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      遵守國(guó)際海上避碰規(guī)則的無(wú)人船自主避障方法綜述

      2019-09-28 07:55:36王建華鄭翔馬偉剛魏鵬
      無(wú)人機(jī) 2019年8期
      關(guān)鍵詞:會(huì)遇航點(diǎn)局面

      王建華 ,鄭翔 ,馬偉剛 ,魏鵬

      1. 上海海事大學(xué),上海市 浦東新區(qū) 201306

      2. 上海臨港海洋高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司,上海市 浦東新區(qū) 201306

      隨著無(wú)人船行業(yè)發(fā)展應(yīng)用,出現(xiàn)了無(wú)人船和人工駕駛船舶混合航行的新情況,無(wú)人船遵守國(guó)際海上避碰規(guī)則的問(wèn)題逐漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)際海事組織于1972年制定了國(guó)際海上避碰規(guī)則公約(COLREGS-International Regulations for Preventing Collision At Sea,1972),雖然目前的法律條文對(duì)無(wú)人船在自主避障時(shí)是否應(yīng)該遵守該規(guī)則沒(méi)有明確的規(guī)定,但國(guó)際上一些領(lǐng)先的無(wú)人船研究機(jī)構(gòu)已對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究,本文介紹目前文獻(xiàn)中的一些典型方法。

      國(guó)際海上避碰規(guī)則主要條文

      在無(wú)人船自主避障的研究文獻(xiàn)中,涉及的國(guó)際海上避碰規(guī)則主要包括如下幾條:

      第七條 碰撞危險(xiǎn)

      (1)每一船都應(yīng)使用適合當(dāng)時(shí)環(huán)境和情況的一切可用手段判斷是否存在碰撞危險(xiǎn),如有任何懷疑,則應(yīng)認(rèn)為存在這種危險(xiǎn)。(2)在判斷是否存在碰撞危險(xiǎn)時(shí),考慮的因素中應(yīng)包括下列各點(diǎn):1)如果來(lái)船的羅經(jīng)方位沒(méi)有明顯的變化,則應(yīng)認(rèn)為存在這種危險(xiǎn);2)即使有明顯的方位變化,有時(shí)也可能存在這種危險(xiǎn),特別是在駛近一艘很大的船或拖帶船組時(shí),或是在近距離駛近他船時(shí)。

      第八條 避免碰撞的行動(dòng)

      (1)為避免碰撞所采取的任何行動(dòng)必須遵循本章各條規(guī)定,如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可,應(yīng)是積極的,應(yīng)及早地進(jìn)行和充分注意運(yùn)用良好的船藝。(2)為避免碰撞而作的航向和(或)航速的任何改變,如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可,應(yīng)大得足以使他船用視覺(jué)或雷達(dá)觀測(cè)時(shí)容易察覺(jué)到;應(yīng)避免對(duì)航向和(或)航速作一連串的小改變。(3)如有足夠的水域,則單用轉(zhuǎn)向可能是避免緊迫局面的最有效行動(dòng),只要這種行動(dòng)是及時(shí)的、大幅度的并且不致造成另一緊迫局面。(4)為避免與他船碰撞而采取的行動(dòng),應(yīng)能導(dǎo)致在安全的距離駛過(guò)。應(yīng)細(xì)心查核避讓行動(dòng)的有效性,直到最后駛過(guò)讓清他船為止。(5)如需為避免碰撞或須留有更多時(shí)間來(lái)估計(jì)局面,船舶應(yīng)當(dāng)減速或者停止或倒轉(zhuǎn)推進(jìn)器把船停住。(6)(a)根據(jù)本規(guī)則任何規(guī)定,要求不得妨礙另一船通行或安全通行的船舶應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)環(huán)境的需要及早地采取行動(dòng)以留出足夠的水域供他船安全通行。(b)如果在接近他船致有碰撞危險(xiǎn)時(shí),被要求不得妨礙另一船通行或安全通行的船舶并不解除這一責(zé)任,且當(dāng)采取行動(dòng)時(shí),應(yīng)充分考慮到本章各條可能要求的行動(dòng)。(c)當(dāng)兩船相互接近致碰撞危險(xiǎn)時(shí),其通行不得被妨礙的船舶仍有完全遵守本章各條規(guī)定的責(zé)任。

      第十三條 追越局面

      (1)任何船舶在追越任何他船時(shí),均應(yīng)給被追越船讓路。(2)一船正從他船正橫后大于 22.5°的某一方向趕上他船時(shí),即該船對(duì)其所追越的船所處位置,在夜間只能看見(jiàn)被追越船的尾燈而不能看見(jiàn)它的任一舷燈時(shí),應(yīng)認(rèn)為是在追越中。(3)當(dāng)一船對(duì)其是否在追越他船有任何懷疑時(shí),該船應(yīng)假定是在追越,并應(yīng)采取相應(yīng)行動(dòng)。(4)隨后兩船間方位的任何改變,都不應(yīng)把追越船作為本規(guī)則條款含義中所指的交叉相遇船,或者免除其讓開(kāi)被追越船的責(zé)任,直到最后駛過(guò)讓清為止。

      第十四條 對(duì)遇局面

      (1)當(dāng)兩艘機(jī)動(dòng)船在相反的或接近相反的航向上相遇致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)時(shí),各應(yīng)向右轉(zhuǎn)向,從而各從他船的左舷駛過(guò)。(2)當(dāng)一船看見(jiàn)他船在正前方或接近正前方,在夜間能看見(jiàn)他船的前后桅燈成一直線或接近一直線和(或)兩盞舷燈;在白天能看到他船的上述相應(yīng)形態(tài)時(shí),則應(yīng)認(rèn)為存在這樣的局面。(3)當(dāng)一船對(duì)是否存在這樣局面有任何懷疑時(shí),該船應(yīng)假定確實(shí)存在這種局面,并應(yīng)采取相應(yīng)的行動(dòng)。

      第十五條 交叉相遇局面

      當(dāng)兩艘機(jī)動(dòng)船交叉相遇致有構(gòu)成碰撞危險(xiǎn)時(shí),有他船在本船右舷的船舶應(yīng)給他船讓路,如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可,還應(yīng)避免橫越他船的前方。

      第十六條 讓路船的行動(dòng)

      須給他船讓路的船舶,應(yīng)盡可能及早地采取大幅度的行動(dòng),寬裕地讓清他船。

      第十七條 直航船的行動(dòng)

