一种多船会遇避碰方法技术

本发明专利技术公开一种多船会遇避碰方法，首先依据最近会遇距离和最近会遇时间将来船划分为安全航行船舶和存在碰撞危险船舶，其次，在判断避让方向时，根据安全航行船舶和存在碰撞危险船舶的位置及相对运动参数，避免避让行动对安全船舶产生影响，形成新的碰撞危险；在确定避让幅度时，选择与所有来船在尽可能远的距离上通过，避免更紧迫的碰撞危险形成；同时，在避让决策过程中充分考虑多船避让下的协调性和合理性，从而构建基于避让冲突消解策略下的多船避碰决策，该多船避碰决策具有良好的避让效果。

A collision avoidance method for multiple ships

【技术实现步骤摘要】
一种多船会遇避碰方法
本专利技术涉及智能船舶航行控制领域，尤其涉及一种多船会遇避碰方法。
技术介绍
随着人工智能、大数据及船联网技术的快速发展，船舶智能航行在航海上的应用成为海上智能交通的重要研究领域。自动驾驶技术是船舶智能航行的核心内容，而船舶避碰决策研究又是自动驾驶技术的核心内容。船舶避碰决策研究中多船会遇局面下的避碰决策为难点问题之一。针对多船避碰决策研究，多数研究仅仅考虑“本船”进行避让操作，假设“来船”保向保速或已知运动轨迹，利用遗传算法、速度障碍和粒子群优化算法等求取船舶避碰方案；部分研究则为会遇的每艘船舶规划航行路径，船舶必须按照生成路径行驶才能安全通过，这与实际海上船舶避碰决策存在较大差异。实际海上船舶避碰决策通常是每艘船舶驾驶员实时根据船舶方位、距离等独立做出决策，并根据船舶位置及参数变化实时更新、优化避让方案；同时船舶会遇过程具有随机性和不确定性，因此，分布式避碰决策更符合实际海上避碰。分布式避碰决策是指会遇中的每艘船舶通过观测/预测来船位置和运动信息，独立制定避让行动方案，并以特定步长滚动更新避让方案，能够更好地适应海上会遇场景的随机性和不确定性，降低避碰算法的复杂度，具有更大的实用价值。目前，基于分布式的避碰决策研究已经取得一定的成果。如，Kim等发表的DistributedStochasticSearchAlgorithmforMulti-shipEncounterSituations[J].JournalofNavigation,2017,70(4):699-718(应用于多船会遇场景的分布随机搜索算法，导航学报，2017，70(4)：699-718)，采用分布随机搜索算法(DSSA)来减少通信次数，缩短计算时间，但研究中尚未融入避碰规则；Li等发表的Distributedcoordinationforcollisionavoidanceofmultipleshipsconsideringshipmaneuverability[J].OceanEngineering,2019,181:212-226(基于船舶轨迹针对多船避碰的分布式协调策略，海洋工程，2019，181:212-226)，提出了一个分布式协调策略，基于船舶轨迹预测评估碰撞风险，再通过优化策略找到最有效的避碰策略，避让中需进行多次协调通信，且未考虑避碰规则；张金奋等发表的Adistributedanti-collisiondecisionsupportformulationinmulti-shipencountersituationsunderCOLREGs[J].OceanEngineering,2015,105:336-348(依据国际海上避碰规则适用于多船会遇场景的分布式避碰决策制定，海洋工程，2015，105:336-348)，依据避碰规则分别建立让路船和直航船的避让行动模型应用于多船避让，但避让行动的制定主要依据两船避让，未考虑船舶避让对附近其他船的影响。由于避碰规则仅对两船避碰进行规定，无法直接应用于多船避碰。目前多船避碰研究主要包括：将避碰规则融入到避让评价函数，以及基于避让重点船确定避让行动。其中，将避碰规则融入到避让评价函数，可能存在不完全遵守规则的情况；而基于避让重点船选取碰撞危险度最大的船舶进行避让，由于未考虑船舶避让行动对附近其他船舶的影响，导致可能出现避让幅度及时间极大的情况，甚至形成新的碰撞危险或更紧迫的碰撞危险。