[發明專利]一種基于改進人工勢場法的船舶自動避碰及路徑規劃方法

在審

• 申請號: 202110653707.2
• 申請日: 2021-06-11
• 公開（公告）號: CN113341980A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 寧君;李偉;李學健;馬昊冉;李鐵山
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明提供一種基于改進人工勢場法的船舶自動避碰及路徑規劃方法,包括：獲取周圍環境信息以及周圍其他船舶的信息；計算參數，根據計算的參數信息判斷是否存在碰撞危險；若不存在碰撞危險，則船舶不采取避碰措施，保向保速航行；若存在碰撞危險，則運用改進人工勢場法，輸入初始參數后，獲得避碰路徑，船舶根據避碰路徑進行航行；避碰結束后，根據設定原目標點位置利用改進人工勢場法重新進行路徑規劃。本發明采用改進人工勢場法引導船舶進行自動避碰，將船舶會遇態勢判斷機制和船舶碰撞危險度引入到勢力場的構建中，解決了船舶自動避碰應用中無法判斷避讓責任和緊迫局面的技術問題，采取避讓措施的過程中能夠更加嚴格地遵守《避碰規則》的要求。

技術領域

本發明涉及人工智能技術領域，具體而言，尤其涉及一種基于改進人工勢場法的船舶自動避碰及路徑規劃方法。

背景技術

2017年6月，在國際海事組織(IMO)第98屆會議(MSC98)上，海事安全委員會(MSC)(2017)批準了海上水面自主船舶(MASS)的新工作計劃。近年來，MASS已成為一個熱門的研究課題，而其中關鍵問題是船舶自動避碰。

在船舶自動避碰研究的早期階段，更多的是研究如何規劃出一條路線使船舶避免發生碰撞，對于《避碰規則》的要求基本不考慮，或者考慮很少。例如：用于輔助兩船避碰決策LOSCAN算法；基于改進ARC-Theta*的算法；用于開闊水域內船舶路徑規劃的遺傳算法，人工免疫算法，遺傳算法。上述算法都只是在尋找最優路徑，在路徑的規劃并沒有考慮《避碰規則》要求。近年來，更多的學者在研究船舶自動避碰的同時考慮了《避碰規則》的要求，如速度障礙法、粒子群算法、蟻群優化算法、多智能體以及混合智能系統，如擬人智能避碰決策等，但部分算法未能嚴格遵守《避碰規則》，如日本東京商船大學實驗船“汝路丸”號上的船舶避碰決策系統，該系統在規劃最優避碰航線時，并沒有按照《避碰規則》第十六條的要求，采取大幅度的避讓措施；部分算法只能處理其他船舶航向和航速不變的情況，沒有考慮船舶間可能發生的避碰行動不協調問題。基于偏心膨脹(Eccentric Expansion)的動態避障算法通過船舶偏心膨脹法來保證船舶安全和《避碰規則》之間的平衡，但會導致部分會遇局面下的避碰行動背離《避碰規則》。此外，對于更復雜的多船自動避碰越來越受到重視，基于深度強化學習(DRL)的多船自動避碰算法將人類的避碰經驗與《避碰規則》通過轉換為航行限制多邊形或線而結合起來，實現開闊水域多船避碰；基于AIS的海上多船行駛自動避碰系統依靠船舶行動特征進行避碰控制，但需要可靠的海上無線通信手段作為支撐。

人工勢場法，其規劃路徑時間短，計算時間幾乎不受障礙物數量和目標船隨機航向變化的影響，并有解決多船緊急碰撞的潛力，但在《避碰規則》遵守尤其是在避讓責任和緊迫局面的判斷問題上有所欠缺。

發明內容

根據上述提出傳統人工勢場法在船舶自動避碰應用中無法判斷避讓責任和緊迫局面的技術問題，本發明提供一種基于改進人工勢場法的船舶自動避碰及路徑規劃方法。本發明采用改進人工勢場法引導船舶進行自動避碰，將船舶會遇態勢判斷機制和船舶碰撞危險度引入到勢力場的構建中，使得采取避讓措施的過程中能夠更加嚴格地遵守《避碰規則》的要求。

本發明采用的技術手段如下：

一種基于改進人工勢場法的船舶自動避碰及路徑規劃方法，包括如下步驟：

S1、獲取周圍環境信息以及周圍其他船舶的信息；

S2、計算參數，根據計算的參數信息判斷是否存在碰撞危險；

S3、若不存在碰撞危險，則船舶不采取避碰措施，保向保速航行；若存在碰撞危險，則運用改進人工勢場法，輸入初始參數后，獲得避碰路徑，船舶根據避碰路徑進行航行；

S4、避碰結束后，根據設定原目標點位置利用改進人工勢場法重新進行路徑規劃。

進一步地，所述步驟S2中計算的參數包括：最近會遇距離DCPA、最近會遇時間TCPA和船舶碰撞危險度CRI；其中：