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龙图腾网获悉北京理工大学;中国船舶集团有限公司系统工程研究院申请的专利一种基于三阶段避障策略的无人船局部路径规划方法获国家发明授权专利权，本发明授权专利权由国家知识产权局授予，授权公告号为：CN115407780B 。

龙图腾网通过国家知识产权局官网在2025-10-21发布的发明授权授权公告中获悉：该发明授权的专利申请号/专利号为：202211080634.3，技术领域涉及：G05D1/43；该发明授权一种基于三阶段避障策略的无人船局部路径规划方法是由姚小兰;王沛琦;王博;费庆;李强设计研发完成，并于2022-09-05向国家知识产权局提交的专利申请。

本一种基于三阶段避障策略的无人船局部路径规划方法在说明书摘要公布了：本发明公开的一种基于三阶段避障策略的无人船局部路径规划方法，属于无人船路径规划技术领域。阶段0采用动态避障操纵范围和动态目标点，解决动态窗口法的固有问题；且在动态目标点的选择过程中引入环境的影响，降低无人船在静态避障过程的能耗。阶段1结合速度障碍法和《国际海上避碰规则》，采用速度障碍限制，降低无人船在避障过程中的碰撞风险和避障难度。阶段2结合速度障碍法和《国际海上避碰规则》，采用左舷限制和右舷评分机制，实现无人船基于《国际海上避碰规则》的避障。同时，通过基于碰撞风险值的双阈值方法，有效减小阶段1和阶段2的避障策略切换过程中的抖动问题。本发明适用于海上运输等领域，提高无人船避障过程的安全性。

本发明授权一种基于三阶段避障策略的无人船局部路径规划方法在权利要求书中公布了：1.一种基于三阶段避障策略的无人船局部路径规划方法，其特征在于：包括如下步骤， 步骤一：简化无人船运动学模型为三自由度； 步骤一的实现方法为， 其中，[uvr]T为无人船在载体坐标系的速度，为无人船在北-东坐标系的位置，Jη为两坐标系的转换矩阵； 步骤二：根据感知到的静态障碍物构建栅格化地图，根据海上风、浪、流信息作用于无人船的干扰力得到环境矢量场； 步骤二的实现方法为， 在MATLAB中构建大小为40*31且带有静态障碍物的栅格地图，并假设该区域均位于无人船的感知范围内；根据国际海洋数据中心获取海上气象数据，处理数据后计算风、浪、流信息对无人船的干扰力，综合三种干扰力建立环境矢量场； 无人船在水面行驶时，海风作用于无人船三个自由度方向的干扰力分别为Xwind，Ywind和Nwind，计算公式如下， 其中，ρa为空气密度，Af和As分别为无人船水线以上的正投影区域和横向投影区域，Loa无人船的最大长度，UR为相对平均风速，αR为风舷角，CWXαR，CWYαR和CWNαR为风压系数，根据Isherwood公式计算； 无人船在水面行驶时，分析二阶波浪力对无人船运动的影响，海浪作用于无人船三个自由度方向的干扰力分别为Xwave，Ywave和Nwave，计算公式如下， 其中，ρ为海水密度，L为无人船船长，awave为平均波浪幅值，λ为对应波浪的波长，χ为无人船遭遇角，CDXλ、CDYλ、CDNλ为波浪漂移力和力矩系数，可由下式计算 其中，L为无人船船长，λ为对应波浪的波长； 海流会造成无人船的绕轴力矩Nc，使得无人船的位置及速度发生变化，计算公式如下， 其中，Vc为洋流流速，Ls为无人船水线长度，β为漂角，CNcβ为绕oz轴的流作用力系数；考虑到洋流随时间变化缓慢，可认为在一定时间内流速恒定； 对海上风、浪、流作用于无人船的干扰力进行加权计算，得到环境矢量场的大小，计算过程中只考虑海平面方向的干扰力，计算公式如下， 其中，uenv为环境矢量场在正北方向的大小，venv为环境矢量场在正东方向的大小；ucur，uwind和uwave分别为洋流、海风和海浪作用于无人船的干扰力在正北方向的分力大小；vcur，vwind和vwave分别为洋流、海风和海浪作用于无人船的干扰力在正东方向的分力大小； 步骤三：使用模糊综合评价法计算动态船舶的碰撞风险值； 