CN113012473B - 一种低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及波浪滑翔器避碰技术领域，尤其是一种低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，波浪滑翔器通过卫星和地面站通信，地面站接收波浪滑翔器回传的信息，S1：获取预设区域内船只传送至互联网的AIS信息；S2：根据船只信息与波浪滑翔器坐标，将所述船只分为安全船和存在碰撞危险的船；S3：根据存在碰撞危险的船的AIS信息，按照预设的避让操作进行避碰。该方法无需在滑翔器上安装避碰设备，降低了滑翔器的功耗，且波浪滑翔器可以在远距离对船只进行避碰。

Description

一种低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法

技术领域

本发明涉及波浪滑翔器避碰技术领域，特别涉及一种低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法。

背景技术

波浪滑翔器是一种利用波浪起伏将波浪能转换为前进动能的新型海上无人平台。波浪滑翔器需要长时间、大范围地在海洋环境里运行，需要具备一定的避碰能力来避免在航行过程中与其他航行器碰撞，但波浪滑翔器受空间、能源的限制，搭载雷达、激光等避碰设备存在一定困难。

为了解决上述问题，公开号：CN111591404A的中国专利公开了一种波浪滑翔器避碰方法。该方法包括避碰探测***，避碰探测***中有AIS接收器，遇开启AIS的航行器：波浪滑翔器的AIS接收器可在5公里范围内发现目标，并通过导航***解析出目标的位置、航向、航速等信息，导航***根据目标的航行状态判断是否有碰撞危险，若无碰撞危险按照既定路径继续航行，若有碰撞概率则重新规划路径。

对于上述发明专利，虽然使波浪滑翔器具备了一定的探测能力，但由于波浪滑翔器收发天线离海平面较近，使得AIS作用距离有限，在恶劣海况下只有几百米左右，当发现目标时会因距离过近而来不及躲避，避碰的成功率低。且对目标船只进行分析处理并做出避碰决策这一过程算法复杂，计算量大，在波浪滑翔器上实现会提高硬件成本和增加功耗。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，无需在滑翔器上安装避碰设备，降低了滑翔器的成本和功耗，且波浪滑翔器可以在远距离对船只进行避碰。

本发明提供的基础方案：

一种低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，波浪滑翔器通过卫星和地面站通信，地面站接收波浪滑翔器回传的信息，S1：获取预设区域内船只传送至互联网的AIS信息；S2：根据船只信息与波浪滑翔器坐标，将所述船只分为安全船和存在碰撞危险的船；S3：根据存在碰撞危险的船的AIS信息，按照预设的避让操作进行避碰。

本发明的原理及优点在于：利用地面站获取预设区域内船只传送至互联网的AIS信息，结合船只信息及波浪滑翔器坐标分析波浪滑翔器与船只碰撞的可能性，根据二者发生碰撞的可能性，将船只分为安全船只和存在碰撞危险的船只，根据存在碰撞危险的船的AIS信息，按照预设的避让操作进行避碰。由此可见，本技术方案直接通过互联网获得AIS信息，无需在滑翔器上安装雷达、激光探测器等避碰设备，降低了滑翔器的成本和功耗，且波浪滑翔器可以在远距离对船只进行避碰。

进一步，所述预设区域为：以波浪滑翔器为圆心，半径8至15公里内。

船只正常航行速度约为16至30公里每小时，8至15公里相当于半小时航行时间。波浪滑翔器和地面站采用卫星通信，正常情况下有数分钟的延迟。波浪滑翔器航行速度缓慢，预设区域过小将可能导致波浪滑翔器来不及避碰，预设区域过大将导致存在过多的船只，使避让操作变得复杂，还会导致波浪滑翔器执行不必要的避碰。将预设区域的半径取8至15公里，可以尽可能地减少波浪滑翔器的避让操作，同时保证避让成功。

进一步，所述船只信息包括船只的坐标、航向及航线。

获取船只的坐标、航向及航线，可以准确地计算船只接下来的航行路线，进而对船只进行避让。

进一步，所述S2包括：根据船只航向设置危险区域，所述危险区域包括船只航向左右宽度各1公里的距离范围。

一般情况下波浪滑翔器在半小时内可以航行1公里，取船只航向左右宽度各1公里的距离范围为危险区域，使波浪滑翔器位于存在危险的区域时，能够在半小时内安全驶离危险区，保证避碰成功。

