基于避碰规则自动驾驶船舶路径优化的研究进展

在人工智能与大数据背景下,自动驾驶船舶因其安全、高效的优势吸引了国内外学者的广泛关注.但其避碰相关法律条例与避碰路径规划发展并不均衡.自动驾驶船舶概念在规范条例中仍十分模糊,传统的路径优化与算法存在一定的偏差,只局限于全局规划或局部规划无法有效的保障船舶行驶安全性.基于避碰规则梳理了自动驾驶船舶的相关规范,分析了最新的...     

基于POA和COLREGS的无人艇路径重规划方法

避碰能力是无人艇(USVs)自主技术的核心体现.为了提高无人艇高速避碰过程的稳定性和安全性,在全局路径规划层和实时避碰层之间增加路径重规划层,实时调整航路对远距离障碍物进行提前规避.针对障碍信息不确定条件下的无人艇高速避碰问题,提出了基于障碍投影区(POA)和国际海上避碰规则(COLREGS)的路径重规划方法,解决障碍信息不确定性问题的同时兼顾航行规则约束.在POA区域2侧同时搜索安全可达路径,结合前次路径重规划结果,提出定量评价函数选择最优路径,保证无人艇航行稳定性.在仿真平台下,对比避碰策略变化次数和避碰安全距离2项指标,3层避碰框架(2.632次,162.3 m)明显优于2层避碰框架(7.239次,35.8 m).在实艇高速避碰实验中,设计对遇、交叉、超越等典型会遇场景,每种场景下避碰策略变化次数均控制在5次以内,避碰安全距离保证在100 m以上.实验结果表明,基于POA和COLREGS的路径重规划方法能够兼顾安全性和稳定性.      

本期导读

由于水上航运密度越来越大、航道越来越复杂,船舶避碰的智能化研究逐渐受到了水上交通安全研究领域的重点关注,对航运安全具有重要意义。在分析总结国内外基于专家系统、模糊控制、神经网络,以及人工势场这4种重要的智能避碰系统研究成果的基础上,从避碰模型和避碰信息2个方面探讨了船舶智能避碰面临的关键问题,阐述了动态描述的避碰模型和基于权重的避碰信息划分方式。对船舶智能避碰系统的发展趋势进行了展望,分析了立体化船舶领域和避碰模型在线辨识等研究趋势。      

基于模型预测控制的智能车辆主动避撞控制研究

针对自主驾驶车辆的转向避撞问题,提出了一种分层避撞控制方法。上层路径规划控制器基于车辆运动学模型,引入人工势场函数,采用障碍物与车辆的相对状态描述车辆碰撞风险。基于模型预测控制理论,构建优化目标函数,规划最优避撞路线,并采用五次多项式拟合局部避撞路径。对于下层路径跟踪控制器,则建立车辆非线性动力学模型,构建基于最优转向盘转角输入的路径跟踪优化函数,实现局部避撞路径跟踪。最后搭建了Carsim/Matlab联合仿真平台,对被控车辆在不同路面、不同车速情况下的避障路径规划和跟踪效果进行了仿真。结果表明:上层控制器能根据障碍物信息实时规划局部避撞路径,下层控制器能控制车辆平滑、稳定地跟踪参考路径,从而实现车辆的主动避撞功能。     

