一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法技术

本发明专利技术提供一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，属于信息技术与船舶编队分布式控制技术领域，为解决现有人工势场所存在的技术问题，本发明专利技术方法，通过电子海图系统获得实时航行安全信息，结合船舶性能设定航行安全水深等指标，利用路径规划方法预规划出起点到终点的路径。通过船舶自动识别系统、全球定位系统等设备获得船舶的航行安全信息。当编队内船与船间的距离或船与障碍物间的距离小于对应的安全距离时，触发避碰或避障人工势场，通过人工势场排斥力与船舶路径跟踪复合力矩控制船舶航向和航速。本发明专利技术将路径规划与人工势场法结合，充分利用船舶航行全局信息与实时局部信息，实现了船舶智能航行与避碰控制。

An intelligent collision avoidance method for ship formation based on path planning and artificial potential field

The invention provides a ship formation intelligent collision avoidance method based on path planning and artificial potential field method, which belongs to the field of information technology and ship formation distributed control technology. In order to solve the technical problems existing in the existing artificial potential field, the method of the invention obtains real-time navigation safety information through the electronic chart system, sets navigation safety water depth and other indicators in combination with the ship performance, and utilizes the road The path planning method predetermines the path from the beginning to the end. The navigation safety information of the ship is obtained through the automatic identification system and global positioning system. When the distance between the ships in the formation or between the ships and obstacles is less than the corresponding safety distance, the collision avoidance or obstacle avoidance artificial potential field is triggered, and the ship's heading and speed are controlled by the compound moment of the artificial potential field repulsion force and the ship's path tracking. The method combines the path planning with the artificial potential field method, makes full use of the global information and the real-time local information of the ship navigation, and realizes the intelligent navigation and collision avoidance control of the ship.

