一种针对渔船作业区的波浪滑翔器避碰方法与流程

本发明涉及波浪滑翔器领域，尤其是一种针对渔船作业区的波浪滑翔器避碰方法。

背景技术：

波浪滑翔器是一种利用海洋的波浪为动力的新型海上无人平台。它具有航行时间长、航行距离远、适合高海况等优点，可应用于海洋气象监测、海洋生物监测、海洋环境监测等领域。虽然波浪滑翔器具有以上诸多优点，但是由于它以波浪能为动力，其前进速度较低，一般为0.5-1.5节，有时候洋流速度甚至大于波浪滑翔器速度。为尽可能利用波浪能，波浪滑翔器尺寸较小，一般为2-3米长，安装避碰设备的空间、高度有限。由于受体积、功耗、高度影响，传统避碰设备如雷达、激光、视觉设备等在波浪滑翔器上作用距离不远，波浪滑翔器发现目标船只时距离过近而来不及避碰。尤其当洋流速度和避碰方向不一致时波浪滑翔器速度更慢。

公开号为cn111591404a的一种波浪滑翔器避碰方法为解决波浪滑翔器避碰问题提供了如下方案，通过波浪滑翔器上的ais接收器接收到5km以内的船舶发出的ais信号，能够知道船舶的位置、航向和航速等信息，进而进行避碰。

而中国海域渔船数量众多，渔民好奇心较重，一旦被渔船发现难免会被打捞或破坏。一般渔船在作业时速度、航向变化较大，很难预测，像拖网船、流网船等有可能在船周围布置几百米甚至几千米的渔具，现有技术提供的解决方案中ais接收器能够接受ais信号的距离范围有限，能够预测渔船的范围只有5km(恶劣海况下只有几百米)，其检测距离短，当波浪滑翔器通过ais接收器发现渔船时，渔具很容易和波浪滑翔器缠绕从而造成设备损坏。并且很多渔船会成群结队进行作业，它们会在某一区域内来回作业，航行方向具有很大的随机性，即使波浪滑翔器成功避开其中一艘也很难避开全部渔船和渔具。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题在于提供一种能够通过互联网上的ais信息远距离检测到渔船并通过渔船的历史轨迹将渔船的作业区计算出来，然后进行避碰操作的波浪滑翔器避碰方法。

本发明提供的基础方案：一种针对渔船作业区的波浪滑翔器避碰方法，包括以下步骤：

s1)通过互联网上的ais信息判断波浪滑翔器的周围是否存在渔船；

s2)当波浪滑翔器周围存在渔船，则通过互联网上的ais信息获取周围渔船的历史轨迹，根据渔船的历史轨迹确定渔船作业区范围；

s3)波浪滑翔器将渔船作业区视为障碍区进行避碰。

本发明的原理及优点在于：本发明利用互联网上ais数据信息，检测波浪滑翔器周围是否有渔船。由于利用了互联网上的ais信息，因此避碰范围不受硬件避碰设备作用距离的限制，可以实现远距离的渔船检测和避碰。由于互联网上保存有ais的历史数据，因此可以对渔船的历史轨迹进行分析，确定渔船的历史活动轨迹，推断渔船接下来几天的活动范围，通过标记渔船可能的活动范围，将整个渔船活动范围视为障碍区进行避碰，避免了由于渔船携带渔具、渔船作业时航向和轨迹不确定等原因造成的碰撞风险。

进一步，所述s2)包括s201)，获取渔船前x天的历史轨迹，以相距最远的两轨迹点m、n的中心点p为圆心，以m、n两点距离的y倍为直径作圆，该圆为渔船作业区范围。获取渔船前一段时间的历史轨迹，生成渔船作业区范围，根据不同需求扩大或缩小渔船作业区的范围，可以使避碰的成功率提高。