基于双延迟深度确定性策略梯度的船舶自主避碰方法

为满足智能船舶自主航行的发展需求,解决基于强化学习的船舶避碰决策方法存在的学习效率低、泛化能力弱以及复杂会遇场景下鲁棒性差等问题,针对船舶避碰决策信息的高维性和动作的连续性等特点,考虑决策的合理性和实时性,研究了基于双延迟深度确定性策略梯度（TD3）的船舶自主避碰方法。根据船舶间相对运动信息与碰撞危险信息,从全局角度构建具有连续多时刻目标船信息的状态空间;依据船舶操纵性设计连续决策动作空间;综合考虑目标导向、航向保持、碰撞危险、《1972年国际海上避碰规则》（COLREGs）和良好船艺等因素,设计船舶运动的奖励函数;基于TD3算法,根据状态空间结构,结合长短期记忆（LSTM）网络和一维卷积网络,利用Actor-Critic结构设计船舶自主避碰网络模型,利用双价值网络学习、目标策略平滑以及策略网络延迟更新等方式稳定网络训练,利用跳帧以及批量大小和迭代更新次数动态增大等方式加速网络训练;为解决模型泛化能力弱的问题,提出基于TD3的船舶随机会遇场景训练流程,实现自主避碰模型应用的多场景迁移。运用训练得到的船舶自主避碰模型进行仿真验证,并与改进人工势场（APF）算法进行比较,结果表明:所提方法学习效率高,收敛快速平稳;训练得到的自主避碰模型在2船和多船会遇场景下均能使船舶在安全距离上驶过,并且在复杂会遇场景中比改进APF算法避碰成功率高,避让2~4艘目标船时成功率高达99.233%,5~7艘目标船时成功率97.600%,8~10艘目标船时成功率94.166%;所提方法能有效应对来船的不协调行动,避碰实时性高,决策安全合理,航向变化快速平稳、震荡少、避碰路径光滑,比改进APF方法性能更强。      

自动驾驶汽车测绘管理政策法规问题及优化建议

正自动驾驶汽车通过"环境感知+高精度定位+高精度地图"技术耦合实现路径规划的行为涉及测绘,需要符合我国测绘领域相关政策法规的要求。我国对测绘行为采取严格的管理模式,部分规定会限制测绘技术在自动驾驶汽车上的应用。本文梳理了自动驾驶汽车测绘领域的政策法规现状、存在的问题,并结合产业发展实际,提出了相应的优化建议。     

基于电子海图矢量数据建模的无人船路径规划

栅格地图在自主船路径规划领域应用广泛.为解决栅格地图在表示多种类型障碍物共存的复杂环境时所存在精度不高及路径可靠性不足的问题,提出一种基于电子海图矢量数据——点、线、面要素建立精确环境势场的方法,可用于描述不同类型障碍物及狭窄水域.在此基础上,改进了基于静态环境势场及动态环境引力和斥力的混合路径规划算法,并结合M ariner典型船型及比例微分控制,进行了多船多障碍动态环境和狭窄水域静态环境的仿真测试.试验结果表明,该算法实现了《国际海上避碰规则》约束下的船舶实时自主避碰,并兼顾多种形状和类型的障碍物.建模方法简单实用,具有与电子海图显示与信息系统相结合的潜力.      

智能汽车极限工况下联合制动与转向的自动紧急避撞研究

为提高智能汽车极限工况下的自动紧急避撞能力,提出了一种联合制动与转向的综合控制方法。首先,建立了包含转向、制动和悬架子系统耦合特性的18自由度统一动力学模型,并对其进行了水平路面上的转向制动仿真。接着,提出了联合制动与转向的自动紧急避撞系统总体框架,其中路径规划选用五次多项式规划算法,纵向采用滑模跟踪控制,侧向采用基于2自由度参考模型的最优四轮转向跟踪控制。最后,参考乘用车双移线极限工况测试国际标准,构建自动紧急避撞驾驶场景,对上述模型在不同车速下的自动紧急转向避撞和联合制动与转向避撞进行了对比仿真。结果表明:当车速较高时,车辆实际轨迹与理想跟踪轨迹存在一定滞后,极限工况下仅通过转向操作难以成功避撞;而联合制动与转向的避撞控制系统可进一步提高车辆极限工况下的自动紧急避撞能力,最大通过车速可由50提高至60 km/h。     

基于最优控制的静水面多船避碰控制研究

多船避碰在船舶的导航与控制领域是一个非常困难的问题,传统的几何避碰方法较难处理这类问题。文中采用最优控制方法,从船舶的运动方程出发,由避碰的实现过程设计目标函数,采用广义梯度方法求解。仿真实验结果显示,在静水面情况下,该方法能得到较好的避碰效果。     