      (1)(a)兩船中的一船應(yīng)給另一船讓路時(shí),另一船應(yīng)保持航向和航速。(b)然而,當(dāng)保持航向和航速的船一經(jīng)發(fā)覺(jué)規(guī)定的讓路船顯然沒(méi)有遵照本規(guī)則條款采取適當(dāng)行動(dòng)時(shí),該船即可獨(dú)自采取操縱行動(dòng),以避免碰撞。(2)當(dāng)規(guī)定保持航向和航速的船,發(fā)覺(jué)本船不論由于何種原因逼近到單憑讓路船的行動(dòng)不能避免碰撞時(shí),也應(yīng)采取最有助于避碰的行動(dòng)。(3)在交叉相遇局面下,機(jī)動(dòng)船按照本條 1 款第二項(xiàng)采取行動(dòng)以避免與另一艘機(jī)動(dòng)船碰撞時(shí),如當(dāng)時(shí)環(huán)境許可,不應(yīng)對(duì)在本船左舷的船采取向左轉(zhuǎn)向。(4)本條并不解除讓路船的讓路義務(wù)。

      相關(guān)概念與問(wèn)題描述

      (1)速度障礙

      速度障礙法(VO - Velocity Obstacles)最早于1993年的機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議(ICRA 93)上由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Paolo Fiorini等學(xué)者提出,后經(jīng)不斷改進(jìn),目前已成為無(wú)人系統(tǒng)避障方法的一個(gè)主要技術(shù)分支,其基本思想包括碰撞錐和避讓速度。

      1) 碰撞錐與速度障礙

      碰撞錐是速度障礙法的基礎(chǔ),可由圖1來(lái)說(shuō)明。假設(shè)t0時(shí)刻無(wú)人船中心位于A點(diǎn),速度為VA;障礙物中心位于B1點(diǎn),速度為VB1;無(wú)人船和障礙物的大小都簡(jiǎn)化為不同半徑的圓盤(pán),如圖1(a)所示。為便于計(jì)算,將無(wú)人船收縮到中心點(diǎn),將無(wú)人船的半徑加到障礙物上,形成擴(kuò)大的障礙物圓盤(pán),如圖1(b)所示,無(wú)人船與障礙物之間的相對(duì)速度VA,B1=VAVB1,如果該相對(duì)速度的方向穿過(guò)障礙物圓盤(pán),無(wú)人船將與障礙物在后續(xù)某一時(shí)刻發(fā)生碰撞,所以由兩條切線λr和λf圍成的錐形區(qū)域CCA,B1稱為碰撞錐。如果相對(duì)速度位于碰撞錐外,無(wú)人船與障礙物將不會(huì)發(fā)生碰撞。如果考慮無(wú)人船的絕對(duì)速度,可用障礙物的速度VB1對(duì)碰撞錐CCA,B進(jìn)行平移,得到速度障礙(V0),如圖1(c)所示。

      碰撞錐是基于相對(duì)速度的概念,速度障礙是基于絕對(duì)速度的概念,它們將無(wú)人船的速度空間劃分為碰撞和避碰兩個(gè)區(qū)域。如果無(wú)人船的速度位于碰撞錐或速度障礙的邊界,無(wú)人船將與障礙物擦刮而過(guò)。

      無(wú)人船相對(duì)于每個(gè)障礙物有一個(gè)速度障礙,如果考慮多個(gè)障礙物,可將多個(gè)速度障礙進(jìn)行疊加,如圖2所示為兩個(gè)障礙物和的速度障礙疊加。這時(shí),為避免與任一障礙物碰撞,應(yīng)選擇無(wú)人船的速度位于各障礙速度的并集之外。

      2) 避讓速度

      碰撞錐要求無(wú)人船的速度位于速度障礙區(qū)域之外,但速度的改變需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)的支持。無(wú)人船在t0時(shí)刻的可行加速度(FA - Feasible Acceleration)由動(dòng)力系統(tǒng)配置、船體結(jié)構(gòu)和操縱約束決定,假設(shè)無(wú)人船的可行加速度范圍如圖3中的平行四邊形所示,經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt后無(wú)人船的可達(dá)速度為RV(Reachable Velocity)。

      可達(dá)避讓速度(RAV - Reachable Avoidance Velocity)定義為可達(dá)速度RV和速度障礙V0之差,如圖4(a)所示,由Sr和Sf兩個(gè)不相鄰的部分構(gòu)成。對(duì)于多個(gè)障礙物,可達(dá)避讓速度可由多個(gè)不相鄰的區(qū)域構(gòu)成,如圖4(b)所示。為避開(kāi)障礙物,無(wú)人船可在可達(dá)避讓速度中選取適合的避讓速度。

      (2)最近會(huì)遇點(diǎn)

      最近會(huì)遇點(diǎn)(CPA - Closest Point of Approach)是他船駛過(guò)時(shí)距本船距離最小的位置點(diǎn),CPA的計(jì)算是船舶避碰的基本問(wèn)題。對(duì)于人工駕駛船舶,CPA是舵手在進(jìn)行避碰決策時(shí)的重要參考;對(duì)于無(wú)人船,CPA是避碰決策空間中的關(guān)鍵元素,麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)海洋機(jī)器人組Michael R.Benjamin團(tuán)隊(duì)在CPA的計(jì)算方面做了深入的研究工作。

      1) 最近會(huì)遇點(diǎn)問(wèn)題描述

      Michael R. Benjamin在2002年5月提交的博士學(xué)位論文中,對(duì)最近會(huì)遇點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)描述。無(wú)人船的操舵模塊由行為和優(yōu)化引擎構(gòu)成,優(yōu)化引擎負(fù)責(zé)動(dòng)作的選擇,動(dòng)作向量空間包含航向 θ、速度v和持續(xù)時(shí)間t。操舵模塊通過(guò)傳感器感知本船的位置、航向和速度[x y θ v]以及他船的位置、航向和速度[xbybθbbv],輸出一個(gè)備選動(dòng)作的三維向量 ,最近會(huì)遇點(diǎn)CPA是評(píng)價(jià)備選動(dòng)作[θ v t]的重要指標(biāo),由到達(dá)最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間TCPA和最近距離DCPA表示。

      圖1 碰撞錐示意圖

      圖2 多障礙物碰撞錐

      圖3 可行加速度約束

      對(duì)于給定的備選動(dòng)作[θ v t],要計(jì)算在最近會(huì)遇點(diǎn)時(shí)兩船間距離DCPA,首先要計(jì)算達(dá)到最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間TCPA。假設(shè)初始時(shí)刻本船的位置在[x(t0) y(t0)],他船位置為[xb(t0) yb(t0)],在被選動(dòng)作[θ v t]完成后,本船和他船的位置分別為:

      它們之間的距離為:

      其中,

      當(dāng)兩船并行行駛時(shí),k2=0,可令TCPA=0;如果說(shuō)明兩船已駛過(guò)最近點(diǎn),也令TCPA=0。在求出達(dá)到最近會(huì)遇點(diǎn)時(shí)間后,即可求出在最近會(huì)遇點(diǎn)時(shí)兩船間距離,

