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基于COLREGs的无人艇航行安全领域及避碰决策支持研究
| 论文题名： | 基于COLREGs的无人艇航行安全领域及避碰决策支持研究 |
| 关键词： | 水面无人艇;智能航行系统;碰撞风险指数;避碰决策支持;航行安全 |
| 摘要： | 近年来，随着智能技术和机器人技术的高速发展，众多高新海洋装备相继涌现。其中，水面无人艇是能够在海洋、河流等环境中自主完成任务的平台，是无人驾驶技术在水面环境中应用的最主要体现。无人艇活动的安全性是其应用中的首要问题，保障无人艇航行安全的一个有效方法是在其周围保持一个合理的航行安全领域以降低会遇过程中的碰撞风险。然而当前专门针对无人艇航行安全领域的研究较少，大多简化或套用有人船模型。因此，本文提出了一种适用于水面无人艇的航行安全领域并基于该模型进行避碰决策支持研究。 首先，本文通过改进四元数船舶领域得到了基础航行安全领域模型。该模型能够根据无人艇的尺度参数、操纵性参数和会遇参数等计算出航行中需要保持的安全空间的大小。考虑到无人艇航行过程中会遇态势的多变性及环境的复杂性，本文在国际海上避碰规则中给出的对遇、交叉相遇和追越态势的基础上增加了被追越的会遇态势。以Do lp hin-I无人艇为研究对象，通过实船实验获取了相关参数并验证了模型的合理性。 然后，本文利用粗糙集算法提取了影响无人艇航行安全的主要因素，并给出了各因素对安全领域尺度的扩展函数用于建立动态航行安全领域。该模型综合考虑了航行中环境因素的影响，能根据环境的变化提供动态的安全领域。以上述无人艇为仿真对象，将动态航行安全领域应用于不同工况，并与有人船的船舶领域模型进行了比较。仿真结果表明，动态航行安全领域可以根据航行工况的变化自动修正领域尺度。与Fujii模型和Coldwell模型等有人船的船舶领域模型相比，动态航行安全领域可以为无人艇的避碰行动提供更加合理的安全空间。 最后，为了提高无人艇避碰决策的准确性，本文提出了基于航行安全领域和碰撞风险指数的会遇风险计算模型。该模型能够准确计算出会遇过程中任意方位的碰撞风险值和所处的碰撞阶段，为无人艇的避碰决策提供支持。通过各类场景下的试验证实了会遇风险计算模型的可靠性。同时针对通过本方法判断得到的各碰撞阶段，总结了在每种情况下应遵循的国际海上避碰规则的具体条款，用于无人艇智能航行系统的后续设计。 本文提出的航行安全领域和避碰决策支持模型为无人艇智能航行系统的开发奠定了前期基础，对未来实现无人艇自主航行具有一定的推动作用。 |
| 作者： | 周健 |
| 专业： | 海洋技术 |
| 导师： | 张安民;高邈 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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