因此，亟需提供一种多船会遇避碰方法，通过该方法消解多船会遇时需要避让多艘船舶行动不一致产生的避让冲突，以使得在多船会遇场景下能够快速制定满足避碰规则和设置安全距离的避碰方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种多船会遇避碰方法，该方法构建基于避让冲突消解策略的多船避碰决策，通过该避碰决策，能够消解多船会遇时需要避让多艘船舶行动不一致产生的避让冲突，进而避免船舶避让时形成新的碰撞危险或形成更紧迫的碰撞危险。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种多船会遇避碰方法，包括：采集本船及预设第一距离内的其他船舶的位置及运行参数，计算本船与所述其他船舶的最近会遇距离、最近会遇时间及安全会遇距离，并依据计算结果将所述其他船舶划分为安全航行船舶和存在碰撞危险船舶；依据所采集的位置参数计算船舶间距离，并依据船舶间距离对船舶会遇进行危险等级划分；根据安全航行船舶和存在碰撞危险船舶的划分结果，参考危险等级划分结果确定本船避让方向；根据所设定的避让幅度集，按照预设的避让原则确定避让幅度。优选地，确定本船避让方向包括：(1)本船附近无碰撞危险船舶时，无需避让；(2)本船附近均为碰撞危险船舶时，依据距离确定最近碰撞危险船舶，依据最近碰撞危险船舶确定本船的避让方向；(3)本船附近存在碰撞危险船舶和安全航行船舶时，依据距离确定最近碰撞危险船舶和最近安全航行船舶，并根据最近碰撞危险船舶和最近安全航行船舶所处不同会遇阶段，依据本船与最近安全航行船舶的相对运动线变化不应靠近最近安全航行船舶的原则，确定本船的避让方向。优选地，预设的避让原则包括：(1)尽可能让清所有来船；(2)如无法让清所有来船，尽可能让清第一距离内来船；(3)如仍无法让清第一距离内来船，则选择候选避让幅度集中的避让幅度，能够使与来船的最近会遇距离最大的情况进行避让。优选地，在采取避让行动一段时间后，依据下列原则恢复原航向：在本船与来船不存在碰撞危险且本船恢复原航向也与来船不存在碰撞危险时，或本船与最近船舶距离大于第二距离时，恢复原航向。优选地，对于参与会遇的每艘船舶均独立自主进行避让判断，并通过滚动更新的方法实现船舶避让方案更新与修正。优选地，当参与会遇的任意船舶i，i∈N，N为参与会遇船舶集，在确定避让行动方案时，存在碰撞危险的最近船舶设为r船，最近的安全航行船舶设为s船；在确认避让方向时，以-1代表左转，0代表保向保速，1代表右转，ms代表远离s船避让方向，dir(t)表示t时刻i船与r船之间的距离，dis(t)表示t时刻i船与s船之间的距离，Stair(t)表示t时刻i船与r船的会遇阶段，Stais(t)表示t时刻i船与s船的会遇阶段，δi(t)表示t时刻i船避让方向，δir(t)表示t时刻i船仅考虑r船避让方向，SDA表示安全会遇距离，RCir(t)、TCir(t)和RVCir(t)分别表示t时刻r船相对i船的相对方位、真方位和运动方向，则避让方向确定进一步包括：1)i船附近无碰撞危险船舶，无需避让，δi(t)＝0；2)i船附近均为碰撞危险船舶，i船根据r船进行避让，δi(t)＝δir(t)；3)i船附近同时存在碰撞危险船舶和安全航行船舶，依据距离确定r船和s船，基于i船避让后，i船与s船的相对运动线变化不应靠近s船的原则，依据r船和s船与i船的不同会遇阶段确定i船的避让方向，如下所示：①i船与r船构成对遇局面当dir(t)>dis(t)，如ms≠1，则应选择δi(t)＝0，否则δi本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多船会遇避碰方法，其特征在于，包括：/n采集本船及预设第一距离内的其他船舶的位置及运行参数，计算本船与所述其他船舶的最近会遇距离、最近会遇时间及安全会遇距离，并依据计算结果将所述其他船舶划分为安全航行船舶和存在碰撞危险船舶；/n依据所采集的位置参数计算船舶间距离，并依据船舶间距离对船舶会遇进行危险等级划分；/n根据安全航行船舶和存在碰撞危险船舶的划分结果，参考危险等级划分结果确定本船避让方向；/n根据所设定的避让幅度集，按照预设的避让原则确定避让幅度。/n