      2) 分層緩沖CPA快速計(jì)算方法

      如果兩船的航速和航向保持不變,CPA可由上述公式求得。但當(dāng)兩船的航速和航向隨時(shí)間變化時(shí),需要通過(guò)迭代方法求解CPA,這需要耗費(fèi)處理器的大量時(shí)間,特別是當(dāng)本船周?chē)卸圄妓枰茏寱r(shí),這就對(duì)處理器提出了挑戰(zhàn)。為此,2017年9月在Anchorage舉行的OCEANS’17會(huì)議上Michael R. Benjamin團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一種分層緩沖的CPA快速計(jì)算方法。

      圖4 可達(dá)避讓速度示意圖

      分層緩沖CPA快速計(jì)算方法由三部分構(gòu)成:內(nèi)層循環(huán)、外層循環(huán)和CPA計(jì)算引擎。對(duì)于本船的所有可能軌跡,內(nèi)層循環(huán)進(jìn)行CPA計(jì)算;對(duì)于他船的所有可能軌跡,外層循環(huán)調(diào)用內(nèi)層循環(huán)進(jìn)行CPA計(jì)算;對(duì)于給定的本船和他船軌跡,計(jì)算引擎進(jìn)行CPA計(jì)算;將不變的參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)緩存,以提高計(jì)算效率。

      內(nèi)層循環(huán)算法如圖5所示,對(duì)于給定的他船位置、航向和速度[xcnycnθcnvcn],以及本船的位置[xosyos],在決策空間D中計(jì)算本船所有可能機(jī)動(dòng)[θ v]時(shí)的CPA,如圖6所示是一次計(jì)算結(jié)果。

      圖5 內(nèi)層循環(huán)算法

      圖6 內(nèi)層循環(huán)CPA計(jì)算結(jié)果之一

      外層循環(huán)算法如圖7所示,對(duì)于給定的他船位置[xcnycn]和本船的位置[xosyos],改變他船的航向和速度,調(diào)用內(nèi)層循環(huán),計(jì)算本船所有可能機(jī)動(dòng)[θ v]時(shí)的CPA,如圖8所示。

      圖7 外層循環(huán)算法

      圖8 內(nèi)層循環(huán)CPA計(jì)算結(jié)果之二

      圖9 CPA計(jì)算引擎

      CPA計(jì)算引擎如圖9所示,對(duì)于給定的他船位置、航向和速度[xcnycnθcnvcn],以及本船的位置、航向和速度[xosyosθosvos],計(jì)算對(duì)應(yīng)的CPA。在內(nèi)層循環(huán)的每次CPA計(jì)算中,一些參數(shù)[xcnycnθcnxosyos]不變,相關(guān)項(xiàng)可以進(jìn)行靜態(tài)緩存,以提高速度,如圖10所示。

      圖10 靜態(tài)緩存方法

      主要方法

      基于速度障礙的方法

      基于速度障礙(VO)的方法由噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Yoshiaki Kuwata等學(xué)者在2014年1月的IEEE海洋工程期刊上發(fā)表,具有較高的計(jì)算效率,進(jìn)行了充分的水面實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

      (1) COLREGS速度障礙約束

      上節(jié)介紹的速度障礙V0是理想的情況,假設(shè)本船和他船的速度均不變。如果考慮速度變化等不確定因素,碰撞錐將擴(kuò)大。如圖11所示,紅線內(nèi)灰色區(qū)域是無(wú)人船A相對(duì)于來(lái)船B在理想情況下的碰撞錐,稱為硬約束;黃色區(qū)域是考慮不確定因素時(shí)碰撞錐的變化,稱為軟約束,以提供一個(gè)安全緩沖區(qū)。包括黃色區(qū)域的碰撞錐稱為最壞情況下的碰撞錐,或最壞情況下的速度障礙(WVO)。

      由于碰撞錐已包含無(wú)人船應(yīng)該從來(lái)船哪一側(cè)通過(guò)的信息,因此,可將COLREGS規(guī)則看作速度空間中的一組約束。如圖11所示的可行速度空間可分為三個(gè)區(qū)域:如果無(wú)人船選擇區(qū)域V3中的速度,它將離開(kāi)障礙物,不會(huì)發(fā)生碰撞;如果無(wú)人船選擇區(qū)域V1中的速度,它將從來(lái)船的右側(cè)通過(guò),在無(wú)人船追越他船、對(duì)遇和來(lái)船在右側(cè)的交叉相遇局面,不可選擇區(qū)域V1中的速度;如果無(wú)人船選擇區(qū)域V2中的速度,它將從來(lái)船的左側(cè)通過(guò)。

      (2) 規(guī)則選擇

      6.利用多種德育載體,拓寬德育教育渠道。一是加強(qiáng)德育網(wǎng)站建設(shè),創(chuàng)建和豐富學(xué)校德育網(wǎng)站,利用網(wǎng)站對(duì)學(xué)生進(jìn)行德育教育和網(wǎng)絡(luò)道德教育。二是樹(shù)立榜樣和典型,發(fā)揮模范作用。三是加強(qiáng)社團(tuán)建設(shè),豐富學(xué)生校園文化生活,拓寬德育教育渠道。

      規(guī)則選擇器首先針對(duì)無(wú)人船和周?chē)鷣?lái)船的當(dāng)前位置和速度計(jì)算最近會(huì)遇點(diǎn)(CPA),根據(jù)如圖12所示的幾何約束,評(píng)估是否有適用的COLREGS規(guī)則,只將COLREGS規(guī)則用于相關(guān)的來(lái)船,避免在每個(gè)時(shí)刻對(duì)每一艏來(lái)船的大量計(jì)算,因此提高了效率。

      圖11 考慮COLREGS的速度障礙

      如果發(fā)現(xiàn)碰撞局面出現(xiàn),規(guī)則選擇器需確認(rèn)適用的規(guī)則,考慮四種情況:追越、對(duì)遇、從左側(cè)交叉相遇和從右側(cè)交叉相遇。由于環(huán)境感知的誤差,如果在每個(gè)時(shí)刻都作出全新的決策,那么會(huì)導(dǎo)致COLREGS規(guī)則的頻繁切換。為避免這種情況出現(xiàn),在系統(tǒng)中引入滯后環(huán)節(jié),并降低改變規(guī)則的頻率。一旦某一COLREGS規(guī)則被起用,它將持續(xù)一段最小的時(shí)間間隔,讓他船看到無(wú)人船的明顯意圖,這也是COLREGS規(guī)則的要求。選擇的最小時(shí)間間隔應(yīng)大于無(wú)人船的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)。

      為求出最優(yōu)速度矢量,在包含速度v和航向θ的決策空間構(gòu)建離散網(wǎng)格,給定速度障礙V0和COLREGS規(guī)則約束后,代價(jià)函數(shù)為:。其中,為參考速度,WT為碰撞時(shí)間的權(quán)重,Wv為速度偏離的權(quán)重。

      (3)水面試驗(yàn)

      COLREGS算法集成在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的自主系統(tǒng)“機(jī)器人智能體指揮和傳感控制體系(CARACaS)”中,該系統(tǒng)可通過(guò)慣導(dǎo)感知無(wú)人船的狀態(tài),通過(guò)雷達(dá)、激光雷達(dá)、視覺(jué)系統(tǒng)和地圖服務(wù)器感知周?chē)h(huán)境。