进一步，波浪滑翔器位于危险区域内且波浪滑翔器位于船只航向顺时针方向(0°-90°)或(270°-360°)时，船只为存在碰撞危险的船。

波浪滑翔器在上述区域内时，表明波浪滑翔器位于危险区域内且位于船只航向的前方，船只的航行速度大于波浪滑翔器的速度，存在船只追上波浪滑翔器并发生碰撞的危险。针对存在碰撞危险的船只进行避碰，降低避让操作的复杂程度。

进一步，波浪滑翔器位于船只航向顺时针方向(90°-270°)内时，船只为安全船只。

波浪滑翔器在上述区域内时，表明波浪滑翔器在船只航向的后方，波浪滑翔器的航行速度远低于船只的航行速度，不存在波浪滑翔器追上船只并发生碰撞的危险。排除预设区域内不存在碰撞危险的船只，降低避让操作复杂程度，快速得出避让方案。

进一步，波浪滑翔器位于危险区域外且波浪滑翔器航向与危险区域无交点时，船只为安全船只。

上述船只与波浪滑翔器不存在碰撞可能性，排除预设区域内不存在碰撞危险的船只，降低避让操作复杂程度，快速得出避让方案。

进一步，波浪滑翔器位于危险区域外且波浪滑翔器航向与危险区域有交点时，船只为存在碰撞危险的船。

波浪滑翔器航向与危险区域有交点时，说明波浪滑翔器在向靠近船只的方向行驶，船只为存在碰撞危险的船只，需要对该船只进行避碰。

进一步，所述S3包括：

S301：根据对船只的划分，对存在碰撞危险的船进行避碰；

S302：根据存在碰撞危险的船的运动状态，设置需要进行避让操作的范围；

S3021：船只处于航行状态时，进行避让的操作范围为危险区域；

S3022：船只处于静止状态时，进行避让操作的范围为船只的坐标点。

排除预设区域内不存在碰撞危险的船只，降低避让操作复杂程度，快速得出避让方案；根据船只的运动状态，区分船只处于航行状态和处于静止状态时不同的避让范围。

进一步，所述避让操作包括：

A)对危险区域进行避碰：

A1)当船只为存在碰撞危险的船时，根据洋流速度，计算波浪滑翔器的相对静水速度和原实际绝对速度呈顺时针方向90度、180度和270度时的新实际绝对速度；

A2)当新实际绝对速度的方向与船只航向背离时，调整艏向使波浪滑翔器实际绝对速度为新实际绝对速度；当新实际绝对速度方向与船只航向交叉时，计算交叉点位置，调整艏向使波浪滑翔器实际绝对速度使得船只到达该交叉点位置时，滑翔器所在位置与船只距离最远；

B)对船只坐标点进行避碰：

B1)计算船只到波浪滑翔器航向方向的距离，若该距离大于1-3公里，则不需要避碰；若该距离小于1-3公里，则执行B2；

B2)根据洋流速度，计算波浪滑翔器的相对静水速度和原实际绝对速度呈顺时针方向90度和270度时的新实际绝对速度；计算船只和新实际绝对速度之间的距离，选取距离最大的情况调整艏向进行避碰。

计算船只和不同航行方向下的波浪滑翔器的航向交汇点，选择船只到达交汇点时，与波浪滑翔器最远的情况调整波浪滑翔器的艏向，进而调整波浪滑翔器的实际绝对速度(波浪滑翔器在实际航行方向的速度)。

附图说明

图1为本发明实施例中低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法的流程图。

图2为本发明实施例低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法的预设区域示意图。

图3为本发明实施例低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法的危险区域示意图。

图4为本发明实施例低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法的波浪滑翔器在危险区域外时的示意图。

图5为本发明实施例低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法的波浪滑翔器航向速度合成示意图。

图6为本发明实施例低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法的船只静止时波浪滑翔器的避碰方法示意图。

图7为本发明实施例低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法的波浪滑翔器在危险区域内时的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1基本如附图1所示：

避碰步骤分为S1、S2和S3。

S1：获取预设区域内船只传送至互联网的AIS信息；

波浪滑翔器在航行时通过卫星通讯装置与卫星进行通信，地面站通过与卫星通信，实时接收波浪滑翔器回传的信息，回传的信息包括波浪滑翔器的实时位置信息，地面站根据波浪滑翔器的实时位置信息，获取互联网上其他船只传送至互联网的AIS信息，记录下波浪滑翔器半径8公里内船只信息，船只信息包括船只的坐标、航向及航线。

获取船只信息的过程如下，如图2所示，以波浪滑翔器坐标点为圆心，R为半径做圆(本实施例中，R为8公里)，该区域为预设区域，搜索预设区域内的船只。用d表示船只和波浪滑翔器的距离，d<R时，船只位于预设区域内，获取位于预设区域内的船只的坐标、航线及航向。

