多目标最优化方法在船舶智能避碰中的应用研究外文翻译资料

 2022-08-13 16:10:55

英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于国际海上避碰规则的无人船路径规划：多目标优化方法

摘要：本文同时考虑到避碰和COLREGs的兼容性，提出了一种用于无人船在线路径规划的多目标优化框架。特别注意了态势感知和风险评估，尤其是当目标船不遵守国际海事组织定义的COLREGs规则时。为了使COLREGs生效，将规则和物理约束条件公式化为数学不等式。然后解决了基于粒子群算法的多目标优化问题，该问题的解决方案代表了一条新生成的路径。仿真表明，即使对于非合作目标，即违背COLREGs的船舶，该方法也能够生成符合COLREGs的无碰撞路径。

关键词：无人船，自主性，避碰，风险评估，决策，路径规划，多目标优化，COLREGs。

1 介绍

1.1 背景

近年来，由于无人船（ASVs）具有执行复杂任务的潜力，对它的研究已成为研究的活跃领域。ASV的基本要求之一是，它们应能自主地安全航行，并避免与其他任何船舶/障碍物或周围的土地相撞（Pascoal等人（2000））。此外，为了与其他船只（人为驾驶或无人驾驶）和谐运行，ASV的行为应与附近其他船只的行为类似。由于所有人为驾驶的船舶都被要求遵守国际海事组织（IMO）定义的海岸警卫队关于海上避碰规则的法规（COLREGs）（Cockcroft和Lameijer（2003）），因此必须将符合COLREGs的行为作为所有ASV导航系统的必要组成部分。

当前的COLREGs指南可以追溯到1972年，并且在过去的几年中发生了许多变化。该法规是针对人为驾驶船舶制定的，即为人类使用而制定的，因此并不易于编程或自动化。由于其主观性质，COLREGs受各种解释的影响，导致不确定性，在最坏的情况下可能导致冲突。尽量减少船舶间的碰撞不仅需要对COLREGs有统一的理解，还需要有良好船艺。本文尝试将水手对COLREGs的解释与经验丰富的引航员的（良好船艺）输入结合起来。

在实践中，根据任务要求，在重新规划路径时可能需要考虑安全性以外的其他目标/偏好（Ahmed和Deb（2013）；McEnteggart和Whidborne（2012））。对于ASV，这些通常包括生成一条不会突然改变航向的最佳且平滑的路径。因此，本文提出了一种多目标优化方法来解决在线路径规划问题。避碰COLREGs的要求都被系统地结合到所提出的方法中，并且提出了一种有效的算法来找到可行的路径。

1.2 文献综述与动机

近年来，已开发出多种考虑了COLREGs的路径规划技术。典型的技术包括由作者研究小组开发的人工势场（Naeem等人（2016））和启发式Alowast;方法（Campbell et al.（2014），速度障碍方法（Kuwata et al.（2014））和进化算法（Szlapczynski（2011））。但是，大多数，如果不是所有的现有技术都不能很好地平衡多个目标船和多个COLREGs规则，例如Cockcroft和Lameijer（2003）中的规则2、8、13-17，通常只有在使用这些技术时下才能考虑一个目标。此外，据作者所知，所提出的方法均未考虑违规的船舶，即违反COLREGs的船舶。实际上，这些场景对ASV构成了严重的风险，特别是当本船假设所有其他目标船都符合COLREGs时，这通常是该领域其他工作的情况。这激发了本文提出的研究。

多目标优化涉及同时优化多个目标的数学优化问题。多目标优化算法已用于分析和解决科学、工程和物流等许多领域中的问题，在这些领域中，需要在两个或多个相互冲突的目标之间进行权衡的情况下做出最佳决策。最近，已经提出了几种进化算法并将其广泛用于解决多目标优化问题（MOPs），其中多目标粒子群优化（MOPSO）方法由于其快速收敛和相当简单的实现而成为一种流行的选择（Coello等人（2004））。