      試驗(yàn)采用如圖13(a)所示無(wú)人戰(zhàn)斗艇,其自主航行由CARACaS控制,該艇曾完成了港口巡邏、目標(biāo)跟蹤和靜態(tài)障礙物避讓的示范演示。周?chē)鶃?lái)船只采用一艏如圖13(b)所示的12m交通艇和兩艏如圖13(c)所示的7m剛性充氣艇。試驗(yàn)中無(wú)人船的目標(biāo)航點(diǎn)在前方1000m處,航速為8kn,算法中的參數(shù)通過(guò)仿真和初始水面試驗(yàn)來(lái)整定。

      如圖14所示為對(duì)遇和交叉相遇局面的試驗(yàn)結(jié)果。首先無(wú)人船駛向目標(biāo)航點(diǎn);圖14(a)中,無(wú)人船檢測(cè)到遠(yuǎn)方有一艏7m剛性充氣艇,估計(jì)其速度很低,僅將其當(dāng)靜止障礙物,無(wú)需COLREGS規(guī)則約束;隨著7m剛性充氣艇接近,無(wú)人船識(shí)別為對(duì)遇局面,COLREGS約束鼓勵(lì)向右機(jī)動(dòng)避讓,如圖14(b)所示;圖14(c)中,無(wú)人船檢測(cè)到另一艏7m剛性充氣艇從前方接近,識(shí)別兩艏充氣艇都為對(duì)于局面,繼續(xù)向右機(jī)動(dòng);當(dāng)無(wú)人船繞過(guò)兩艏充氣艇時(shí), 12m充氣艇從右側(cè)接近,識(shí)別為交叉相遇局面,如圖14(d)所示,對(duì)遇和來(lái)船在右側(cè)的COLREGS規(guī)則均要求無(wú)人船向右機(jī)動(dòng);圖14(e)中,無(wú)人船成功避讓來(lái)船,繼續(xù)駛向目標(biāo)航點(diǎn)。

      圖12 選擇COLREGS規(guī)則的幾何約束

      圖13 水面試驗(yàn)用船

      圖14 水面試驗(yàn)結(jié)果

      基于行為的多目標(biāo)優(yōu)化

      國(guó)際海上避碰規(guī)則(COLREGS)是指導(dǎo)船舶駕駛員的文件,不能直接輸入無(wú)人船的控制系統(tǒng)。在擁擠的水域,有時(shí)COLREGS的多條規(guī)則可能同時(shí)有效,也可能有多種不同的機(jī)動(dòng)選擇可滿足規(guī)則要求,人工駕駛可靈活處理這些規(guī)則沖突,但給無(wú)人船自主控制系統(tǒng)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為此,麻省理工學(xué)院海洋工程中心和牛津大學(xué)工程科學(xué)系的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)Michael R.Benjamin、Paul M. Newman等學(xué)者于2006年的機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議(ICRA2006)上發(fā)表了一種基于行為的多目標(biāo)優(yōu)化方法,將COLREGS的規(guī)則轉(zhuǎn)化為行為,目前已得到較多的應(yīng)用。

      (1) 基于行為的控制

      基于行為的控制最早于1985年由麻省理工學(xué)院人工智能實(shí)驗(yàn)室的R. Brooks博士提出,隨后廣泛應(yīng)用于室內(nèi)機(jī)器人、野外機(jī)器人、太空機(jī)器人和海洋機(jī)器人,其優(yōu)點(diǎn)是:獨(dú)立模塊便于研發(fā),不需要單個(gè)復(fù)雜的世界模型,對(duì)于在動(dòng)態(tài)環(huán)境中具有由事件觸發(fā)的行為的快速反應(yīng)機(jī)器人尤具潛力,所以適于遵守COLREGS的無(wú)人水面艇避碰這樣的復(fù)雜場(chǎng)景應(yīng)用。

      圖15 傳統(tǒng)控制與基于行為的控制

      如圖15所示是傳統(tǒng)控制與基于行為的控制比較,左圖的傳統(tǒng)控制是感知—規(guī)劃—?jiǎng)幼鞯幕芈?,其中的?guī)劃或者決策基于單一的世界模型;在右圖基于行為的系統(tǒng)中,無(wú)人船的控制是一組相互獨(dú)立的模塊共同工作,選擇出一個(gè)適當(dāng)?shù)膭?dòng)作,即執(zhí)行的驅(qū)動(dòng),一般用向量表達(dá)。動(dòng)作空間是所有可能動(dòng)作的集合,例如無(wú)人船可能的航向θ和速度v 組合。

      (2) 基本行為的目標(biāo)函數(shù)

      在多目標(biāo)優(yōu)化方法中,為每種行為定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù),遵守COLREGS的無(wú)人水面艇基本行為包括:

      圖16 航點(diǎn)行為的目標(biāo)函數(shù)

      1)航點(diǎn)行為:航點(diǎn)通常用一組坐標(biāo)(xi,yi)表示,無(wú)人船的當(dāng)前位置(x,y)由GPS獲取,根據(jù)被選動(dòng)作〈θ,v,t〉完成后無(wú)人船與下一航點(diǎn)的距離,建立選擇航點(diǎn)行為的目標(biāo)函數(shù)。如圖16所示為不同被選動(dòng)作時(shí)航點(diǎn)行為的目標(biāo)函數(shù)值,顏色越深,被選動(dòng)作的可能性越大。

      2) 避碰行為:基于被選動(dòng)作〈θ,v,t〉的最近會(huì)遇點(diǎn)距離DCPA,設(shè)置兩個(gè)參數(shù):內(nèi)距離和外距離。當(dāng)DCPA小于內(nèi)距離時(shí),認(rèn)為發(fā)生碰撞;當(dāng)DCPA大于外距離時(shí),認(rèn)為不會(huì)發(fā)生碰撞;當(dāng)DCPA在內(nèi)外距離之間時(shí),目標(biāo)函數(shù)線性變化。如圖17所示是障礙物速度為3m/s和5m/s兩種情況下的目標(biāo)函數(shù)值。

      3) COLREGS行為:針對(duì)無(wú)人船,主要考慮對(duì)遇和交叉相遇兩種情況,目標(biāo)函數(shù)也基于被選動(dòng)作〈θ,v,t〉的最近會(huì)遇點(diǎn)距離DCPA。為滿足COLREGS要求,在對(duì)遇局面,將被選航向與當(dāng)前相對(duì)方位比較,獎(jiǎng)勵(lì)向右舷機(jī)動(dòng),懲罰向左舷機(jī)動(dòng),如圖18所示;在交叉相遇局面,避免在他船前面穿越,在目標(biāo)函數(shù)中,獎(jiǎng)勵(lì)在他船后面穿越,懲罰在他船前面穿越,如圖19所示。