【技术特征摘要】
1.一种多船会遇避碰方法，其特征在于，包括：
采集本船及预设第一距离内的其他船舶的位置及运行参数，计算本船与所述其他船舶的最近会遇距离、最近会遇时间及安全会遇距离，并依据计算结果将所述其他船舶划分为安全航行船舶和存在碰撞危险船舶；
依据所采集的位置参数计算船舶间距离，并依据船舶间距离对船舶会遇进行危险等级划分；
根据安全航行船舶和存在碰撞危险船舶的划分结果，参考危险等级划分结果确定本船避让方向；
根据所设定的避让幅度集，按照预设的避让原则确定避让幅度。


2.根据权利要求1所述的多船会遇避碰方法，其特征在于，确定本船避让方向包括：(1)本船附近无碰撞危险船舶时，无需避让；(2)本船附近均为碰撞危险船舶时，依据距离确定最近碰撞危险船舶，依据最近碰撞危险船舶确定本船的避让方向；(3)本船附近存在碰撞危险船舶和安全航行船舶时，依据距离确定最近碰撞危险船舶和最近安全航行船舶，并根据最近碰撞危险船舶和最近安全航行船舶所处不同会遇阶段，依据本船与最近安全航行船舶的相对运动线变化不应靠近最近安全航行船舶的原则，确定本船的避让方向。


3.根据权利要求1所述的多船会遇避碰方法，其特征在于，预设的避让原则包括：(1)尽可能让清所有来船；(2)如无法让清所有来船，尽可能让清第一距离内来船；(3)如仍无法让清第一距离内来船，则选择候选避让幅度集中的避让幅度，能够使与来船的最近会遇距离最大的情况进行避让。


4.根据权利要求1所述的多船会遇避碰方法，其特征在于，在采取避让行动一段时间后，依据下列原则恢复原航向：在本船与来船不存在碰撞危险且本船恢复原航向也与来船不存在碰撞危险时，或本船与最近船舶距离大于第二距离时，恢复原航向。


5.根据权利要求1所述的多船会遇避碰方法，其特征在于，对于参与会遇的每艘船舶均独立自主进行避让判断，并通过滚动更新的方法实现船舶避让方案更新与修正。


6.根据权利要求1所述的多船会遇避碰方法，其特征在于，当参与会遇的任意船舶i，i∈N，N为参与会遇船舶集，在确定避让行动方案时，存在碰撞危险的最近船舶设为r船，最近的安全航行船舶设为s船；在确认避让方向时，以-1代表左转，0代表保向保速，1代表右转，ms代表远离s船避让方向，dir(t)表示t时刻i船与r船之间的距离，dis(t)表示t时刻i船与s船之间的距离，Stair(t)表示t时刻i船与r船的会遇阶段，Stais(t)表示t时刻i船与s船的会遇阶段，δi(t)表示t时刻i船避让方向，δir(t)表示t时刻i船仅考虑r船避让方向，SDA表示安全会遇距离，RCir(t)、TCir(t)和RVCir(t)分别表示t时刻r船相对i船的相对方位、真方位和运动方向，则避让方向确定进一步包括：
1)i船附近无碰撞危险船舶，无需避让，δi(t)＝0；
2)i船附近均为碰撞危险船舶，i船根据r船进行避让，δi(t)＝δir(t)；
3)i船附近同时存在碰撞危险船舶和安全航行船舶，依据距离确定r船和s船，基于i船避让后，i船与s船的相对运动线...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘克中，刘炯炯，袁志涛，杨星，张金奋，吴晓烈，王伟强，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42