1.3 贡献

本文有三点贡献：1）提出了一种增强的态势感知和决策方法，即使目标船违反了COLREGs规则（规则2b Cockcroft和Lameijer（2003）），ASV仍可以做出适当的决策来避免碰撞的危险。请注意，大多数报告的碰撞是由于违反了COLREGs和/或对COLREGs的错误解释造成的（Perera 等人 （2009）；Statheros等人（2008））；2）开发了用于路径重新规划的多目标优化框架，该框架灵活且可扩展，可容纳多个目标船和目标功能；3）针对COLREGs规则选择和其它ASV约束，提出了一种新颖的、统一的数学不等式表示方法，该方法易于在路径规划的多目标优化框架中实现。

2 系统总览

路径规划的完整过程由全局（离线）和本地（在线）路径规划模块组成。给定目标航路点后，全局路径规划器会离线生成所需的路径，并将其显示为一系列航路点。只有在任意两个给定航路点之间检测到障碍物时，才会激活在线路径规划模块。当确认会发生碰撞的风险时，将生成无碰撞且符合COLREGs的本地路径（从当前位置到最近的航路点）。

在线路径规划过程分为三个子过程：态势感知和风险评估、COLREGs规则选择和路径重新规划。在下文中，将展示和讨论各个子过程的细节。

2.1态势感知和风险评估

这是系统的关键部分，因为故障或不正确的评估可能导致灾难性的碰撞。请注意，只有在检测到目标/障碍物时，才激活系统的这一部分。为了评估碰撞风险，已采用了广泛使用的最近会遇点（CPA）方法来评估在不久的将来是否存在潜在的碰撞风险（Campbell等人（2014）; Bertaska等人（2015 ）；Kuwata等人（2014））。简而言之， 此方法使用规定的参数和 比较到最接近点（TCPA）的时间和到最接近点（DCPA）的距离，其中和取决于船舶类型以及其所处的操纵环境中。如果

0 le; TCPA le; 并且 DCPA le; (1)

则视为存在碰撞风险，将其标记为“risk(k)=1”。

但是，现有的CPA方法还无法检测目标船是否确实符合COLREGs 规则。实际上，在由于目标船的违规行为导致的极端情况下，ASV应不惜一切代价避免避碰撞，这是普通航海惯例或根据COLREGs规则第2条关于责任的规定所允许的特殊情况。在对环境没有适当评估时，ASV可能会继续遵循其他COLREGs 规则，从而无法及时进行所需的规避操作。

为了正确识别违规的目标船只，引入了基于改进的CPA方法的态势感知，并带有符合/违规标志和两个附加参数：和。通常，lt; 、 lt;。当

0 le; TCPA le;和 DCPA le; (2)

时，认为存在紧急碰撞危险，将其标记为“risk(k)=2”。

如果同时满足（1）和（2），则可以确定发生碰撞的风险，并将风险指标升级为“risk(k)=2”。态势感知子模块用于区分符合/不符合的目标，它使用的标准基于碰撞风险历史记录。当 risk(k)= 2 且如果在前一时刻k-1处存在碰撞风险，即risk (k-1)= 1时，将当前时刻表示为k，然后将目标船的标志设置为违规。否则，默认情况下，所有目标船都被视为符合COLREGs。根据这种情况，需要机动但未按照COLREGs采取适当行动的目标船由于会造成紧迫危险（risk(k)= 2），均被分类为违规船。这激活了ASV的违规行为，并生成了替代规避路径。

算法1中给出了态势感知和风险评估子模块的伪代码。

算法1态势感知和风险评估

1：初始化：

设置标志=合规

2：在检测到目标船时

3： 在k时刻读取ASV和目标船的AIS数据

4： 计算TCPA和DCPA

5： 如果通过方程式(1)的risk（k）=1，则

6： 返回risk(k)=1并且标志=合规

7： 否则，如果risk(k)=2通过公式(2)，则

8： 如果risk(k-1)=0则

9： 返回risk(k)=2并且标志=合规

10： 否则，如果risk（k-1）=1，则

11： 返回risk(k)=2并且标志=违规

12： 结束

13： 其他

14： 返回risk(k)=0并且标志=合规

15： 结束

16：结束

表1 遇到规则选择的决策表

风险

标志

0

1

2

合规

radic;

radic;

