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速度障碍法和国际海上碰撞规则的安全海上自主导航
摘要—本文提出了一种自主运动计划算法，用于无人水面载具（USV）在动态，混乱的环境中安全导航。该算法不仅解决了固定和移动的危险障碍规避（HA），还适用国际海上避碰规则(COLREGS，用于碰撞规则)。例如，COLREGS规则规定了哪艘船负责给另一艘船让路，以及“待命”船的哪一舷可以机动。本文考虑了三个主要的COLREGS规则:交叉相遇、追越和对遇情况。为了使无人驾驶USV能够与其他交通船只一起安全地部署在环境中，USV的导航算法必须遵守COLREGS规则。此外，当其他船只无视他们在COLREGS规则下的责任时，USV必须退回其HA算法来防止碰撞。该方法基于速度障碍法(VO)，在速度空间中生成一个锥形的障碍物。由于VOs还指定了船舶在避障机动过程中要通过的障碍物的哪一侧，所以COLREGS以自然的方式在速度空间中进行编码。本文介绍了涉及多达四艘船的几项试验的结果，我们认为这是首次在没有明确的跨船通信的情况下进行水上自主避碰操纵演示。我们还展示了该运动规划器在目标跟踪任务中的应用，其中一个策略规划器根据高级目标命令USV路径点，而局部运动规划器确保在遍历过程中避免危险并遵从COLREGS规则。
关键词：COLREGS，无人水面载具(USV)，速度障碍法(VOs)。
- 介绍
近年来，显著的技术进步已经增加了无人水面载具(USVs)的机载能力，因此他们的预定任务场景现在通常包括与其他海上交通共享的环境[1]、[2]。因此，由于无人驾驶的无人潜航器与其他有人驾驶和无人驾驶的船舶隔得很长，它们必须能够安全地避开其他船只。在海上航行中，船舶应遵守国际海事组织(IMO)于1972年通过的《国际海上避碰规则》(简称“避碰规则”)[3]。①这些“规则”指定的动作类型应采取在有风险的情况下碰撞。当USVs在其他船舶附近作业时，其导航算法必须遵守COLREGS规则，这样USVs才能安全避开其他船舶，其他船舶的驾驶员才能依靠USVs的一系列安全避碰操作。以往人们提出了各种遵循规则的海上导航方法，如模糊逻辑[4]、[5]、进化算法[6]、神经网络、混合算法[7]、区间规划[8]和二维网格地图[9]。然而，这些以前的方法不能很好地扩展到多个交通船和多个COLREGS规则，特别是在具有实时计算需求的机器人平台上。此外，文献中引用的大多数结果都局限于理想仿真，USV运动、计算和通信延迟的不确定性以及感知系统中的噪声都不存在。
速度障碍法(VO)已经被一些研究人员采用，以避免移动危险。自1998年首次提出机器人运动规划[10]以来，已经对VO进行了若干扩展，包括碰撞避免[11]的协作形式、概率速度障碍[12]、[13]和人群模拟[14]。VO算法在速度空间中产生一个锥形的障碍物(因此命名为velocity obstacle)，只要模拟船的速度向量在VO之外，就不会发生碰撞。为了识别未来碰撞的风险，人们可以预测移动危险的姿态和模拟船未来几个时间步长的姿态，并在每个时间片上使用它们的配置来执行碰撞检查。该方法的优点是可以检测任意轨迹船舶的碰撞。然而，由于它需要在许多时间片上执行冲突检查，计算负载变得非常高。另一方面，VO是一阶的(即(线性)预测，碰撞检查在速度空间中完成。由于一个单一的碰撞检查占所有未来时间的碰撞检查(由于线速度的假设)，VO是非常快的计算和扩展到反应时间很短的高速操作。此外，它的简单性适合于我们基于行为的控制架构。
本文将VO扩展到COLREGS的航海主题中。尤其是，我们使用VO来避免移动和静态的危险，但是当USV在某些COLREGS情况下，也会在速度空间中产生一组额外的规则。由于VO和COLREGS都是在船舶的船身固定框架内定义的，所以COLREGS规则与VO一起以一种非常自然的方式表达出来。
论文的其余部分组织如下。第二部分描述了我们所处理的COLREGS情况的子集，以及一些实现方面的挑战。第三部分简要回顾了VOs，并介绍了COLREGS导航的运动规划算法。第四部分介绍了一些水上测试的结果。