      (3) 基于行為的多目標(biāo)優(yōu)化方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      多目標(biāo)優(yōu)化方法由一組目標(biāo)函數(shù)和相應(yīng)的權(quán)重組合成一個(gè)總的目標(biāo)函數(shù),通過(guò)對(duì)總目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化來(lái)選擇最優(yōu)的被選動(dòng)作。在實(shí)際應(yīng)用中,需要求解速度能滿足無(wú)人船控制回路的要求,通常在1-20Hz。如圖20所示是多目標(biāo)優(yōu)化方法的水面實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中無(wú)人船2(黃色)僅作航點(diǎn)跟蹤,不考慮避碰。

      圖17 避碰行為的目標(biāo)函數(shù)

      圖18 對(duì)遇局面的目標(biāo)函數(shù)

      圖19 交叉相遇局面的目標(biāo)函數(shù)

      基于風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)的多目標(biāo)優(yōu)化

      在無(wú)人船遵守COLREG規(guī)則的避碰技術(shù)方面,英國(guó)貝爾法斯特女王大學(xué)、勞斯萊斯和南安普頓索倫特大學(xué)合作團(tuán)隊(duì)的學(xué)者于2017年的國(guó)際自動(dòng)控制聯(lián)盟會(huì)議(IFAC2017)上發(fā)表了另一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的方法。他們的路徑規(guī)劃系統(tǒng)分為離線的全局路徑規(guī)劃和在線的局部路徑規(guī)劃兩個(gè)模塊。當(dāng)給定目的位置后,全局路徑規(guī)劃模塊生成一系列航點(diǎn),只有當(dāng)無(wú)人船在兩個(gè)航點(diǎn)之間檢測(cè)到障礙物時(shí)才啟動(dòng)局部路徑規(guī)劃模塊。一旦碰撞的危險(xiǎn)得到確認(rèn),局部規(guī)劃模塊便生成一條從當(dāng)前位置到下一個(gè)航點(diǎn)的局部路徑,既避免碰撞,又滿足COLREG規(guī)則,還考慮了來(lái)船不遵守COLREG規(guī)則的情況。

      (1) 情景意識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

      為評(píng)估碰撞的風(fēng)險(xiǎn),他們采用最近會(huì)遇點(diǎn)方法。根據(jù)船型和工作環(huán)境,預(yù)先設(shè)置機(jī)動(dòng)的最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間tmax和最小安全距離dmin,將達(dá)到最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間TCPA和最近會(huì)遇距離DCPA與參數(shù)tmax和dmin進(jìn)行比較,如果0≤TCPA≤tmax且DCPA≤dmin,認(rèn)為存在碰撞風(fēng)險(xiǎn),令risk=1。為判斷來(lái)船是否遵守COLREG規(guī)則,引入兩個(gè)附加參數(shù)tsafe和dsafe和標(biāo)志flag,讓tsafe≤tmax,dsafe≤dmin,如果0≤TCPA≤tsafe且DCPA≤dsafe,則認(rèn)為存在緊急碰撞風(fēng)險(xiǎn),令risk=2。假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為k,如果risk(k-1)=1,且risk(k)=2,那么認(rèn)為來(lái)船未遵守COLREG規(guī)則,這時(shí)局部路徑規(guī)劃模塊生成一條緊急規(guī)避路徑。

      (2) 決策與規(guī)則選擇

      一旦出現(xiàn)碰撞的風(fēng)險(xiǎn),則需要確定遭遇的局面,即是對(duì)遇、交叉相遇或是追越。如圖21所示為COLREG規(guī)則的遭遇局面區(qū)域劃分,用于選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)則。給定來(lái)船相對(duì)于無(wú)人船的方位,將確定一個(gè)唯一的扇區(qū),從而適用相應(yīng)的COLREG規(guī)則。如果確認(rèn)存在碰撞的風(fēng)險(xiǎn),而且作出直航的決策,那么無(wú)人船將保持航向;如果作出讓路的決策,那么模塊將規(guī)劃新的路徑,生成替代的航點(diǎn)。

      (3) 路徑重新規(guī)劃

      避碰路徑可通過(guò)生成一個(gè)或多個(gè)子航點(diǎn)來(lái)進(jìn)行規(guī)劃,優(yōu)先采用單個(gè)子航點(diǎn),因?yàn)橛?jì)算效率高、實(shí)時(shí)性好。圖22表示路徑重新規(guī)劃過(guò)程,開(kāi)始時(shí)無(wú)人船跟蹤預(yù)定路徑AC,速度為v,航向?yàn)棣龋辉谖恢肁時(shí)檢測(cè)到與來(lái)船碰撞的風(fēng)險(xiǎn),于是模塊生成子航點(diǎn)B,無(wú)人船改變航向至θ',沿著新路徑AB航行至B點(diǎn),然后返回目的航點(diǎn)C。在重新規(guī)劃路徑時(shí),需要同時(shí)考慮幾個(gè)不同的目標(biāo):1)保證安全,無(wú)碰撞風(fēng)險(xiǎn);2)路徑平滑,避免航向突變;3)新路徑不應(yīng)偏離原路徑過(guò)多。這就成為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題(MOP), COLREG規(guī)則為一組以不等式表達(dá)的約束,抉擇變量是航向和持續(xù)時(shí)間。他們采用粒子群優(yōu)化(PSO)算法進(jìn)行求解,粒子數(shù)量為50,遺傳代數(shù)為30~40,再增加,性能提高不大。

      圖20 對(duì)遇局面的實(shí)際水面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      圖21 COLREG避碰局面區(qū)域劃分

      如圖23所示是與多個(gè)障礙目標(biāo)相遇的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,無(wú)人船避讓了三個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)A、B、C和一個(gè)靜止目標(biāo)D。左上圖的目標(biāo)B代表追越局面,右上圖的目標(biāo)A代表交叉相遇局面,左下圖的靜止障礙物D位于無(wú)人船的航線附近,如果僅進(jìn)行小的航向調(diào)整,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)C將構(gòu)成對(duì)遇的局面,于是無(wú)人船選擇了大的機(jī)動(dòng),同時(shí)避開(kāi)了目標(biāo)D和C,右下圖為重新規(guī)劃的完整路徑。

      如圖24所示為來(lái)船不遵守COLREG規(guī)則的情況,開(kāi)始時(shí)無(wú)人船檢測(cè)到與來(lái)船A碰撞的危險(xiǎn),根據(jù)COLREG規(guī)則,來(lái)船A應(yīng)讓路,但連續(xù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)來(lái)船并未遵守COLREG規(guī)則,于是無(wú)人船重新規(guī)劃路徑,進(jìn)行緊急避讓。