进一步，所述y的取值范围为1至1.5。渔船作业区的范围设置为mn距离的1倍时可以节省波浪滑翔器避碰的时间成本，将渔船作业区的范围设置为mn距离的1.5倍时可以提升波浪滑翔器避碰渔船作业区的成功率。

进一步，所述x天的取值范围为一天至五天。渔船作业区域在一至五天内轨迹重复可能性大，获取此时间段的渔船历史轨迹，能够更精确的确定渔船作业区。

进一步，所述s3)包括：

s301)计算波浪滑翔器与渔船作业区的距离；

s302)计算波浪滑翔器与渔船作业区的安全距离；

s303)判断波浪滑翔器与渔船作业区的距离是否小于安全距离，当波浪滑翔器与渔船作业区的距离小于安全距离时，进行避碰。本方案能够通过计算操作，动态设置波浪滑翔器与渔船作业区的安全距离使得安全距离设置得更加精确。

进一步，所述s302)安全距离的计算公式为ds＝nr，ds为安全距离，n为常数，r为渔船作业区的半径，其中n取决于洋流在指向障碍区的速度分量大小|vcp|和波浪滑翔器静水速度大小|vs|，当|vcp|＜|vs|时n＝2，当|vs|≤|vcp|＜2|vs|时n＝3，当2|vs|≤|vcp|时n＝4。当指向障碍区洋流速度分量越大，相应的安全避碰距离越大，安全避碰距离分别为障碍区半径的2倍、3倍、4倍。由于一般情况下洋流速度不大于3倍波浪滑翔器自身速度，因此4倍障碍区半径的安全避碰距离在大部分情况下可以避开障碍区。

进一步，所述s303)步骤中有子步骤a)，当航向角度处于安全航向角度内则以原航向继续航行，当航向角度不处于安全航向角度内就调整艏向进行避碰。本方案在航向角度不安全时，通过调整艏向就能避碰。

进一步，所述安全航向角度为：θ-arcsin(1/n)，θ为安全航向角度。相较于设置固定的安全航向角度本方案对安全航向角度的调整更加灵活。

进一步，当航向角度不处于安全航向角度内时，将艏向调整至洋流分量vcv相同方向。本方案利用了艏向与vcv相同方向，使得洋流能够带动波浪滑翔器避开渔船作业区的同时还能够继续前进，节省了避碰的时间，降低避碰功耗，提升避碰成功率。

进一步：还包括s4)采用毫米波雷达探测海上漂浮物，根据毫米波雷达的探测结果进行避让。海上漂浮物没有ais发射装置，在互联网上找不到其位置、航向和航速的数据。本方案利用毫米波雷达探测海上的漂浮物，使得波浪滑翔器不仅能避让渔船作业区，还能避让海上漂浮物。

附图说明

图1为本发明针对渔船作业区的波浪滑翔器避碰方法的流程图。

图2为本发明的波浪滑翔器安全避碰距离及安全航向角示意图。

图3为本发明波浪滑翔器航向速度合成示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例中的一种针对渔船作业区的波浪滑翔器避碰方法的流程如图1所示，包括：

s1)通过互联网上的ais信息判断波浪滑翔器的周围是否存在渔船；

s2)当波浪滑翔器周围存在渔船，则通过互联网上的ais信息获取周围渔船的历史轨迹，确定渔船作业区范围；

s3)波浪滑翔器将渔船作业区视为障碍区进行避碰。

具体实施过程如下：

波浪滑翔器在航行时通过卫星和地面站进行通信，地面站实时接收波浪滑翔器回传的信息，该信息中包括滑翔器的实时位置信息，地面站根据波浪滑翔器实时位置信息，读取互联网上的ais信息判断波浪滑翔器周围(50-100公里范围内，本实施例中优选50公里)是否存在有渔船。当确定周围存在渔船时通过互联网ais信息获取波浪滑翔器周围所有渔船过去x天的历史轨迹，本实施例中，x优选为1天，判断是否为渔船作业区，当判断为渔船作业区时，以渔船作业区为障碍区进行避碰。此时由地面站下发避碰指令给波浪滑翔器进行避碰。