S2：根据船只信息与波浪滑翔器坐标，将所述船只分为安全船和存在碰撞危险的船；

当波浪滑翔器位于危险区域内且波浪滑翔器位于船只航向顺时针方向(0°-90°)或(270°-360°)时，船只为存在碰撞危险的船。波浪滑翔器位于船只航向顺时针方向(90°-270°)内时，船只为安全船只。波浪滑翔器位于危险区域外且波浪滑翔器航向与危险区域无交点时，船只为安全船只。波浪滑翔器位于危险区域外且波浪滑翔器航向与危险区域有交点时，船只为存在碰撞危险的船。

S3：根据存在碰撞危险的船的AIS信息，按照预设的避让操作进行避碰。

图5中速度Vg表示波浪滑翔器实际绝对速度，Vs表示波浪滑翔器相对静水速度，其方向为波浪滑翔器的艏向方向，Vc表示洋流速度。由于速度是矢量，所以Vg为Vs和Vc的矢量和，根据Vs和Vg的信息可以估算Vc的大小和方向。波浪滑翔器速度Vs的大小取决于海况不能人为改变，但可以通过控制波浪滑翔器水下部分的方向舵控制Vs的方向，洋流速度Vc的方向和大小都不能人为改变，因此只能通过改变Vs的方向来间接改变Vg。

船只处于航行状态时：

进行避让的操作范围为危险区域，设定船只航向方向左右宽度各M(M为1公里)的距离范围为危险区域。如图3所示，Vb为船只航向，N为波浪滑翔器到船只航向的距离。θ为船只航向Vb和波浪滑翔器航向Vg的夹角，Φ为船只航向Vb和船只与波浪滑翔器坐标之间连线的夹角，两者都以Vb为基准，范围为0°-360°，方向为顺时针方向。由于波浪滑翔器位于船只航向左侧或同一直线上(180°≤Φ≤360°)和右侧(0°＜Φ＜180°)的避碰方法相同，所以只列举左侧的情况。

当180°≤Φ≤270°时，波浪滑翔器已经被船只超越。由于波浪滑翔器速度远低于船只，不可能超越船只，此时不存在碰撞可能，不需要避碰，即该船只为安全船。当270°≤Φ＜360°时，根据波浪滑翔器是否位于危险区域内分两种情况：

1)当N≥M时(波浪滑翔器位于危险区域外)，需结合波浪滑翔器和船只的航向关系，进一步分析波浪滑翔器和船只是否存在碰撞可能：

当180°≤θ≤360°时(波浪滑翔器位于危险区域外且航向背离或平行于船只航向，即Vg和Vb不相交)，波浪滑翔器保持原航向不需要进行下一步避碰操作。

当0°≤θ≤180°时(波浪滑翔器位于危险区域外，但航向与船只航向相交，即Vg和Vb相交)，波浪滑翔器需要进行下一步避碰操作。如图4，根据Vs和Vg估算Vc，根据Vc估算Vs和原Vg方向成90°、180°、270°时的值，记为Vg1、Vg2、Vg3。当Vg1、Vg2、Vg3中有背离Vb的时，调整Vs使Vg至该方向；当Vg1、Vg2、Vg3没有背离Vb的时，分别计算Vg、Vg1、Vg2、Vg3和船只航向Vb的交汇点P、P1、P2、P3，计算船只到达交汇点P、P1、P2、P3所需的时间t、t1、t2、t3，根据时间t、t1、t2、t3计算波浪滑翔器所在位置Q、Q1、Q2、Q3(图4中假设Vg3背离Vb，没有交点P3及对应的Q3)。计算不同情况下波浪滑翔器和船只航向Vb之间的距离，即点Q、Q1、Q2、Q3到Vb的距离，选取距离最大的情况进行避碰。

2)当N＜M时(波浪滑翔器位于危险区域内，波浪滑翔器和船只存在碰撞风险)，此时无论θ大小，波浪滑翔器均需要进行下一步避碰操作。如图7，根据Vs和Vg估算Vc，根据Vc估算Vs和原Vg方向成90°、180°、270°时的值，记为Vg1、Vg2、Vg3。当Vg1、Vg2、Vg3中有背离Vb的时，调整Vs使Vg至该方向；当Vg1、Vg2、Vg3没有背离Vb的时，分别计算Vg、Vg1、Vg2、Vg3和船只航向Vb的交汇点P、P1、P2、P3，计算船只到达交汇点P、P1、P2、P3所需的时间t、t1、t2、t3，根据时间t、t1、t2、t3计算波浪滑翔器所在位置Q、Q1、Q2、Q3。如图7所示，Vg3和Vb没有交点，Q3为波浪滑翔器经过时间t3后所在位置，t3为船只到达波浪滑翔器当前位置在Vb方向上的垂足P3所需的时间。选择Q、Q1、Q2、Q3中距离Vb最远的点进行避碰。