      基于虛擬力場(chǎng)的方法

      圖22 路徑重新規(guī)劃示意圖

      在遵守COLREGS的無(wú)人船避障方面,韓國(guó)也開(kāi)展了深入的研究工作,昌原國(guó)立大學(xué)控制與儀器工程系Joongseon Joh教授團(tuán)隊(duì)2004年6月在《控制、自動(dòng)化與系統(tǒng)》國(guó)際期刊上發(fā)表了基于虛擬力場(chǎng)的方法。為遵守COLREGS,他們對(duì)虛擬力場(chǎng)(VFFVirtual Force Field)方法進(jìn)行了改進(jìn),并采用模糊推理實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤模式的選擇,進(jìn)行了各種會(huì)遇局面下的大量仿真實(shí)驗(yàn)。

      (1) 改進(jìn)的虛擬力場(chǎng)方法

      虛擬力場(chǎng)(VFF )是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航廣泛采用的方法,如圖25所示,目標(biāo)產(chǎn)生引力,而障礙物產(chǎn)生斥力。如圖26上圖為VFF的直接應(yīng)用,無(wú)人船受兩個(gè)力的作用,引力將無(wú)人船吸引到下一個(gè)航點(diǎn),而斥力讓無(wú)人船離開(kāi)障礙物。顯然,直接應(yīng)用VFF不能讓無(wú)人船快速回歸到預(yù)定的路徑,更不便考慮COLREGS。為此,他們對(duì)VFF方法進(jìn)行了改進(jìn)。

      圖23 多個(gè)障礙目標(biāo)情況下的避碰路徑

      圖24 來(lái)船不遵守COLREG情況下的避碰

      圖25 VFF示意圖

      (2) 模糊推理

      無(wú)人船周?chē)乃蚩蓜澐譃槲kU(xiǎn)水域和安全水域,無(wú)人船在這兩個(gè)區(qū)域中的導(dǎo)航模式不同。無(wú)人船在危險(xiǎn)區(qū)域的逃離運(yùn)動(dòng)通過(guò)讓?duì)?0和β=1來(lái)實(shí)現(xiàn);在安全區(qū)域,α和β的值通過(guò)模糊推理來(lái)確定。假設(shè)d為無(wú)人船偏離預(yù)定路徑的距離,劃分為近、中、遠(yuǎn)三個(gè)集合{N,M,F(xiàn)}, α和β劃分為小、中、大三個(gè)集合{S,M,B},確定ψtk的推理規(guī)則如下:(1)如果d∈N,那么α∈β且β∈S;(2)如果 d∈M,那么α∈M且β∈M;(3)如果d∈F,那么α∈S且β∈B。

      圖26 改進(jìn)的VFF示意圖

      (3) 仿真實(shí)驗(yàn)

      他們基于長(zhǎng)1.4m,寬0.4m,排水量23kg的無(wú)人船模型,進(jìn)行了大量的仿真實(shí)驗(yàn),如圖27為COLREGS三種典型情況下的結(jié)果,驗(yàn)證了這種方法可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)障礙物的避讓,而且滿足COLREGS要求。

      基于專家系統(tǒng)的方法

      韓國(guó)首爾大學(xué)船舶與海洋工程系學(xué)者Han-Jin Lee 和 Key Pyo Rhee 于2001年發(fā)表在《國(guó)際造船進(jìn)展》期刊上發(fā)表了一種基于專家系統(tǒng)和模糊推理的方法,他們通過(guò)模糊推理求得碰撞風(fēng)險(xiǎn)度,采用專家系統(tǒng)建立動(dòng)作空間,然后采用A*搜索算法得到避碰動(dòng)作規(guī)劃。

      (1) 碰撞風(fēng)險(xiǎn)度

      碰撞風(fēng)險(xiǎn)度通過(guò)模糊推理求得,TCPA和DCPA作為輸入模糊變量,采用三角形隸屬度函數(shù),推理規(guī)則如下表所示,構(gòu)成一個(gè)二維矩陣。碰撞風(fēng)險(xiǎn)度的取值為-1~1之間,負(fù)值表示TCPA為負(fù)。碰撞風(fēng)險(xiǎn)度的絕對(duì)值越大,表示碰撞的風(fēng)險(xiǎn)越高。當(dāng)有多艏來(lái)船時(shí),給定環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)度為所有來(lái)船風(fēng)險(xiǎn)度的最大值。解模糊方法如下:

      式中,αi為第i條規(guī)則條件部分的概率, CRi第i條規(guī)則結(jié)論部分的風(fēng)險(xiǎn)度取值。

      (2) 專家系統(tǒng)

      動(dòng)作空間由本船能采用的航速和航向構(gòu)成,專家系統(tǒng)用于確定動(dòng)作空間,而不是動(dòng)作本身。專家系統(tǒng)采用NASA約翰遜航天中心設(shè)計(jì)的C語(yǔ)言集成產(chǎn)生式系統(tǒng)(CLIPS),根據(jù)COLREGS規(guī)則建立,主要包括主模塊、情景模塊和動(dòng)作模塊。主模塊控制專家系統(tǒng)與避碰系統(tǒng)中其它模塊的通訊,負(fù)責(zé)航行規(guī)則的執(zhí)行。情景模塊根據(jù)會(huì)遇局面對(duì)來(lái)船進(jìn)行分類,將來(lái)船標(biāo)記為讓路船或直航船。動(dòng)作模塊根據(jù)會(huì)遇局面和碰撞風(fēng)險(xiǎn)度,定義本船相對(duì)于危險(xiǎn)來(lái)船的動(dòng)作空間。盡管本船是直航船,但如果碰撞風(fēng)險(xiǎn)度高于預(yù)先設(shè)定的臨界值,也生成避讓來(lái)船的動(dòng)作空間。專家系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的關(guān)系如圖28所示,最終動(dòng)作空間是所有動(dòng)作空間的并集。

      圖27 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

      表1 推理規(guī)則

      避碰系統(tǒng)在專家系統(tǒng)提供的動(dòng)作空間中選擇最安全的動(dòng)作,方法如下:

      1)如果有碰撞風(fēng)險(xiǎn)度小于0.6的動(dòng)作,選擇其中最接近規(guī)劃航向和速度的動(dòng)作;

      2)如果沒(méi)有1)中的動(dòng)作,選擇風(fēng)險(xiǎn)度最小的動(dòng)作;

      3)如果所有動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)度均為1,選擇DCPA最大者。

      (3)仿真實(shí)驗(yàn)

      為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,模擬了兩艏相同的油輪來(lái)船,長(zhǎng)320m,航速10kn。如圖29和30是交叉相遇局面的仿真結(jié)果,左圖是運(yùn)動(dòng)軌跡,右圖是風(fēng)險(xiǎn)度記錄。實(shí)心箭頭表示避碰動(dòng)作開(kāi)始的位置,空心箭頭表示避碰動(dòng)作結(jié)束的位置。在圖29中無(wú)人船是讓路船,專家系統(tǒng)給出右轉(zhuǎn)的動(dòng)作空間。在圖30中,無(wú)人船是直航船,但來(lái)船未遵守避碰規(guī)則,當(dāng)碰撞風(fēng)險(xiǎn)度高于臨界值時(shí)開(kāi)始主動(dòng)采取避碰動(dòng)作。