当发现波浪滑翔器周围有渔船时，通过互联网ais信息获取波浪滑翔器周围所有渔船过去1天的历史轨迹。如图2所示，取相距最远两轨迹点m、n，通过公式计算距离m、n的距离，以mn中心点p为圆心，mn长度的y倍为直径做圆。波浪滑翔器将此圆内区域视为障碍区进行避碰。

然后通过互联网上的ais信息获取到波浪滑翔器与渔船作业区圆心的位置坐标，该坐标是一个二维坐标，然后通过公式计算出波浪滑翔器与渔船作业区圆心p的距离dg，以波浪滑翔器当前点o和圆心p做连线op，dg为op两点距离。

再计算出波浪滑翔器与渔船作业区的安全距离，具体方式如下：

波浪滑翔器在航行时，地面站计算出波浪滑翔器和障碍区中心点距离dg，然后地面站根据公式ds＝nr计算出安全碰撞距离，其中n的确定需要根据当前海况估计波浪滑翔器静水速度vs，根据vs和波浪滑翔器当前速度vg估算洋流速度vc的方向大小以及分量vcp和vcv的方向。当|vcp|<|vs|时n＝2，当|vs|≤|vcp|<2|vs|时n＝3，当2|vs|≤|vcp|时n＝4。

vc的估算见图3，图3中速度vg表示波浪滑翔器实际速度，vs表示波浪滑翔器静水速度，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，vg为vs和vc的矢量和。可以根据vs和vg的信息可以推算vc的大小和方向。

当波浪滑翔器到达安全避碰距离时，需要地面站判断波浪滑翔器的航向是否安全。如图2所示过o点(波浪滑翔器的坐标点)做障碍区圆的切线，切线与op的夹角为θ，这里将θ记为安全航向角，vg和op的夹角为φ，两者都是顺时针方向为负，逆时针方向为正。然后判断波浪滑翔器vg和op的夹角φ和安全航向角θ的关系，其中角度θ＝arcsin(1/n)。当-θ≤φ≤θ时，波浪滑翔器航向指向障碍区，波浪滑翔器的航向不安全，需要调整航向来避碰。当φ≥θ或φ≤-θ时，波浪滑翔器航向安全，不需要避碰。

避碰的方法如下：

地面站通过卫星向波浪滑翔器发出指令，将波浪滑翔器的艏向调整至洋流分量vcv相同方向，使得洋流能够带动波浪滑翔器避开渔船作业区的同时还能够继续前进，节省了避碰的时间。

还可以通过在波浪滑翔器的前端安装毫米波雷达探测器进一步对本方案进行优化，互联网上的ais信息无法获取到海上漂浮物的位置信息，而通过雷达可以获取到范围为200m内的海上漂浮物的位置信息。

实施例二：

与实施例一的区别仅在于：当确定波浪滑翔器周围有渔船后，通过互联网上的ais信息获取波浪滑翔器周围渔船过去5天的所有轨迹信息。

实施例三：

与实施例一的区别仅在于：取相距最远两轨迹点m、n计算距离dmn＝|mn|，以mn中心点p为圆心，为留有安全余量，以mn长度的1.5倍为直径做圆，该圆作为障碍区。这样做的好处是将渔船作业区的范围设置为最大距离1.5倍时可以提升波浪滑翔器避碰渔船作业区的成功率。

实施例四：

与实施例一的区别仅在于：调整艏向角度的方式不同，实施例四的方式如下所述，若洋流分量vcv在直线op顺时针90°方向则控制波浪滑翔器方向舵打右舵，将vs调整到vcv方向。若洋流分量vcv在直线op逆时针90°方向则控制波浪滑翔器方向舵打左舵调整vs到洋流分量vcv方向，波浪滑翔器利用洋流速度分量vcv尽快远离障碍区。

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。