第10卷第3期 智能系统学报 Vol.10 No.3 2015年6月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Jun.2015 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201405012 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20150601.0940.001.html 实时避碰的无人水面机器人在线路径规划方法 冷静2，刘健，徐红丽1 (1.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016：2.中国科学院大学，北京100049) 摘要：针对动态环境下，无人水面机器人(USV)必须遵守国际海上避碰规则公约且实时在线路径规划的雄题，提出一 种无人水面机器人在动态环境下进行在线路径规划的方法。此方法将国际海上避碰规则公约融入速度避障法，将速度 避障法中的相对速度线性化，使其能作为约束融人混合整数线性规划器。同时将USV的本体动力学约束与环境约束 结合，采用多目标函数作为优化函数，根据任务的要求选择距离优化函数、速度优化函数和遵守COLREGs目标函数等 多个优化目标函数。最后，通过对USV在2种会遇情况规划路径的仿真实验分析，验证了此规划算法的有效性。 关键词：无人水面机器人；在线路径规划：速度避障法：国际海上避碰规则公约：混合整数线性规划：动态环境 中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：1673-4785(2015)03-0343-06 中文引用格式：冷静，刘健，徐红丽.实时避碰的无人水面机器人在线路径规划方法[J].智能系统学报，2015,10(3)：343-348。 英文引用格式：LENGJing,LIU Jiang,XU Hongli..Online path planning of an unmanned surface vehicle for real-time collision a- voidance[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2015,10(3):343-348. Online path planning of an unmanned surface vehicle for real-time collision avoidance LENG Jing'2,LIU Jiang',XU Hongli' (1.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China) Abstract:A new method of online path planning is proposed in order to solve the problem of online real-time path planning of the unmanned surface vehicle(USV)in a dynamic environment by complying with the Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs).This method merges the International Regulations for Preventing Collisions at Sea with velocity obstacle (VO)to linearize relative speed of VO and to make VO merge with the mixed-integer linear programming (MILP)as a set of velocity constraints.The USV body dynamics constraints and environmental constraints are combined using multi-objective function as the optimization function and choosing distance,speed and abeyance COLREGS as target functions.Finally,the simulation for the path planning in the two situations of encounter is analyzed and the results show the effectiveness of this planning algorithm. Keywords:unmanned surface vehicle (USV);online path planning;velocity obstacle;Convention on the Interna- tional Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs);mixed-integer linear programming MILP);dy- namic environment 无人水面机器人(unmanned surface vehicle, USV)在海上航行时需要具备自主规避障碍的能力， 在线路径规划提供了一种远程障碍规避的手段。在 收稿日期：2014-05-06.网络出版日期：2015-06-01. 线路径规划是指基于雷达获得的船舶、岛屿等障碍 基金项目：中国科学院重点部署项目子课题(KGFZD-125-014) 通信作者：冷静.E-mail:jingleng77@163.com. 信息，实时规划自身的速度和航向以产生避开障碍、第 １０ 卷第 ３ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０ №．３ ２０１５ 年 ６ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｊｕｎ． ２０１５ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１４０５０１２ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ｔｐ．２０１５０６０１．０９４０．００１．ｈｔｍｌ 实时避碰的无人水面机器人在线路径规划方法 冷静１，２ ，刘健１ ，徐红丽１ （１．中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 １１００１６；２．中国科学院大学，北京 １０００４９） 摘 要：针对动态环境下，无人水面机器人（ＵＳＶ）必须遵守国际海上避碰规则公约且实时在线路径规划的难题，提出一 种无人水面机器人在动态环境下进行在线路径规划的方法。 此方法将国际海上避碰规则公约融入速度避障法，将速度 避障法中的相对速度线性化，使其能作为约束融入混合整数线性规划器。 同时将 ＵＳＶ 的本体动力学约束与环境约束 结合，采用多目标函数作为优化函数，根据任务的要求选择距离优化函数、速度优化函数和遵守 ＣＯＬＲＥＧｓ 目标函数等 多个优化目标函数。 最后，通过对 ＵＳＶ 在 ２ 种会遇情况规划路径的仿真实验分析，验证了此规划算法的有效性。 关键词：无人水面机器人；在线路径规划；速度避障法；国际海上避碰规则公约；混合整数线性规划；动态环境 中图分类号：ＴＰ２４２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１５）０３⁃０３４３⁃０６ 中文引用格式：冷静，刘健，徐红丽． 实时避碰的无人水面机器人在线路径规划方法［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１５， １０（３）： ３４３⁃３４８． 英文引用格式：ＬＥＮＧ Ｊｉｎｇ， ＬＩＵ Ｊｉａｎｇ， ＸＵ Ｈｏｎｇｌｉ． Ｏｎｌｉｎｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｏｒ ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａ⁃ ｖｏｉｄａｎｃｅ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１５， １０（３）： ３４３⁃３４８． Ｏｎｌｉｎｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ａｎ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｏｒ ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ＬＥＮＧ Ｊｉｎｇ １，２ ， ＬＩＵ Ｊｉａｎｇ １ ， ＸＵ Ｈｏｎｇｌｉ １ （１． Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｏｎｌｉｎｅ ｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ （ＵＳＶ） ｉｎ ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｂｙ ｃｏｍｐｌｙｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ａｔ Ｓｅａ （ＣＯＬＲＥＧｓ）． Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｍｅｒｇｅｓ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ａｔ Ｓｅａ ｗｉｔｈ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｂｓｔａｃｌｅ （ＶＯ） ｔｏ ｌｉｎｅａｒｉｚｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ＶＯ ａｎｄ ｔｏ ｍａｋｅ ＶＯ ｍｅｒｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｉｘｅｄ⁃ｉｎｔｅｇｅｒ ｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ （ＭＩＬＰ） ａｓ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ． Ｔｈｅ ＵＳＶ ｂｏｄｙ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ⁃ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｓ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈｏｏｓｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ， ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ａｂｅｙａｎｃｅ ＣＯＬＲＥＧＳ ａｓ ｔａｒｇｅｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ （ＵＳＶ）； ｏｎｌｉｎｅ ｐａｔｈ ｐｌａｎｎｉｎｇ； ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｂｓｔａｃｌｅ； Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａ⁃ ｔｉｏｎａｌ Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇ Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎｓ ａｔ Ｓｅａ （ＣＯＬＲＥＧｓ）； ｍｉｘｅｄ⁃ｉｎｔｅｇｅｒ ｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ （ＭＩＬＰ）； ｄｙ⁃ ｎａｍｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ 收稿日期：２０１４⁃０５⁃０６． 网络出版日期：２０１５⁃０６⁃０１． 基金项目：中国科学院重点部署项目子课题（ＫＧＦＺＤ⁃１２５⁃０１４）． 通信作者：冷静． Ｅ⁃ｍａｉｌ： ｊｉｎｇｌｅｎｇ７７＠ １６３．ｃｏｍ． 无人水面机器人 （ ｕｎｍａｎｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｖｅｈｉｃｌｅ， ＵＳＶ）在海上航行时需要具备自主规避障碍的能力， 在线路径规划提供了一种远程障碍规避的手段。 在 线路径规划是指基于雷达获得的船舶、岛屿等障碍 信息，实时规划自身的速度和航向以产生避开障碍