[發(fā)明專利]一種基于虛擬力的船舶導(dǎo)航方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010460158.2
• 申請(qǐng)日: 2020-05-27
• 公開（公告）號(hào): CN111561932B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃立文;郝國柱;張可;郭超麒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/20
• 分類號(hào): G01C21/20
• 代理公司: 杭州宇信知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 33231
• 代理人: 劉艷艷

1.一種基于虛擬力的船舶導(dǎo)航方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、通過虛擬力場法確定所有虛擬力的方向；

S2、定性分析虛擬力的大小和定量計(jì)算虛擬力的大小；

定性分析虛擬力的大小具體是將目標(biāo)船與本船會(huì)遇過程分為四個(gè)階段：階段一、最初沒有碰撞危險(xiǎn)階段；階段二、碰撞危險(xiǎn)形成階段；階段三、緊迫局面形成階段；階段四、緊迫危險(xiǎn)形成至最后碰撞階段；設(shè)目標(biāo)點(diǎn)對(duì)本船的引力為1，方向由本船指向目標(biāo)點(diǎn)；

當(dāng)兩船處于階段一時(shí)，本船駕駛?cè)藛T能夠通過瞭望觀測到目標(biāo)船，心中會(huì)留意該船的情況，此時(shí)目標(biāo)船對(duì)本船存在很小的虛擬力，且隨兩船距離的減小而增加；

當(dāng)兩船處于階段二時(shí)，目標(biāo)船已經(jīng)對(duì)本船構(gòu)成了一定的碰撞危險(xiǎn)，因而對(duì)本船存在一定的虛擬斥力，大小為0至1之間，但本船所受最大的虛擬力仍為目標(biāo)點(diǎn)對(duì)船舶的引力；

當(dāng)兩船處于階段三時(shí)，緊迫局面已經(jīng)形成，此時(shí)本船的目標(biāo)已經(jīng)從到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)變?yōu)槿绾螖[脫緊迫危險(xiǎn)，因而目標(biāo)點(diǎn)對(duì)本船的虛擬引力為0，本船只受到目標(biāo)船的虛擬斥力，且此時(shí)的虛擬斥力為最大值1；

當(dāng)兩船處于階段四時(shí)，無論采取何種措施都無法避免船舶碰撞，但駕駛?cè)藛T仍處于盡量想避開目標(biāo)船的行為中，此時(shí)本船所受到的虛擬力與階段三一致；

定量計(jì)算虛擬力的大小分為兩種情況：不考慮風(fēng)和流的實(shí)際荷載的影響；考慮風(fēng)和流的實(shí)際荷載的影響；

不考慮風(fēng)和流的實(shí)際荷載的影響的情況下，定量計(jì)算目標(biāo)船對(duì)本船虛擬力的大小具體包括如下：

S21、設(shè)本船O的坐標(biāo)為(x₀，y₀)，航速為v₀、航向?yàn)楦鶕?jù)幾何關(guān)系得，本船的船速在x軸和y軸的分量為：

S22、設(shè)目標(biāo)船T的坐標(biāo)為(x_T，y_T)、航速為V_T、航向?yàn)楦鶕?jù)幾何關(guān)系得，目標(biāo)船的船速在x軸和y軸的分量為：

S23、計(jì)算本船與目標(biāo)船之間的距離：

目標(biāo)船在x軸和y軸的相對(duì)速度如下：

兩船的相對(duì)速度大小如下：

兩船的船速比如下：

兩船之間的距離如下：

S24、計(jì)算本船與目標(biāo)船的相對(duì)方位：

以本船O為中心，目標(biāo)船T的真方位如下：

其中，a₁代表目標(biāo)船T的初始方位，a₁由(x_T-x₀)項(xiàng)確定正負(fù)；

目標(biāo)船T與本船的相對(duì)方位如下：

S25、目標(biāo)船T與本船O的航向交角：

S26、目標(biāo)船T與本船O沿當(dāng)前航向航行時(shí)的會(huì)遇距離：

其中，代表兩船的相對(duì)速度的航向；

S27、目標(biāo)船T與本船O的會(huì)遇時(shí)間：

S28、確定目標(biāo)船對(duì)本船虛擬力的大小：

參數(shù)組成的目標(biāo)因素集：

U＝[D,T,R_T,θ'_T,K]????????????????????(12)

目標(biāo)船的評(píng)語集：

V＝[r₁,r₂]???????????????????????(13)

其中，r₁表示目標(biāo)危險(xiǎn)，r₂表示目標(biāo)安全；

目標(biāo)因素的具體權(quán)重分配：

其中，a_D+a_T+a_RT+a_θ’T+a_K＝1；

目標(biāo)評(píng)判矩陣為：

其中，r_D、r_T、r_RT、r_θ’T、r_K均屬于[0，1]，r_D、r_T、r_RT、r_θ’T、r_K表示目標(biāo)船的危險(xiǎn)隸屬度，為目標(biāo)船的各個(gè)參數(shù)對(duì)本船危險(xiǎn)程度的大小；目標(biāo)綜合評(píng)判結(jié)果寫為E＝A×R；

得出：

E滿足歸一化條件，目標(biāo)船碰撞危險(xiǎn)度為：

其中，e指“目標(biāo)危險(xiǎn)”的評(píng)判結(jié)果，即為目標(biāo)船碰撞危險(xiǎn)度；1-e指目標(biāo)船安全度；

綜上，目標(biāo)船對(duì)本船虛擬力的大小為：

考慮風(fēng)和流的實(shí)際荷載的影響，具體是指：在本船上只進(jìn)行虛擬力的分析和合成，把風(fēng)和流的實(shí)際荷載對(duì)本船的影響轉(zhuǎn)移到目標(biāo)船上，使得目標(biāo)船除了自身受到風(fēng)和流的實(shí)際荷載影響外，還受到本船的風(fēng)和流的實(shí)際荷載疊加帶來的影響，即，通過風(fēng)和流的實(shí)際荷載對(duì)目標(biāo)船的兩次影響來得到目標(biāo)船的新位置，再分析目標(biāo)船對(duì)本船虛擬力的大小和方向；

S3、通過矢量三角形合成法將已知方向和大小的所有虛擬力進(jìn)行合成，得到虛擬力合力；

當(dāng)目標(biāo)船大于1艘時(shí)，將多船會(huì)遇設(shè)為多個(gè)本船與目標(biāo)船會(huì)遇過程的疊加，將本船與靜態(tài)障礙物會(huì)遇設(shè)為目標(biāo)船速度為0的情況，將虛擬障礙物設(shè)為位于船舶在兩側(cè)航道上垂直投影點(diǎn)上的靜態(tài)障礙物；

通過矢量三角形合成法將已知方向和大小的所有虛擬力進(jìn)行合成，合力大小如下：

其中，F(xiàn)_合為本船虛擬力合力，I為障礙物總數(shù)，F(xiàn)_i為第i個(gè)障礙物對(duì)本船的虛擬力，F(xiàn)_T為船舶最終或階段性目標(biāo)驅(qū)動(dòng)力，虛擬力合力的方向?yàn)楦鱾€(gè)虛擬力經(jīng)矢量三角形方法合成后所得到的最終方向；

S4、船舶按照虛擬力合力的方向進(jìn)行航行。