⒋比分析

表4总结了上述局部路径规划方法的优缺点以及学术界对算法改进的切入点。

表4 局部路径规划算法对比分析

四、近程反应式危险规避

近程反应式危险规避是指水面无人艇在按照既定路线航行的过程中，如果发现突然出现的障碍物，水面无人艇应及时进行调整和应对，从而有效避免与障碍物的碰撞。船舶的近程避碰与上文提到的路径规划有很大的区别。路径规划通常将船视为质点，忽略了其操作运动特性，而近程避碰需要考虑到船舶的形状、领域、会遇姿态以及安全距离等。

⒈碰撞危险的识别

判断船舶在未来航行中的碰撞危险可以用碰撞危险系数（CRI）进行判别，当CRI超过某设定阈值时，则会发出警报表示碰撞危险较高。计算CRI最常用的2个量化指标分别是两船相遇的最近会遇距离（DCPA）和到达最近会遇点的时间（TCPA），这2个指标可通过两船的速度和航向求得。DCPA通常用于确定碰撞危险发生的可能性，TCPA用于估计危险程度，因此学者们将DCPA与TCPA的值按照一定的函数关系得到CRI，从而对碰撞危险进行综合评估。一种普遍的CRI计算公式为：CRI＝w1×f×(DCPA)＋w2×f×(TCPA)，⑴式中：w1和w2均为权重，通常根据专家的经验以及一些数学方法来确定，如模糊理论、概率回归等。碰撞危险度模型可作为船舶采取避碰行动的依据。CRI是一个简化后的模型，但实际上碰撞会与很多抽象的因素相关，而CRI只能判断船舶之间是否存在碰撞风险，无法给出避碰方法。另一种重要的碰撞模型是船舶领域模型。船舶领域是指船舶周围的有效区域，该区域是保证任何一艘安全航行的所需水域。船舶领域的概念最初由FUJII等提出，该模型的研究使得避碰模型更加完善，可以根据船舶的位置、速度和航向来推断最小安全通过距离和船舶领域尺寸，这对碰撞危险的识别和避碰路线的选择有重要意义。

⒉主要算法

陈姚节等提出了基于速度障碍法的船舶避碰模型，考虑到了多个目标船的约束条件以及船舶的操纵要求，但未考虑复杂环境下的约束条件以及环境扰动的影响。马文耀等将人工鱼群法应用在避碰路径规划决策中，以前进距离为目标函数，计算出最优的避让转向时机、避让角度、复航时间和角度，还考虑到了COLREGS规则。王得燕等利用粒子群优化算法解决多船会遇情况下的本船最优转向角度值，有助于多船避碰决策系统的智能化设计与开发。SONG等提出了一种速度障碍法与APF结合的混合算法进行避障，其中APF起到一个全局路径规划作用，提高了避障的实时性能。同样，LU结合了APF与速度障碍法，且加入了COLREGS规则以及路径优化功能。

五、运动规划与控制

运动规划阶段完全考虑了水面无人艇的运动学和动力学约束，通常会从控制层面来研究规划问题，其目标是通过自身的控制系统来逼近和实现规划的路径。按照研究对象的可控程度来划分，运动规划可分为完全驱动系统和欠驱动系统。对于完全驱动系统，其运动过程完全可控，所能呈现的运动姿态都可以通过方程进行准确表达。因此，完全驱动系统常见的运动规划方法是建立精准的运动控制模型，然后根据具体的规划任务对主要控制参数进行调整和优化。无人艇属于欠驱动系统，由于系统的控制量个数小于自由度个数，因此很难简单地通过优化控制参数来进行路径规划，其运动规划通常分为2步：⑴利用路线规划算法，从起始状态到目标状态寻找一条安全路径；⑵以研究对象的运动学和动力学模型为基础，设计相应的控制器来驱动机器人按照该路径运动，最终到达目标点。无人艇的运动规划研究起步较晚，多数规划方法都是基于传统的路线规划算法。FEDORENKO等在机器人操作系统（ROS）环境下设计了基于Voronoi图的无人船路径规划系统，利用李雅普诺夫不稳定性定理进行运动规划，这种方法的优点在于实现简单并且不需要在障碍物区域重新构建路径，保证了算法的实时性。ESCARIO等利用改良后的蚁群算法进行USV的运动规划，该算法结合无人船的数学模型，利用优化方法生成最优的运动和操纵轨迹，并且分别在开阔海域和受限制的海域验证了该算法的有效性。GU等基于改进的A*算法和轨迹单元法，设计了一种适用于受限制水域的运动规划方法，可同时满足船舶状态、操作特性和水域环境等多个约束条件，且采用真实船舶模型在受限制水域进行了验证。

六、结语与展望

学术界认为，水面无人艇路径规划和避碰的解决方案仍有很大的发展空间，未来无人船路径规划的研究应以7方面为研究重点：

⑴利用实际的海洋交通数据进行试验。本文提到的大部分文献都是用非实际的数据进行仿真，只能证明其理论上的有效性，无法评估算法在实际环境数据下的效率，故其实用性有待验证。

⑵考虑外界干扰信号如风、浪、海流的影响。现有研究的环境建模忽略了风、浪、流对无人艇的影响，环境模型不够完善，算法在实际航行中的表现会与理论存在偏差。

⑶路径优化和运动规划，考虑控制器的协同。许多算法在仿真过程中都没有将船舶的动力学特点作为约束条件，生成的路径缺乏实用性，在进一步的研究中，要将路径优化方法与路径规划方法结合生成更加光滑和简洁的路线，同时考虑船舶的操纵性能，限制船舶的转向角、速度和加速度值等参数进行运动规划，与下层的控制器协同。