      圖31以對(duì)遇局面展示專家系統(tǒng)的作用,左圖是有專家系統(tǒng)的結(jié)果,右圖是無(wú)專家系統(tǒng)的結(jié)果??梢?jiàn),無(wú)專家系統(tǒng)時(shí)也能成功避碰,但軌跡和航向變化緩慢,未能向?qū)Ψ奖硎久黠@的動(dòng)作意圖,未遵守規(guī)則。

      如圖32為與兩艏來(lái)船在受限水域?qū)τ龅木置?,其左、中、右圖分別是1000s、2000s和3000s時(shí)刻的軌跡??梢?jiàn),在避碰系統(tǒng)的作用下,三船順利完成避碰。由于動(dòng)作空間受水域限制,在避碰過(guò)程中的碰撞風(fēng)險(xiǎn)度較高,但未超出預(yù)定的臨界值。

      基于模糊推理的方法

      前述韓國(guó)學(xué)者采用模糊控制和專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遵守COLREGs的無(wú)人船避碰,這些方法已在實(shí)際無(wú)人船上得到應(yīng)用,2018年10月在查爾斯頓舉行的OCEANS 2018 MTS/IEEE會(huì)議上Nam-sun Son 和 Sun-Young Kim等學(xué)者發(fā)表了韓國(guó)船舶與海洋工程研究院研發(fā)的無(wú)人船ARAGON II海面自主避碰試驗(yàn)情況。

      圖28 避碰系統(tǒng)流程圖

      圖31 對(duì)遇局面中有無(wú)專家系統(tǒng)的比較

      (1) 硬件配置

      ARAGON是在韓國(guó)海洋與漁業(yè)部項(xiàng)目“用于海洋觀測(cè)與監(jiān)控的多任務(wù)智能無(wú)人水面艇研發(fā)”支持下于2011年開(kāi)始研發(fā)的系列無(wú)人船,其第二代ARAGON II 于2016年研制,采用滑行艇型,如圖33所示,長(zhǎng)8m,寬2.5m,單機(jī)單泵配置,主機(jī)功率400hp,最大航速40kn。

      ARAGON II的自主避碰系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成:障礙物識(shí)別、避碰算法和自動(dòng)駕駛。障礙物識(shí)別負(fù)責(zé)收集無(wú)人船的導(dǎo)航信息和障礙物信息,其中無(wú)人船導(dǎo)航信息通過(guò)GPS和慣導(dǎo)獲得,障礙物信息通過(guò)融合敵我識(shí)別系統(tǒng)(AIS)、雷達(dá)、激光雷達(dá)和光電系統(tǒng)等多元信息得到;避碰算法采用可變動(dòng)作空間搜索和基于碰撞風(fēng)險(xiǎn)的模糊推理來(lái)估計(jì)最優(yōu)路徑;自動(dòng)駕駛負(fù)責(zé)跟蹤規(guī)劃的路徑。

      (2) 軟件算法

      為考慮碰撞風(fēng)險(xiǎn)程度的變化,他們?cè)O(shè)計(jì)了可變動(dòng)作空間搜索算法,如圖34所示。當(dāng)遇到障礙物時(shí)進(jìn)行動(dòng)作空間配置,在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)模糊推理估計(jì)碰撞風(fēng)險(xiǎn)程度,生成可變動(dòng)作空間,根據(jù)代價(jià)函數(shù)從備選的路徑中選取最優(yōu)路徑。該方法在ARAGON I上采用AIS進(jìn)行了海試驗(yàn)證。

      (3) 海試結(jié)果

      在ARAGON I基礎(chǔ)上, ARAGON II的自主避碰系統(tǒng)增加了雷達(dá)、激光雷達(dá)和光電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合。為評(píng)估其性能,他們?cè)诟教K楊灣進(jìn)行了實(shí)際海面試驗(yàn),采用5艏交通船設(shè)計(jì)了復(fù)雜的會(huì)遇局面,包括對(duì)遇、左側(cè)交叉相遇、右側(cè)交叉相遇、第二次對(duì)遇和追越,如圖35所示,其中追越和第二次對(duì)遇的交通船為虛擬生成。無(wú)人船與交通船的航速均為10kn,避碰開(kāi)始時(shí)兩船之間的距離是500m。

      圖36和圖37的上圖是試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)人機(jī)拍攝的場(chǎng)景照片,下圖是無(wú)人船和交通船的軌跡和相關(guān)數(shù)據(jù)記錄,黑線代表無(wú)人船,紅線代表通過(guò)信息融合得到的交通船軌跡數(shù)據(jù),藍(lán)線代表追越和第二次對(duì)遇的虛擬交通船軌跡。

      圖32 受限水域中的對(duì)遇局面

      圖33 無(wú)人水面艇 ARAGON II

      在追越局面(來(lái)船ID 111)和左側(cè)交叉相遇(來(lái)船ID 456)局面中,ARAGON II是直航船,保持航向不變。在右側(cè)交叉相遇局面(來(lái)船ID 123)中,無(wú)人船是讓路船,采取向右轉(zhuǎn)向的避碰動(dòng)作。

      在追越和交叉相遇的局面結(jié)束后是兩次連續(xù)的對(duì)遇局面(來(lái)船ID 789和ID 222),來(lái)自傳感器融合的軌跡數(shù)據(jù)(ID9007)與AIS數(shù)據(jù)(ID789)類似。根據(jù)COLREGs規(guī)則,ARAGON II是讓路船,它采取了兩次向右轉(zhuǎn)向的避碰動(dòng)作。

      試驗(yàn)表明:在5次會(huì)遇中,ARAGON II的自主避碰系統(tǒng)均作出了直航或采取避碰動(dòng)作的正確決策,實(shí)現(xiàn)了遵守COLREGs規(guī)則的無(wú)人船自主避碰。

      性能評(píng)估

      前面介紹了遵守國(guó)際海上避碰規(guī)則的一些典型避障技術(shù),那么如何評(píng)估無(wú)人船是否遵守COLREGs呢?為此,麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室學(xué)者Kyle L. Woerner和 Michael R. Benjamin于2018年5月在日本神戶舉行的OCEANS 2018 MTS/IEEE 會(huì)議上發(fā)表了一種在有人駕駛和無(wú)人駕駛船舶協(xié)同工作時(shí)實(shí)時(shí)自動(dòng)評(píng)估遵守COLREGs性能的方法。