【技术实现步骤摘要】
一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法
本专利技术涉及信息技术与船舶编队分布式控制
，具体而言，尤其涉及一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法。
技术介绍
随着人工智能技术与计算机技术的发展，船舶感知能力与船舶控制器计算能力飞速提升，船舶智能化需求随之增加。又因为单船舶的作业能力有限，多船编队与协作有利于提高作业效率与作业能力，多船编队成为智能船舶研究热点。在船舶编队实际应用中，必然会涉及到船舶路径规划、队内船舶相互碰撞和船舶与障碍物碰撞等实际问题。需要船舶能实时感知多种航道信息和自身安全动态，结合船舶编队队内交互与数据融合来实现船舶全方位感知、通过控制船舶航速航向等运动状态排除航行危险。由于人工势场法模型较为简单，计算资源需求小，实时性较强等优点，在移动智能体实时避碰与避障控制中得到广泛的应用。其核心理论是通过建立复合势场，当环境中他船或障碍物与本船的相对距离小于一个预设值时，势场产生一个虚拟排斥力将智能体推离其他船舶或者障碍物。人工势场法仅利用船舶所感知的局部信息，在实际应用中存在陷入复合作用力合力为零的情况。
技术实现思路
根据上述提出现有人工势场所存在的技术问题，而提供一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法。本专利技术将路径规划与人工势场法结合，充分利用船舶航行全局信息与实时局部信息，实现了船舶智能航行与避碰控制。本专利技术采用的技术手段如下：一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，包括如下步骤：S1、通过已知的海图信息与水道信息，结合船舶操纵性、船宽船长、船舶吃水参数，设定船舶航行安全条件；S2、根据规定的航行安全条件，将电子海图中不符合该条件的区域视为不可航行区域，建立包含航行起点和终点的海图坐标系，利用路径规划方法将不可航行区域视为障碍物，规划出船舶航行路径；S3、在跟随规划航线的过程中，通过对船舶自身状态与外界环境的信息进行实时采集，感知外部障碍物与邻近船舶信息；S4、通过随船坐标系，建立船舶避碰与避障斥力场，通过船舶航速与传感器感知范围，设定势场的触发距离与势场力梯度大小；S5、根据局部环境信息、规划航线与船舶实时动态，计算出船舶所受的控制力矩。进一步地，所述的步骤S2具体包括：S21、根据电子海图与AIS数据建立包含船舶运动起点和终点的经纬坐标系；S22、通过预设定的船舶航行安全条件和坐标系中的等深线数据，划分可航行区域与不可航行区域；S23、将上述不可航行区域定义为障碍物，通过RRT路径规划方法进行全局路径规划，所规划的路径作为船舶跟踪的期望路径。进一步地，所述的步骤S4具体包括：S41、建立随船坐标系，通过全球定位系统、雷达图像、AIS数据和船舶上的传感器采集的航道数据，建立以船舶自身为原点的直角坐标系，并通过采集到的信息确定障碍物和编队内邻近的其它船舶在坐标系中的位置坐标；S42、提取航道与障碍物数据，并通过编队通信网获得队内所有船舶的位置信息，根据获得的信息建立船舶间斥力场与障碍物边界斥力场：式中，i、j分别为本船与进入本船势场内的船舶标号，为避碰辅助函数，其中ζij为队内他船与本船相对距离，σ1为常数，χc和为避碰势场内外边界，Ψc(ζij)为以他船为中心的避碰势场函数；船舶所受到相邻j船的排斥力为邻船避碰势场函数的负梯度，表示如下：式中，kc为正的避碰系数，为两船相对位置的梯度；船舶受到的避碰势场排斥力合力表示为：式中，Ni为进入i船避碰势场的相邻船舶集；建立障碍物势场，其函数表达式为：式中，为避障辅助函数，其中ξik为本船与障碍物间的距离，Θ1为常数，χo和为障碍物势场内外界，Ψo(ξik)是以障碍物为中心的避障势场函数；障碍物产生的势场排斥力大小为：式中，ko为正的避障系数，为船舶与障碍物的相对位置的梯度；船舶受到的避障势场排斥力合力为：式中，ko为正的避障系数，k为障碍物标号，P为船舶附近障碍物总数；S43、建立边界斥力场与圆形斥力场，将小型障碍物描述为圆形障碍物，建立圆形障碍物斥力场；对于中或大型障碍物，沿边界建立势场，船间避碰势场为包围整个船舶的圆形势场。进一步地，所述的步骤S5具体包括：S51、利用电子海图、船载差分GPS、AIS数据，船载摄像头与距离传感器，建立船载感知信息平台，对船舶航行危险进行预警；S52、计算复合势场对船舶的合力矩，根据船舶艏向将该力矩分解为船舶艏向方向的力矩与垂直于船舶艏向方向的力矩。进一步地，所述计算复合势场对船舶的合力矩，具体为：Fiall＝Fic(t)+Fio(t)式中，Fiall为避碰势场与避障势场对船舶的作用力的合力。所述的根据船舶艏向将该力矩分解为船舶艏向方向的力矩与垂直于船舶艏向方向的力矩，具体为：FiT＝Fiallsinθ，FiL＝Fiallcosθ式中，θ为船舶艏向，FiT和FiL为势场对船舶的横向和纵向作用力。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术提供的基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，考虑了船舶编队从出发点到目的地的路径规划与智能避碰问题。2、本专利技术提供的基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，其在岸基信息系统进行路径规划时，根据船舶的安全指标将包含出发点与目的地的海图区域划分为可航行区与不可航行区。将不可航行区域视为障碍物，进行路径规划。当所框选的区域无法满足航行条件，无法规划出路径时，扩大框选区域，直到能规划出路径为止。3、由于路径规划中未考虑实时避障与船舶间的避碰问题，本专利技术引入人工势场法解决船舶的实时避碰控制问题。在船舶沿着规划的路径向目的地航行时，实时监测船舶运动状态与外界环境状态，对可能发生的碰撞提前感知，然后通过前述方案调整船舶航向航速，避免碰撞。4、本专利技术提供的基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，计算量小，易于实船应用，有利于无人船编队的实现。基于上述理由本专利技术可在信息技术与船舶编队分布式控制等领域广泛推广。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的方法流程图。图2为本专利技术实施例提供的传统RRT路径规划过程与效果图。图3为本专利技术实施例提供的人工势场区域设计图。图4为本专利技术实施例提供的避碰及避障原理图。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1、通过已知的海图信息与水道信息，结合船舶操纵性、船宽船长、船舶吃水参数，设定船舶航行安全条件；/nS2、根据规定的航行安全条件，将电子海图中不符合该条件的区域视为不可航行区域，建立包含航行起点和终点的海图坐标系，利用路径规划方法将不可航行区域视为障碍物，规划出船舶航行路径；/nS3、在跟随规划航线的过程中，通过对船舶自身状态与外界环境的信息进行实时采集，感知外部障碍物与邻近船舶信息；/nS4、通过随船坐标系，建立船舶避碰与避障斥力场，通过船舶航速与传感器感知范围，设定势场的触发距离与势场力梯度大小；/nS5、根据局部环境信息、规划航线与船舶实时动态，计算出船舶所受的控制力矩。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过已知的海图信息与水道信息，结合船舶操纵性、船宽船长、船舶吃水参数，设定船舶航行安全条件；
S2、根据规定的航行安全条件，将电子海图中不符合该条件的区域视为不可航行区域，建立包含航行起点和终点的海图坐标系，利用路径规划方法将不可航行区域视为障碍物，规划出船舶航行路径；
S3、在跟随规划航线的过程中，通过对船舶自身状态与外界环境的信息进行实时采集，感知外部障碍物与邻近船舶信息；
S4、通过随船坐标系，建立船舶避碰与避障斥力场，通过船舶航速与传感器感知范围，设定势场的触发距离与势场力梯度大小；
S5、根据局部环境信息、规划航线与船舶实时动态，计算出船舶所受的控制力矩。


2.根据权利要求1所述的基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括：
S21、根据电子海图与AIS数据建立包含船舶运动起点和终点的经纬坐标系；
S22、通过预设定的船舶航行安全条件和坐标系中的等深线数据，划分可航行区域与不可航行区域；
S23、将上述不可航行区域定义为障碍物，通过RRT路径规划方法进行全局路径规划，所规划的路径作为船舶跟踪的期望路径。


3.根据权利要求1或2所述的基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法，其特征在于，所述的步骤S4具体包括：
S41、建立随船坐标系，通过全球定位系统、雷达图像、AIS数据和船舶上的传感器采集的航道数据，建立以船舶自身为原点的直角坐标系，并通过采集到的信息确定障碍物和编队内邻近的其它船舶在坐标系中的位置坐标；
S42、提取航道与障碍物数据，并通过编队通信网获得队内所有船舶的位置信息，根据获得的信息建立船舶间斥力场与障碍物边界斥力场：









式中，i、j分别为本船与进入本船势场内的船舶标号，为避碰辅助函数，其中ζij为队内他船与本船相对距离，σ1为常数，χc和为避碰...

【专利技术属性】
技术研发人员：李铁山，杨顺，单麒赫，陈俊龙，肖杨，左毅，武越，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21