步骤四：定义三阶段避障策略中三个阶段分别的对应范围和决定条件，无人船根据对应范围和决定条件选择对应阶段的避障策略； 步骤四的实现方法为， 步骤4.1：定义三阶段避障策略中三个阶段分别的对应范围； 无人船艏向方向分别定义三个半径为R、2R、4R的相对于无人船艏向方向对称的半圆形区域，该区域用于判断动态船舶和无人船之间的距离方位情况，其中R的大小受到无人船自身运动特性和动态避障操纵域的约束，以4R为半径的半圆形区域应该位于无人船感知范围内，即Rperception＞4R，Rperception表示无人船的感知范围的最大半径大小；阶段0的对应范围：动态船舶位于无人船艏向方向的半径为4R的半圆形区域外；阶段1的对应范围：动态船舶位于无人船艏向方向的半径为2R和4R的半圆环区域内；阶段2的对应范围：动态船舶位于无人船艏向方向的半径为2R的半圆形区域内； 步骤4.2：定义三阶段避障策略中三个阶段分别的决定条件； 当无人船感知范围内无动态船舶时，无人船始终采用阶段0的避障策略；当无人船感知范围内存在动态船舶时，若动态船舶位于阶段0的对应范围内，则采用阶段0的避障策略；若动态船舶位于阶段1的对应范围内，则采用阶段1的避障策略；若动态船舶位于阶段2的对应范围内，需根据动态船舶的碰撞风险值选择避障策略：若碰撞风险值高于风险高阈值，则采用阶段2的避障策略，碰撞风险值在避障过程中逐渐降低，直到碰撞风险值低于风险度低阈值，则采用阶段1的避障策略； 步骤4.3：由于在阶段2的对应范围内存在阶段1和阶段2的避障策略的切换问题，结合碰撞风险值在阶段1和阶段2的避障策略之间的切换条件中采用双阈值方法，公式如下， 其中，Stage表示阶段编号，Flagstage2表示当前是否采用阶段2的避障策略，值为1则表示采用阶段2的避障策略，值为0表示当前未采用阶段2的避障策略；当动态船舶位于阶段2的对应范围内，若碰撞风险值始终低于风险低阈值CRIlow，则采用阶段1的避障策略；若碰撞风险值高于风险高阈值CRIhigh，则采用阶段2的避障策略，直到碰撞风险值低于风险低阈值，再切换到阶段1的避障策略； 步骤五：规定无人船和动态船舶处于对遇、右交叉、左交叉局面时，均主动转向右舷进行避让；无人船和动态船舶处于追遇局面时，无人船作为后方船从左舷或右舷超越动态船舶，使无人船的避障行为符合《国际海上避碰规则》； 步骤六：通过动态避障操纵域和动态目标点改进动态窗口法，实现无人船的感知范围内，只有静态障碍物或无障碍物的情况下的避碰，即阶段0的避碰； 步骤六的实现方法为， 步骤6.1：确定动态窗口法相关参数，包括动态速度窗口的固定时间Δt和评价函数的计算权值αd、βd和γd； 步骤6.2：设定无人船的动态避障操纵域； 动态避障操纵域为包围无人船的一个椭圆区域，无人船位于椭圆区域偏后方的焦点处，椭圆长轴和无人船的艏向方向一致；当无人船的速度增大时，动态避障操纵域的范围增大，反之其范围减小；动态避障操纵域的椭圆参数计算公式如下， 其中，a和b分别为椭圆的长轴和短轴，Rmin表示最小长轴值，Rself和Robs分别表示无人船和障碍物的膨化半径，Rstop表示当前速度对应的最小制动距离，同时要求R对应范围大于椭圆区域的最大范围；umax为无人船的最大速度，ut为无人船的当前速度； 步骤6.3：定义动态目标点的候选点集、候选点约束和评价函数，将动态目标点作为动态窗口法中的目标点； 在无人船艏向方向以无人船为圆心得到半径为R的半圆弧形，候选点集即位于该半圆弧形的一系列点；候选点约束在阶段0的避障策略中主要为障碍物限制；在选择动态目标点前，首先排除无人船到候选点的方向上一定宽度的范围内存在障碍物的候选点，即障碍物约束；计算评价函数，其最大值所对应的候选点则为动态目标点；动态目标点的评价函数G0的计算公式如下， G0＝[distob,distgoal,gw]·ω0T18 其中，ω0为计算权重；distob表示候选点距离静态障碍物的最小距离；distgoal和候选点与目标点之间的距离呈负相关；gw表示无人船沿着候选点直线方向行驶固定距离Δx时环境矢量场对无人船做功大小； distgoal和gw的计算公式如下， gw＝gval·Δx·cosθcg20 