分析以及对包含应急避碰行动的多船会遇局面下的仿真分析,证明了改进算法的有效性。

关键词：无人船自动避碰船舶领域人工势场法速度障碍法