图1：(a)从右穿越 (b)从左穿越 (c)追越 (d)正面
2011年10月27日投稿，2012年11月25日修改，2013年3月18日投稿。出版日期:2013年5月24日;目前版本:2014年1月9日。这项工作由N00014-09-IP-2-0008合同下的美国海军研究办公室和NAS7-03001合同下的国防高级研究计划局支持，任务#82-15473。本文中描述的研究是在加州理工学院的喷气推进实验室进行的，该实验室与美国国家航空航天局(NASA)签订了合同。这项工作得到了美国海军研究办公室(R. Brizzolara博士)和国防高级研究计划局(R. McHenry和S. Littlefield)的支持。所表达的观点是作者的观点，并不反映国防部或美国政府的官方政策或立场。分发声明A.批准公开发布;分布是无限的。
嘉宾编辑:A. Bouchard。
Y. Kuwata就职于喷气推进实验室，加州理工学院，帕萨迪纳，美国加州91109。他现在任职于美国加州90250霍桑太空探索技术公司(电子邮件:kuwata@alum.mit.edu)。M. T.Wolf, D. Zarzhitsky和T. L. Huntsberger就职于喷气推进实验室，加州理工学院，帕萨迪纳，CA 91109 USA电子邮件: Michael.T.Wolf@jpl.nasa.gov; dimzar@cs.uwyo.edu; Terrance.L.Huntsberger@ jpl.nasa.gov)。本白皮书中一个或多个附图的彩色版本可在线获得，网址为： http://ieeexplore.ieee.org.
数字对象标识符10.1109/JOE.2013.2254214
①实际上，国际水域（例如美国的内陆水域）有不同的规则集。对于本文，我们考虑1972年COLREGS规定的国际法规。
- 回顾COLREGS
本文介绍的工作解决了以下三种主要的COLREGS情况：交叉相遇，对遇和追越。图1说明了这些情况下的规则。黑色三角形代表无人船（USV），蓝色三角形代表交通船。在图1（a）中，交通船从右侧横穿。COLREGS规则指出，在这种情况下，右舷（右）另一侧的船只必须让路[3]。因此，USV（“允许”船只）必须避开交通船（“站立式”船只），并且交通船不需要更改其路径。在图1（b）中，交通船从左侧穿过。在这种情况下，交通船是让路船，应允许USV保持航向。②在图1（c）中，USV超越了慢速交通船。在这种情况下，USV必须确保有足够的间隙，以使其不会挡住被超越的交通船。尽管COLREGS没有指定必须超 车的船的哪一边，但是在水上的惯例表明，追越的船应在交通船的右侧通过。在图1（d）中，USV和交通船正面朝彼此直线移动。在此，两艘船都必须改变其朝向右舷的航向，以便它们与另一艘船一起通过其左舷（左侧）。
即使在简单的情况下，COLREGS规则是否适用也不是一件容易的事, 尤其是因为这些规则是为操作员编写的，并且通常包括主观性, 该评估也不是船舶的相对位置（例如，方位角或距离）以及或者船舶行驶方向的简单函数。例如，如图2所示，即使交通船舶和USV在相同的几何构型下，交叉规则也可能适用，也可能不适用，这取决于它们的速度。
②在本文中，我们假设所有水面交通都由大致等效的动力船只组成。 COLREGS的不同优先级适用于帆船和其他特殊情况。
图2：一个例子说明在相同的几何设置下COLREGS可能适用，也可能不适用。
- COLREGS运动计划
我们考 虑以下问题。鉴于：
bull; 近期航路点；
bull; 参考速度；以及
bull; 移动中和静态的具有碰撞危险的物体列表；找到规避碰撞危险并遵守COLREGS的最佳速度指令。
- 速度障碍的回顾
本节简要回顾了作为我们工作基础的无人船运动规划[10]的VO算法。让我们首先介绍一些数学符号。令 表示无人船的位置向量，然后表示二维空间中的速度向量。从方向出发的射线定义为：
此外，以下设置操作用于表示VO：