      (1) 會(huì)遇幾何

      圖34 可變動(dòng)作空間搜索算法

      圖35 避碰試驗(yàn)場(chǎng)景

      會(huì)遇局面中的幾何關(guān)系如圖38所示,當(dāng)本船(O/S)與來(lái)船(Contact)間距離r小于檢測(cè)距離(Rdetect)的閾值時(shí),認(rèn)為兩船進(jìn)入會(huì)遇局面。會(huì)遇時(shí)的完整幾何關(guān)系用來(lái)船相對(duì)航向α、方位β、距離r和速度v來(lái)表示。進(jìn)入會(huì)遇局面后,首先需要評(píng)估碰撞的風(fēng)險(xiǎn),通過(guò)計(jì)算CPA的三個(gè)值來(lái)確定:最近會(huì)遇距離rCPA,達(dá)到最近會(huì)遇點(diǎn)的時(shí)間tCPA,以及相對(duì)位姿ΘCPA。對(duì)最近會(huì)遇距離rCPA,設(shè)置4個(gè)可配置的閾值,根據(jù)重要性從小到大依次為:優(yōu)選距離Rpref、最小可接受距離Rmin、幾乎碰撞距離Rnm和碰撞距離Rcol。

      (2) 安全性

      在無(wú)人船避碰文獻(xiàn)中,安全性通常用碰撞次數(shù)與會(huì)遇次數(shù)的比值來(lái)表示,但這與人工駕駛船舶在進(jìn)行避碰決策時(shí)的情況不一致,特別是在有多艏來(lái)船的復(fù)雜局面中。通過(guò)考慮避碰決策中的幾個(gè)重要變量,他們提出了一種采用安全性函數(shù)的量化方法,較之前僅考慮是否碰撞的方法更有意義。

      圖36 追越和交叉相遇局面的避碰

      安全性函數(shù)S=S(rCPA,ΘCPA)包含CPA的距離rCPA和姿態(tài)Θ(αCPA,βCPA),可分解為基于距離的安全性函數(shù)Sr和基于姿態(tài)的安全性函數(shù)SΘ,即S=S(Sr,SΘ),根據(jù)需要,可只考慮距離或者姿態(tài)。對(duì)于圖38中黃色區(qū)域的會(huì)遇,Rmin>rCPA>Rnm,這是不安全的會(huì)遇,應(yīng)采取緊急機(jī)動(dòng),密切注意,提高后續(xù)過(guò)程的安全性。橙色區(qū)域是突破幾乎碰撞距離Rnm的會(huì)遇,只有僥幸脫險(xiǎn)的可能。在中間紅色區(qū)域的會(huì)遇,認(rèn)為實(shí)際碰撞發(fā)生。安全性函數(shù)根據(jù)不同的安全等級(jí)閾值,將CPA距離映射為安全性得分。圖38僅表示安全距離的劃分,但也可將姿態(tài)Θ映射為安全性得分,并進(jìn)行二者的組合。

      圖37 對(duì)遇局面的避碰

      (3) 規(guī)則評(píng)估

      COLREGs規(guī)則評(píng)估軟件用于中立的第三方觀測(cè)者,建立了規(guī)則評(píng)估庫(kù),為中立打分提供基礎(chǔ)。規(guī)則評(píng)估庫(kù)的功能包括:1)辨識(shí)會(huì)遇局面中兩船的幾何關(guān)系;2)辨識(shí)每船需遵守的COLREGs規(guī)則;3)對(duì)每船遵守規(guī)則的動(dòng)作進(jìn)行量化打分。規(guī)則評(píng)估庫(kù)既用于實(shí)時(shí)運(yùn)行的軟件,也用于事后分析的軟件,這樣保證評(píng)估結(jié)果的一致性。規(guī)則評(píng)估庫(kù)也可讓用戶設(shè)置一些配置參數(shù)。

      圖38 會(huì)遇局面中的幾何關(guān)系示意圖

      (4) 軟件框架

      圖39 評(píng)估軟件框架

      評(píng)估軟件的總體框架如圖3 9所示,其中兩個(gè)關(guān)鍵模塊是實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估uFldProtocolEval和安全懲罰實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊收到低于閾值的得分后,懲罰模塊對(duì)船v2發(fā)出懲罰通知。中圖為交叉相遇局面,根據(jù)COLREGs的15和16條規(guī)定,只需要讓路船v1進(jìn)行避碰機(jī)動(dòng),但v1并未遵守規(guī)則,當(dāng)從實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊收到低于閾值的得分后,懲罰模塊對(duì)船v1發(fā)出了懲罰通知。右圖是更復(fù)雜的場(chǎng)景,五船呈星型匯聚,隨著實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊的輸出結(jié)果,懲罰陸續(xù)發(fā)出,如圖41中岸端界面截圖所示。

      圖40 模擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

      在仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,將上述方法應(yīng)用到Aquaticus無(wú)人船和人工駕駛船的混合比賽中,結(jié)果發(fā)現(xiàn):無(wú)人船忠實(shí)遵守COLREGs規(guī)則,而人工駕駛員會(huì)利用這一點(diǎn)引誘無(wú)人船避uFldSafetyPenalty。實(shí)時(shí)協(xié)議評(píng)估模塊負(fù)責(zé)會(huì)遇局面安全性和規(guī)則符合性的評(píng)估,輸出違規(guī)報(bào)告;當(dāng)避碰過(guò)程出現(xiàn)違規(guī)情況,需要進(jìn)行懲罰時(shí),安全懲罰模塊通知違規(guī)船,并在面向任務(wù)的操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行廣播。軟件的岸端界面顯示兩種類型的信息:1)被評(píng)估規(guī)則的狀態(tài),懲罰閾值和違規(guī)懲罰的類型;2)違規(guī)船的具體信息,包括是否有正在評(píng)估的懲罰、現(xiàn)有懲罰到期時(shí)間、任務(wù)期間該船被懲罰的次數(shù)等。

      (5) 試驗(yàn)結(jié)果

      他們首先在仿真環(huán)境中進(jìn)行了無(wú)人船和人工駕駛船的交互場(chǎng)景實(shí)驗(yàn),如圖40所示。左圖為對(duì)遇局面,兩船均需按照COLREGs的14條進(jìn)行避碰機(jī)動(dòng),但只有船v1正確執(zhí)行,當(dāng)從讓,從而影響無(wú)人船實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo),達(dá)到人駕船獲勝的目的,體現(xiàn)了人工駕駛的優(yōu)勢(shì)。

      圖41 岸端軟件顯示界面

      結(jié)束語(yǔ)

      在遵守COLREGs的無(wú)人船自主避障技術(shù)方面,美國(guó)、英國(guó)和韓國(guó)的學(xué)者開(kāi)展了深入的研究工作,已達(dá)到實(shí)船應(yīng)用的程度。目前主要技術(shù)途徑有:速度障礙法、最近會(huì)遇點(diǎn)計(jì)算、基于行為的控制、多目標(biāo)優(yōu)化、虛擬力場(chǎng)、模糊推理和專家系統(tǒng)。最近出現(xiàn)的無(wú)人船遵守COLREGs實(shí)時(shí)自動(dòng)評(píng)估方法將進(jìn)一步促進(jìn)這方面技術(shù)的發(fā)展。 ■

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