[發明專利]一種基于場論的船舶實時避碰方法

在審

• 申請號: 202210041664.7
• 申請日: 2022-01-14
• 公開（公告）號: CN114384917A
• 公開（公告）日: 2022-04-22
• 發明（設計）人: 王曰英;路楠;吳乃龍;周衛祥;周華;費敏銳;嚴懷成;楊希祥;李恒宇;楊揚;姜斌;徐勝元;付俊
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 鄭州翊博專利代理事務所(普通合伙) 41155
• 代理人: 周玉青

本發明屬于船舶動態避障領域，公開了一種基于場論的船舶實時避碰方法，包括以下步驟：利用船舶的感知和導航系統實時探測本船和障礙物的信息，判斷障礙物類型并計算本船和障礙物的會遇參數，判斷是否存在碰撞危險；對于存在碰撞危險的障礙物，將障礙物的類型分為一般障礙物和動態會遇船，其中，對于動態會遇船，結合國際海上避碰規則分析會遇態勢，確認轉向避碰策略；然后根據船舶和障礙物信息建立場論模型，利用粒子群算法求解避碰路徑。本發明建立了一種合理的船舶場論模型，為解決無人艇航行過程中遇到的動靜態避碰問題提供一種合理可靠的避碰方法，并實時輸出計算結果，具有良好的實際應用價值。

技術領域

本發明屬于船舶動態避障領域，具體涉及一種基于場論的船舶實時避碰方法。

背景技術

當今全球貿易蓬勃發展，逐漸形成了以海上運輸為主導的交通運輸模式。近年來，隨著人工智能、物聯網、大數據等技術的飛速發展和廣泛應用，智能船舶已成為航運業發展的必然趨勢，智能船舶也已成為國際航運、造船、海事界新熱點。一方面，由于海上航行不確定環境造成的船舶航行安全事故頻發，而這些事故又會帶來令人觸目驚心的損失和危害；另一方面，為了提高對于海洋的監管和控制能力，各國逐漸加大對水面無人艇等智能船舶的研究。鑒于此，如何避免船舶碰撞就成為了研究智能船舶的核心內容之一。

實時避碰是指通過傳感器信息確定船舶的實時位置，以及得到局部范圍內障礙物的分布情況，尋找一種滿足一定評價標準和約束的運動方法，然后調整航向和航速，高度智能化、自適應避開海上各類障礙物。目前常用的避碰方法如人工勢場法，其在建立模型時不包含障礙物的速度大小和方向信息，在進行動態避碰時會產生路徑震蕩等現象，甚至出現避碰失敗的情況，在實際應用中存在缺陷。因此，如何提供一種具有安全、實時、快速的避碰方法是智能船舶技術發展的一種關鍵問題。

發明內容

針對現有技術中存在的問題和不足，本發明的目的在于提供一種基于場論的船舶實時避碰方法。

基于上述目的，本發明采用如下技術方案：

本發明第一方面提供了一種基于場論的船舶實時避碰方法，包括如下步驟：

(1)利用本船的感知和導航系統實時探測本船和障礙物的信息；

(2)采用步驟(1)中獲得的探測信息判斷障礙物類型，同時計算本船和障礙物的會遇參數，然后判斷本船和障礙物是否存在碰撞危險：若存在碰撞危險，執行步驟(3)；若無碰撞危險，則沿既定航線繼續航行，返回步驟(1)；

(3)根據步驟(2)中判斷的障礙物類型，確定轉向避碰策略；

(4)建立場論模型，利用粒子群算法計算實時避碰路徑。

優選地，步驟(1)所述中感知和導航系統包括姿態感測裝置、導航系統、雷達感測裝置、光電系統裝置、聲納感測系統。

更加優選地，所述姿態感測裝置可以實時監測本船的速度、航向信息；導航系統、雷達感測裝置、聲納感測系統可以偵測本船的位置，障礙物的大小、位置、移動速度、移動方向等信息。

更加優選地，所述感知和導航系統對獲得的信息進行數據篩選、處理和融合，實現本船的姿態感知、目標識別、目標跟蹤以及目標融合，得到本船除船身長度和船身寬度等船舶已知固定信息外本船的船速、航向、位置等信息，以及障礙物的大小、位置、移動速度、移動方向等信息。

優選地，步驟(1)中所述探測信息包括航行終點位置信息，本船的最小安全半徑、操作精度、船速、航向、位置信息，以及障礙物的大小、位置、移動速度、移動方向信息。

優選地，所述步驟(2)的具體步驟為：

(2a)根據步驟(1)探測的障礙物的大小、位置、移動速度、移動方向信息，判斷障礙物的類型；然后根據障礙物類型、本船自身的操控精度及環境參數，設定避碰空間閾值D和避碰時間閾值T；