Minkowski总和:
反射:
图3. VO的图形解释。当由无人船中心点出发的无人船的相对速度在由无人船中心点向移动障碍物扩展形成的圆锥范围内，它们将发生碰撞。施加在机器人速度上的VO就是这个被向量平移的圆锥体。
然后，给定形状A的无人船和形状B的障碍物以速度移动，障碍物B在无人船速度空间中的VO为
其中，和是无人船和障碍物的位置，和分别是它们的速度矢量。对（4）进行简单的解释，从无人船A出发并朝相对速度的方向传播的射线与按无人船A尺寸扩大后的障碍物B相交。进行C-空间扩展的原因是可以将无人船视为一个点。图3以图形方式显示了使用矩形无人船和矩形移动危险障碍物的VO算法。如该示例所示，VO是速度空间中的锥体 。
只要无人船的速度在时间上恒定，且无人船的速度在 VO之外，它就不会与障碍物碰撞。如果速度矢量随时间变化，则基于VO的算法会对最新的传感器信息做出反应并进行重新计划。在实践中，当重新计划的速度比载具的轨迹变化快得多时，线速度的假设是合理的。在我们的测试配置中，嵌入式系统③的重新计划速率为1 Hz，船的角速度通常小于30 / s。
当涉及多个载具时，简单地叠加每艘船的VO并进行叠加将对无人船的可行速度矢量产生一组约束。基于VO的算法的运行时间在最坏的情况下与所考虑的危险数量成线性关系。
B. 碰撞时间
当速度在速度障碍物内部时，可以通过计算相对速度矢量与的边界相交所花费的时间来计算碰撞时间。也就是：
（5）
其中表示集合的边界。如果有多个满足（5）的值，则选择具有最小值的那一个。
③由于运动计划计算本身非常快（几毫秒量级），因此可以提高重新计划的速率。
图4.移动障碍物速度不确定时的最坏情况的VO。
- 不确定性处理
部署在现实世界中的运动计划器必须考虑各种不确定性。使用车载传感器（如雷达[15]，摄像机[16]和激光雷达）可以检测并跟踪移动的危险。传感器的性能特征继而影响被跟踪的交通船的噪声和状态估计误差。
不确定性的另一个来源来自移动危险的不精确运动。VO假设移动主体的速度恒定，但实际上它们的轨迹不一定保持恒定速度。为了解决交通中船舶的此类不确定性，将其速度建模为=，其中是标称速度（也就是，由船舶追踪器估算的预期速度），并且捕获了船舶速度的不确定性。我们假设速度的不确定分量位于集合中，其中XTI14393是有界集合并被视为常量。然后，将具有最差情况不确定性（用“ WVO”表示）的速度障碍写为：
图4与图3相同，但存在不确定性。灰色圆锥显示的是标称速度的VO。在这个例子中，移动危险障碍物B有一个速度不确定度，它是用一个以标准速度为中心的绿色椭圆画出来的。最坏的情况下，用黄色阴影表示的VO略大于标准VO，边界线与VO的边界线平行。如后面所示，VO被视为硬约束，而WVO的区域视为软约束，以提供安全缓冲。
- VO与COLREGS
VO是为了避免移动障碍物而需要的USV速度空间中的一组约束。我们的方法将COLREGS视为速度空间中的一组附加约束。使用VO对COLREGS进行编码的一个优点是VO已经知道USV应该通过哪一侧的危险信息。图5为单个VO和可行速度空间划分为三个区域。与和的分割线与相切，垂直于VO锥的中心线，与平行，这条线连接USV的中心和移动障碍物的中心。
如图5所示：COLREGS对速度空间的约束。假定应用COLREGS规则的交通船在USV前面。
当USV跟随速度时，USV的相对速度指向远离障碍物，即：
这样载具就不会靠近。当USV跟随速度进入时
然后USV将通过障碍，同时看到它在右边。这里，算子提取出向量的分量。我们使用传统的体坐标框架， x指向前方， y指向右侧， z指向下方。当USV超过、正面相遇交或从右侧通过交通船B时，这个区域的被认为是不可接受的。请注意，当，USV将看到船B在右舷，从而在船B前面穿越。
这个基于规则的约束确保USV只会从右侧通过(当时)或不通过(当时)。
注意，当B船从左侧通过时，对USV没有COLREGS规则，因为B船负责避
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