违规

NA

NA

times;

：无风险无适用规则，radic;：存在风险确定使用规则，

times;：风险存在于适用规则2和其他可能被忽视的规则的地方

2.2 决策与规则选择

一旦认为存在碰撞风险，则下一步是确定应适用哪种COLREGs中的会遇情况，即“对遇”、“交叉会遇”、“追越”。应当指出，COLREGs规则仅在目标船也遵守COLREGs规则时适用。例如，考虑这样一种情况，即本应追越ASV的目标船保持其航向和速度，并在即将到达ASV船尾时停下。如果ASV也按照COLREGs规则“被追越”的要求保持航向和速度，那么很快就会发生碰撞。相反，如果目标船采取了违规行为，则应取代针对“被追越”的情况的COLREGs规则，并立即采取规避措施以避免潜在的碰撞。

为了充分考虑目标船舶行为对决策过程的影响，提出了表1所示的决策方案，作为对COLREGs会遇规则选择的参考。通常，如果出现碰撞危险，应考虑采取规避措施。图1中的图表描绘了COLREGs区域，可用于确定应选择哪个特定规则。给出目标船相对于ASV的相对方位，就可以唯一确定其落在哪个扇形区域，并相应地应用COLREGs规则。

一旦确定了风险并做出了直航的决定，ASV便决定其航向；在决定让步的同时，下一步是通过生成替代航路点来规划新路径。

图1 用于COLREGs规则的COLREGs区域

图2 路径重新规划图示

2.3 路径重新规划

可以通过生成一个或一系列子航路点来规划规避轨迹。在这里，最好使用单个规避航路点，因为它计算效率高所以非常适合实时应用。图2可用于说明所建议的路径重新规划过程的基本思想，其中描述了一个简单的1-1会遇情况。最初，ASV遵循标称值从航路点A到航路点C的计划路径向东，速度为，航向角为。在位置A，ASV检测到与目标船相撞的危险，然后路径重新规划模块生成一个新的子航路点B。随后，ASV 更改其航向从到的角度并遍历新路径 直到到达子航路点B，然后返回原始最终航路点C。用t定义 ASV穿越路径段花费的时间。

对于路径重新规划，需要同时考虑几个不同的目标/目的：1）安全是首要目标，因为应该消除任何碰撞风险；2）重新规划的路径应尽可能平滑，并避免航道突然变化；3）重新规划的路径不应偏离原始路径太多。这自然使其适合于 MOP。除了上述目标外，如果有足够的海面空间，还应考虑以下限制：

bull;可接受的最小航向变化不少于 15°；

bull;除极端外，最大可接受的航向变化不大于 60°；

bull;右舷操纵优于左舷操纵；

上述所有限制不是由COLREGs规则明确规定的，而是由良好船艺和/或经济因素决定的。特别是，通常航向变化大于15°才足够大到被其他观察船发现（COLREG 规则 8(a)）。大于60°的航向改变通常效率低下，因此不建议这样做，但是在极端情况下，如果找不到无碰撞的路径，则可以在必要时放宽这种约束。

另一方面，第2.2小节中选择的COLREGs规则也对ASV航向的改变施加了限制，例如“操右舷”。使用COLREGs的困难在于规则中没有提供严格的约束，并且每位水手都可能以不同的方式解释规则，从而导致失误，在最坏的情况下甚至导致碰撞。这种规则的自动化带来了巨大的挑战，尤其是在无人船上。为了克服这种困难，将约束表示为数学不等式，可以很容易地将其包含在优化框架中，如下所示：

明显舵角改变：

(3)

效率：

如果risk=1 (4)

操作长度：

t t (5)

一旦开始演习，ASV至少会持续最短时间t，这使得ASV的决定对其他海上用户是易于观察的和可预测的。此外，ASV不应在新路径上无限期继续，以确保与离线轨迹的最小可能偏差。这由变量确定，该变量定义了最大允许时间

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[235885]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章