自动驾驶汽车自动紧急避撞测试与评价方法研究

自动驾驶汽车的测试与评价方法对于自动驾驶汽车的快速发展具有重要作用。安全是自动驾驶汽车发展的首要前提,自动紧急避撞是保障自动驾驶汽车行驶安全的重要功能。文章首先分析了自动紧急避撞功能的典型测试场景;其次,基于典型测试场景,研究了自动紧急避撞功能的测试与评价方法;最后,根据提出的测试与评价方法对自动驾驶汽车自动紧急避撞功能进行了实际的案例分析。     

船舶导航与海洋运输安全的发展动态与展望——TansNav 2017国际会议综述

船舶安全、智能、高效航行一直是船舶行业各领域不断追求的目标,第12届船舶导航与海洋运输安全会议 (12th International Conference on Marine Navigation and Safety of Sea Transportation)的召开致力于推动船舶航行安全化、智能化和高效化的发展进程.通过对该国际会议的大会报告内容及会议论文的信息统计与分析,从船舶航行优化的角度出发,探讨了该领域的研究热点问题,包括船舶避碰、船舶领域、人因可靠性、智能船舶和能效优化等,并阐述了相关理论及技术在船舶航行优化方面的应用情况.最后,论述了船舶航行安全、智能化和能效优化等方面存在的挑战,并指出了航行安全管理与决策系统研制、航行脑系统的开发、智能能效管理与基于大数据的船队能效优化等研究将是未来船舶航行优化的主要研究方向.      

健全我国内河干、支流交汇水域船舶航行会让避碰法律制度研究

1992年实施的《中华人民共和国内河避碰规则》（以下简称《91内规》）关于船舶在干、支流交汇水域航行、会让和避碰方面的规定，虽然比1979年《内河避碰规则》有较大的进步和完善，但由于全国内河干、支流航道纵横交织的地方特殊性和全国性法律的原则性及统一性，由一部统一的《91内规》去明确具体地规范全国各处的干、支流次汇水域船舶航行避让关系，也是不客观和不现实的。经过对《91内规》10年的适用实践，笔者认为现在很有必要对内河“干、支流交汇水域”的规定加以补充，使其进一步完善，规范船舶的航行和避让运行，避免或减少船舶在该水域发生水上交通事故。     

船舶智能避碰策略测试方法与指标研究

智能避碰策略是实现智能航行的关键技术,其设计缺陷会导致巨大的安全风险、环境风险及经济损失.为获取对智能避碰策略系统有效的测试评价方法,研究并得出测试评价指标体系,以在开阔水域的2艘船舶为研究对象,基于《国际海上避碰规则》研究并量化船船之间的典型关系、行动准则等关键概念,通过解算船舶态势关系得出影响船舶避碰行为的要素,并进行仿真验证.进而以此为基础分析对智能避碰策略可行的测试评价方法,得出构建系统化、量化及典型化测试场景的原则及方法,依托典型测试场景提出测评指标体系的构建原则,为研究构建多船在开阔水域智能避碰测评方法和测评指标体系提供基础.      

基于C/S模式的“船舶避碰行为调查”系统设计

海上避碰实践很大程度上受到人的决策行为的影响,在传统船舶避碰行为调查方法的基础上,基于VC＋＋软件平台,采用C/S网络模式,结合虚拟现实技术开发了避碰行为调查系统。与传统发送纸质问卷的调查方法相比,该系统提高了调查的时效性和准确性。     

海事安全研究发展动态 ——第13届船舶导航与海上运输安全国际会议综述

海事安全是水上交通运输中重要的研究方向之一.第13届船舶导航与海上运输安全国际会议(TransNav 2019)在波兰格丁尼亚召开,会议的主要目标是寻找海上航行、船舶导航、物流与能源、基础设施、海洋环境、航海保障以及航海经济方面的主要问题和解决方案.以海事安全为主题,对此次会议的200篇论文进行梳理,从船舶航行安全、应急安全保障和防治船舶污染3个方面探讨当前海事安全研究的热点问题.在船舶航行安全方面,从水上交通风险评估、人为因素、船舶避碰和自主船舶航行安全4个角度详细论述了该领域的研究动态.并从水上交通风险评估、船舶避碰风险量化、多船会遇局面避碰算法和自主船舶风险评估等角度分析未来热点研究方向,对未来的研究重点提出建议.      

