受限水域无人艇等效障碍星规避法：动态静态障碍统一投影与COLREGS兼容策略

《Ocean Engineering》：Equivalent obstacle star method for collision avoidance of unmanned surface vehicles in restricted waters

本文提出了一种创新的等效障碍星（EO）方法，解决了无人水面艇（USV）在受限水域（如近岸、航道、群岛）中面临的多船动态避碰（CA）难题。该方法通过一致偏移速度方向（COVD）算法，将动态船舶与静态障碍物统一投影至一维空间，显著降低了计算复杂度。研究结合《国际海上避碰规则》（COLREGS）第9条（狭水道条款）与第13-17条（船舶间避让规则），设计了自适应场景的避碰策略。高保真仿真验证表明，EO方法能使USV在拥挤水域中安全规避多船，并保持预设安全距离，对提升受限水域自主航行安全性具有重要价值。

　　

Section snippets

Collision Risk assessment

假设无人艇（USV）探测到的障碍物数量为n，其中n为非负整数。O_i表示第i个被探测到的障碍物，其中i = 1, 2, …, n。USV探测到的船舶数量为m，其中m为非负整数，且m ≤ n。当i ≤ m时，O_i表示探测到的船舶；当i > m时，O_i表示探测到的岛屿。对于这些障碍物，那些与USV有碰撞危险的被标记为激活状态，其余则标记为未激活状态。为了设计一套CA方案...

Procedure for collision avoidance

本节详细介绍了所提出的CA方法。为了便于USV针对遭遇船舶执行符合COLREGS的避碰操作，我们将遭遇船舶和岛屿分开考虑。首先，根据周围岛屿信息重新设计期望速度。然后，使用一致偏移速度方向（COVD）和提出的EO*方法确定可选的CA速度集合。最后，根据提出的CA策略选择最合适的CA速度。

Motion control for USV

为便于控制器设计，我们将USV简化为一个包含进退、横移和偏航运动的三自由度操纵模型。该简化模型基于USV左右对称且其本体坐标系原点位于重心的假设。

运动学模型：

{

? = u cos ψ - v sin ψ

? = u sin ψ + v cos ψ

ψ? = r

}

动力学模型：

{

u? = (m₂₂/m₁₁) v r - (d₁₁/m₁₁) u + (1/m₁₁)(τ_u+ τ_ωu)

v? = - (m₁₁/m₂₂) u r - (d₂₂/m₂₂) v + (1/m₂₂) τ_ωv

r? = ((m₁₁- m₂₂)/m₃₃) u v - (d₃₃/m₃₃) r + (1/m₃₃)(τ_r+ τ_ωr)

}

在地理坐标系中...

Simulation

本节通过物理仿真验证了所提出CA方法的有效性，仿真场景包括三种受限水域：近岸水域、航道和群岛。所提出的算法在一个现有的仿真器中实现，如图13所示。图14展示了三种受限水域的仿真场景。该仿真器由中国上海大学无人艇工程研究院基于Unity 3D开发。在仿真器中，USV和障碍物的...

Conclusion

本研究解决了USV在受限水域中与多船同时进行CA的问题。在所提出的CA方法中，遭遇船舶和岛屿被分开考虑，便于USV针对遭遇船舶执行符合COLREGS的避碰操作。USV的机动范围首先受到周围岛屿的限制。然后，使用提出的EO*方法将遭遇船舶等效为一个或两个整体单元，便于USV同时...