船只处于静止状态时：

进行避让操作的范围为船只的坐标点，如图6所示，计算船只到波浪滑翔器航向方向的距离，若该距离大于1公里，则不需要避碰，若该距离小于1公里则需要进行避碰操作，根据Vs和Vg估算Vc，根据Vc估算Vs和原Vg方向成90°、270°时的值，记为Vg1、Vg2，估算船只和Vg1、Vg2之间的距离，选取距离最大的情况进行避碰。

避碰圆半径R和危险区域宽度M可以根据实际情况调整，为降低避碰概率可以将R和M设置为更大值。但是过大R和M将会导致过多的船只，使得避让操作变得复杂，也会导致执行不必要的避碰操作浪费时间和资源。过小的R和M将有可能导致波浪滑翔器来不及避碰，特别是在卫星通信和AIS信号存在延时的情况下。

实施例2基本如附图1所示：

实施例2基本原理与实施例1相同，其区别在于实施例2中R等于15公里，这么做的好处是获取更大区域内的船只信息，对更大范围内的船只进行避碰，提高避碰成功率。

实施例3基本如附图1所示：

实施例3基本原理与实施例1相同，其区别在于实施例3中对船只坐标点进行避碰时，船只到波浪滑翔器航向方向的距离大于3公里时，不进行避碰操作，小于3公里时进行避碰操作。这么做的好处是尽量远离静止船只，减少与静止状态的船只碰撞的可能性。

以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，包括：波浪滑翔器通过卫星和地面站通信，地面站接收波浪滑翔器回传的信息，其特征在于：还包括：

S1：获取预设区域内船只传送至互联网的AIS信息；

S2：根据船只信息与波浪滑翔器坐标，将所述船只分为安全船和存在碰撞危险的船；

S3：根据存在碰撞危险的船的AIS信息，按照预设的避让操作进行避碰；

所述避让操作包括：

A)对危险区域进行避碰：

A1）当船只为存在碰撞危险的船时，根据洋流速度，计算波浪滑翔器的相对静水速度和原实际绝对速度呈顺时针方向90度、180度和270度时的新实际绝对速度；

A2）当新实际绝对速度的方向与船只航向背离时，调整艏向使波浪滑翔器实际绝对速度为新实际绝对速度；当新实际绝对速度方向与船只航向交叉时，计算交叉点位置，调整艏向使波浪滑翔器实际绝对速度使得船只到达该交叉点位置时，滑翔器所在位置与船只距离最远；

B)对船只坐标点进行避碰：

B1）计算船只到波浪滑翔器航向方向的距离，若该距离大于3公里，则不需要避碰；若该距离小于3公里，则执行B2；

B2）根据洋流速度，计算波浪滑翔器的相对静水速度和原实际绝对速度呈顺时针方向90度和270度时的新实际绝对速度；计算船只和新实际绝对速度之间的距离，选取距离最大的情况调整艏向进行避碰。

2.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：所述预设区域为：以波浪滑翔器为圆心，半径8至15公里内。

3.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：所述船只信息包括船只的坐标、航向及航线。

4.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：所述S2包括：根据船只航向设置危险区域，所述危险区域包括船只航向左右宽度各1公里的距离范围内。

5.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：波浪滑翔器位于危险区域内且波浪滑翔器位于船只航向顺时针方向（0º-90º）或（270º-360º）时，船只为存在碰撞危险的船。

6.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：波浪滑翔器位于船只航向顺时针方向（90º-270º）内时，船只为安全船只。

7.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：波浪滑翔器位于危险区域外且波浪滑翔器航向与危险区域无交点时，船只为安全船只。

8.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：波浪滑翔器位于危险区域外且波浪滑翔器航向与危险区域有交点时，船只为存在碰撞危险的船。

9.根据权利要求1所述的低成本波浪滑翔器海上航行避碰方法，其特征在于：所述S3包括：

S301：根据对船只的划分，对存在碰撞危险的船进行避碰；

S302：根据存在碰撞危险的船的运动状态，设置需要进行避让操作的范围；

S3021：船只处于航行状态时，进行避让的操作范围为危险区域；

S3022：船只处于静止状态时，进行避让操作的范围为船只的坐标点。

Images