自动驾驶车辆的平行泊车轨迹规划

根据对自动驾驶车辆的平行泊车场景的分析,提出一种基于采样的自动驾驶车辆平行泊车轨迹规划方法.该方法把自动驾驶车辆平行泊车的轨迹规划解耦成路径规划和速度规划.通过对泊车起始点区域采样,生成一系列曲率连续、满足路径约束的泊车路径曲线,利用多目标评价函数选取最优的泊车路径.然后,在最优泊车路径基础上,通过对时间采样选取时间最...     

基于自动驾驶的车辆安全技术应用探讨

中国大量的道路基建工程建设充当着城市化发展的重要指标之一,然而交通基建并不能时刻满足日益增长的交通需求,随之而来的交通事故推动着车辆自身的安全及预警技术的研发,而该技术正是自动驾驶技术的基础。自动驾驶通过感知（传感器与创建环境地图）、规划（寻找与优化路径）与执行（ECU驱动车辆自动驾驶和安全功能）三个层面来实现,车辆自身的安全技术可被归纳为被动安全技术、防碰撞预警技术、主动安全技术和主动式无人驾驶技术,因此自动驾驶也是实现车辆安全技术的最高等级,然而即使是当下已商用的自动驾驶系统也不能完全保障交通安全,不成熟的避让算法、机器识别效率或处理系统高负载运行崩溃将更容易触发致命事故。自动驾驶的发展具有明朗的前景,但需要与智慧道路形成更高层次的环境感知水平,从而真正的推动人、车、路交通三要素有机结合,在更完善的交通感知环境中全方位保障三者在交通参与过程中的安全,助力车辆自动驾驶技术实现相应的社会价值。     

试论船舶倒车与避让

船舶动态的控制是由操纵系统来完成的.尤其是船舶在海上航行中的避碰,全部是由车、舵的协同达到避让的目的.<国际海上避碰规则>规定:如须避免碰撞或须留更多时间来估计局面,船舶应当减速或停车或倒转推进器把船停住.     

基于高斯伪谱法的自动驾驶车辆状态研究

针对自动驾驶车辆的多阶段多约束轨迹优化问题,根据高斯伪谱法的思路,建立了基于场景的环境模型和车辆动力学模型,设置了车辆动力学约束、速度约束等各种状态约束,包括自动驾驶在每一阶段的起始状态和终了状态等参数的约束条件。采用高斯伪谱法通过将控制变量和状态变量进行离散化来获得其近似表达式,从而将自动驾驶的轨迹规划问题转化成性能指标的优化问题,最终求得了自动驾驶车辆的安全、有效的路径轨迹。研究结果表明:高斯伪谱法具有计算精度高、求解速度快的特点,能在考虑各种约束条件下,实现多阶段轨迹优化。     

自动驾驶汽车路径跟踪控制发展综述

路径算法的研究目的是为了保证自动驾驶汽车能够精确跟踪由决策与规划层给出的参考路径,并确保路径跟踪过程中车辆的行驶稳定性和乘坐安全性。近年来,路径跟踪控制算法的研究成果丰硕,许多学者对现有算法进行优化、创新,诞生了包括系统模型、控制理论、有无前馈信息、行驶工况方面的多种路径跟踪控制算法。通过综述路径跟踪控制算法准确性和行驶稳定性的研究现状,分析2者之间的耦合关系,梳理路径跟踪控制研究历程中各种新旧算法迭代,提出兼顾准确性和行驶稳定性的控制策略,总结自动驾驶汽车路径跟踪控制未来发展趋势。