欠驱动海洋船舶的动态多障碍物反应式避碰控制研究

《IEEE Transactions on Control Systems Technology》：Reactive Multiobstacle Avoidance for Underactuated Marine Vehicles

本文针对动态海洋环境中欠驱动船舶的避碰问题，提出了一种基于冲突消解原理的反应式算法。该研究结合控制屏障函数（CBF）框架，通过速度与航向的协同调整生成避碰机动动作，并建立了闭环系统的显式安全保证。仿真与实验验证了该方法在复杂多障碍场景下的有效性，为受限计算资源的海洋平台提供了可行的安全控制方案。

　　

在海洋自主作业领域，船舶的碰撞避免（COLAV）是确保航行安全的核心技术。随着无人船（ASV）和自主水下航行器（AUV）的广泛应用，海洋环境的不确定性和动态特性给传统避碰算法带来严峻挑战。规划类算法通常假设障碍物保持恒定速度和航向，但在近距离遭遇机动障碍物时，这种假设往往失效，可能导致碰撞。此外，欠驱动船舶（即缺乏横向推进能力的船舶）在低速时会丧失机动性，且受海浪、洋流等环境影响，完全停船并非理想选择。因此，亟需一种能够快速适应环境变化、兼顾安全性与操纵性的实时避碰策略。

挪威科技大学的研究团队在《IEEE Transactions on Control Systems Technology》上发表论文，提出了一种基于反应式避碰原理的新方法。该方法利用速度障碍（VO）概念识别冲突状态，并通过控制屏障函数（CBF）框架生成最优避碰动作。研究首次将速度操纵与航向调整相结合，突破了传统方法对船舶速度必须高于障碍物的限制，显著提升了避碰灵活性。

研究采用的关键技术包括：1）建立欠驱动船舶的水平面运动模型，包含纵荡、横荡和首摇动力学；2）设计基于航向角和速度的低级跟踪控制器；3）构建冲突检测机制，通过相对运动几何关系判定碰撞风险；4）将避碰约束转化为CBF框架下的线性不等式，通过二次规划求解最小修正量的控制指令；5）提出多障碍物协同避碰逻辑，确保机动动作的一致性。

船舶动力学建模与控制设计

研究基于船舶的操纵性模型，采用包含附加质量效应的惯性矩阵、科里奥利力矩阵和线性阻尼矩阵。通过坐标变换将操舵点设置在特定位置，使控制输入表现为纵荡推力τ_u和首摇力矩τ_r。针对欠驱动特性，设计了航向角ψ_χⁿ和速度u_b的反馈控制器，其中航向控制通过精确线性化实现对期望航向率r_χ^d的指数跟踪。

冲突检测与避碰约束构建

基于速度障碍原理，当相对速度矢量指向障碍物保护区域时判定为冲突。通过定义角度δ_i^±量化船舶航向与冲突边界的距离，构建安全速度配置集S_ui和安全航向集S_χi。采用扩展类K函数α₁, α₂保证约束的渐进满足性。

多障碍物协同避碰策略

提出障碍物聚类方法，当多个障碍物的不安全方向区间重叠时，统一选择避碰方向。通过优化问题求解最优控制输入u^d=[a_b^d, r_χ^d]^T，在满足安全约束的前提下最小化对名义控制的修正。

理论安全性分析

通过李雅普诺夫方法证明，当船舶初始状态满足速度条件u_{b^max ≥ uoi^max + μmin i且避碰距离ddcon i足够大时，系统可保证冲突消解。特别地，针对单障碍物场景推导出显式安全边界条件，包括最大航向率rχ^max和加速度ab^max的定量关系。}

仿真验证与实验评估

在LAUV（轻型自主水下航行器）模型上进行多障碍物场景测试，设置3-4个动态障碍物以不同速度和轨迹交叉航行。结果表明：1）船舶能通过速度调整（0.4-1.5 m/s）和航向变化（最大40°/s）成功规避障碍；2）在密集障碍群中，避碰逻辑有效协调机动动作，避免死锁；3）控制输入始终保持在可行范围内，与名义控制偏差最小。

海试验证与实船测试

在特隆赫姆峡湾开展实船实验，弗里德乔夫号LAUV在波浪干扰下执行避碰任务。尽管存在航向跟踪波动，船舶仍能保持安全距离：在单障碍遭遇中通过加速左转避碰；双障碍交叉场景中先后采用减速让行和加速穿越策略。实验证实算法在真实海洋环境中的鲁棒性。

该研究通过理论推导、仿真和实船实验三重验证，建立了欠驱动船舶在动态环境中的安全避碰框架。其创新点在于：1）将VO原理与CBF框架结合，实现约束条件下的最优避碰；2）突破速度限制，充分利用船舶操纵包线；3）提供显式安全保证。该方法适用于计算资源受限的海洋平台，为自主航行系统的安全认证奠定基础。未来研究方向包括引入合作避碰规则、拓展三维避碰能力等。