其中，xc,yc，xgoal,ygoal和x0，y0分别表示候选点、目标点和无人船的位置坐标，gval表示环境矢量场的大小，θcg表示无人船航向和当前环境矢量方向的夹角； 步骤6.4：动态目标点的动态选择和评价函数的动态变化； 通过动态目标点改进后的动态窗口法存在目标不可达的问题，为解决该问题，在真实目标点进入动态避障操纵域内时，将真实目标点作为动态目标点；同时，调整当前动态窗口法的评价函数的权值参数，增大目标距离项的对应权值，减小速度项和障碍物项的对应权值； 步骤七：基于改进后的动态窗口法，阶段1的避障策略中引入新的候选点约束，即基于速度障碍的VO限制；且优先选择符合《国际海上避碰规则》的避碰行为，此优先性由预先定义的右舷候选点的阈值决定；同时实现静态障碍物和动态船舶的避碰； 步骤七的实现方法为， 步骤7.1：阶段1的候选点约束包括障碍物限制和VO限制；障碍物限制和阶段0一致，VO限制由速度障碍法得到；根据速度障碍法的原理，首先生成动态船舶无人船之间的相对碰撞锥，以下简称RCC；当无人船相对与动态船舶的速度位于RCC内部时，则两船在未来时刻将发生碰撞；将RCC沿着障碍船舶的速度方向平移得到速度障碍区域，以下简称VO；当无人船的速度位于VO内部时表示在未来一段时间内两船会发生碰撞；以无人船的当前速度大小为半径得到一个以无人船的位置为圆心的半圆弧形，该圆弧形和VO存在两个交点，分别从无人船的位置点连接两个交点得到两条直线，若以R为半径的半圆弧形边界上的候选点位于这两条直线范围内，则为不安全的候选点，放弃这些候选点；为了保证充足的避障空间，以无人船为圆心得到半径为R的半圆弧形边界，该半圆弧形和VO得到另外两个交点，分别从无人船的位置点连接这两个交点得到另外两条直线；根据这四条直线，选择最左侧和最右侧的直线确定最终的VO限制区域，若以R为半径的半圆弧边界上的候选点位于VO限制区域内，则放弃该候选点；该VO限制区域比原始区域更大，有利于为无人船提供充足的避障操作空间； 步骤7.2：定义阶段1的动态目标点的评价函数；阶段1的避障策略要求无人船的避障行为尽量符合《国际海上避碰规则》；对于对遇、左交叉和右交叉三种会遇局势，若右舷的候选点数量大于设定阈值，则从右舷候选点选择动态目标点；若不满足阈值条件，则从无人船左舷的候选点选择动态目标点；阶段1的动态目标点的评价函数G1的计算公式如下， G1＝[distob,distgoal,gw]·ω1T21 其中，ω1表示计算权值； 步骤八：基于改进后的动态窗口法，阶段2的避障策略引入了新的候选点约束条件和评价函数项，即基于《国际海上避碰规则》的左舷限制和右舷得分机制，同时避碰静态障碍物和动态船舶，且严格遵循《国际海上避碰规则》； 步骤八的实现方法为， 步骤8.1：阶段2的候选点约束包括障碍物限制、VO限制和左舷限制；障碍物限制和阶段0一致，VO限制和阶段1一致，左舷限制根据《国际海上避碰规则》定义；无人船在阶段2的避障过程中，针对会遇、左交叉和右交叉局势均转向右舷，因此对这三种局势引入左舷限制，排除位于无人船左舷的候选点，结合障碍物限制和VO限制得到可行的候选点集； 步骤8.2：由于阶段2的主要任务是避障操作，其优先级高于无人船能耗目标，因此在评价函数中删除环境矢量场的影响，同时引入右舷得分机制；阶段2的动态目标点的评价函数G2的计算公式如下， G2＝[distob,distgoal,rightscore]·ω2T22 其中，ω2为计算权值，rightscore为所有候选点的右舷得分值，θleft和θc分别表示无人船的正左舷方向和从无人船重心指向候选点的方向在北东坐标系的角度；Flagovertaking表示无人船是否处于追越局面，值为1表示追越局面，值为0表示对遇或左交叉或右交叉局面； 步骤九：将步骤六、七、八的三阶段避障策略应用于无人船局部路径规划，提高无人船避障过程的安全性。

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