一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法，包括以下步骤：建立船舶会遇场景的域型梯度场递减模型；建立船舶航行运动约束模型；建立船舶航行运动约束模型后，针对不同的船舶会遇场景建立与之对应的各场景的域型梯度场模型；将不同的船舶会遇场景航路设计问题转化为带有约束的非线性优化问题并求解，实现船舶局部航路设计并达到目标点。本发明专利技术在船舶运行过程中，在船上利用一种智能自主装置采集本船、他船及障碍物的信息，通过判断行驶过程中各方位置及状态，提供有效的运动决策，保证船舶安全。保证船舶安全。保证船舶安全。

【技术实现步骤摘要】
一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法与装置


[0001]本专利技术属于水路交通领域，具体涉及一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法与装置。

技术介绍

[0002]随着航运业的发展，船舶密度不断增加，航道愈发拥挤，船舶发生碰撞等事故的风险陡增。而船舶事故会对生命、财产、环境造成极大损失。近年来，随着人工智能、大数据、先进传感器、北斗卫星导航等技术的飞速发展，自主水面船舶已成为航运产业和船舶工业智能化发展的必然趋势。由于船舶具有非线性、高迟滞、大惯性等动力学特性，以及需遵守海上交通规则，因此如何在船舶复杂会遇场景中实现船舶自主安全行驶具有挑战。目前大多船舶运动航线设计方法考虑会遇相对简单且未考虑时间属性，当多艘船舶会遇时难以生成安全行驶路线。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于，提供一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法与装置，在船舶运行过程中，在船上利用一种智能自主装置采集本船、他船及障碍物的信息，通过判断行驶过程中各方位置及状态，提供有效的运动决策，保证船舶安全。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案为：一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法，应用于一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行装置，该装置包括信息流传递单元、数据处理单元、设计输出单元和效果评估单元；其中，
[0005]信息流传递单元，将船舶感知系统所捕获的其他单位的位置、大小、位移以及时间信息传递到数据处理单元，由数据存储单元进行分析、处理；
[0006]数据处理单元，接收信息流传递单元输送进来的各种信息和数据流，并采用栅格法进行地图建模，对各单元建立场强影响范围，在此基础上对船舶、障碍物的各项信息数据进行加工处理；数据处理单元还包含一种存储介质，其内存有求解最优路线的算法程序；
[0007]设计输出单元，将由存储介质中的算法程序求解出的最优路线下发至船舶控制端，引导船舶在最优路线下进行行驶；
[0008]效果评估单元，通过将船舶实际的前进路线与求解得出的最优路线进行对比分析，对最优路线的设计效果进行评价，为装置改进优化提供基础数据；
[0009]本方法包括以下步骤：
[0010]建立船舶会遇场景的域型梯度场递减模型；
[0011]建立船舶航行运动约束模型；
[0012]建立船舶航行运动约束模型后，针对不同的船舶会遇场景建立与之对应的各场景的域型梯度场模型；
[0013]将不同的船舶会遇场景航路设计问题转化为带有约束的非线性优化问题并求解，实现船舶局部航路设计并达到目标点。
[0014]建立船舶会遇场景的域型梯度场递减模型的具体步骤为：
[0015]在船舶会遇静止物体时，船舶以自身位置为中心建立探测区域，以探测区域的大小为半径建立一个圆形的场强影响范围的静态域型梯度场计算场强；
[0016]在船舶会遇运动物体时，考虑运动物体自身存在的领域场，建立动态域型梯度场；
[0017]结合静态域型梯度场和动态域型梯度场形成域型梯度场递减模型。
[0018]静态域型梯度场中场强的计算方法为：
[0019][0020]β
s
＝
‑
ln(P
min
)/(μR
s
)2[0021][0022]β
t
＝
‑
ln(P
min
)/(D
S2G
)2[0023]式中，D
so
是船舶与静态物体之间的距离，β
s
代表不同静态物风险的可调参数，μ代表静态物探测区域的常数，R
s
是静止单位的半径，Pmin为最小强度值，D
SG
和D
S2G
分别是船舶和起点到终点的距离。
[0024]建立动态域型梯度场的步骤包括：
[0025]计算运动物体自身存在的领域场，其计算方法为：
[0026][0027]式中，P为船的位置，λ
d
为不同的风险可调参数，P
amp
为领域的放大系数，L为船长；
[0028]将Coldwell船舶领域和四元船舶领域相结合，得到动态域型梯度场，表示为：
[0029]QSD＝{(x,y)∣f
dm
(x,y:Q)≤1,Q＝6.1L,3.9L,3.25L,1.75L}
[0030]式中,QSD为四元船舶领域，x为以船体中心为原点建立的坐标轴的x轴方向，y为y轴方向,f
dm
代表边界。
[0031]建立船舶航行运动约束模型的具体方法为，根据一阶线性Nomoto模型进行建立，表示为：
[0032][0033]式中，K、T均为船舶的操作性系数，分别代表船舶的旋回性指数和追随性指数，r为艏摇角速度，δ为舵角。
[0034]船舶会遇场景至少包括船舶对遇会遇场景、船舶交叉会遇场景和船舶追越会遇场景；其中船舶对遇会遇场景又包括左舷来船对遇场景、正前方来船对遇场景和右舷来船对遇场景；船舶追越会遇场景又包括
①
本船被追越，本船保持原来的航向和速度继续行驶，由对方进行转向以避免两船遭遇的场景和
②
本船追越对方，本船需转向让路的场景。
[0035]将不同的船舶会遇场景航路设计问题转化为带有约束的非线性优化问题并求解时引入了模型预测策略。
[0036]将不同的船舶会遇场景航路设计问题转化为带有约束的非线性优化问题并求解的算法原理为在第i时刻，根据船舶自身状态信息和预测的环境信息，在预测步长N
p
内求得
船舶的最小代价运动序列，并将预测的最小代价运动序列中的第一步作为第(i+1)时刻的输出运动指令。
[0037]求解的带有约束的非线性优化问题至少包括以下内容：
[0038]船舶运动约束：船舶运动约束：
[0039]船舶舵角约束：δ
min
≤δ
i
≤δ
max
[0040]船舶船艏向角度约束：
[0041]船舶舵角到船艏角速度的约束：
[0042]目标函数：描述船舶在第i时刻，预测步长N
p
内期望累计最小；
[0043]其中，Ψ
i
为第i时刻的船艏向，L
i
为第i时刻的船舶位置，P
t
c为船舶航行受到的风、流干扰，P
t
是船舶运动模拟单位时间间隔，h＝P
t
/N为离散化步长，N代表离散化步数，u
i
为第i时刻的船艏前进速度，δ
min
为预设的船舶舵角约束最小值，δ
max
为预设的船舶舵角约束最大值，δ为舵角，δ
i
为第i时刻的舵角，r
i
为第i时刻的船艏角速度，r
t
为船艏角速度，α为非线性系数，F为预测的最小场强，P...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法，其特征在于，应用于一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行装置，该装置包括信息流传递单元、数据处理单元、设计输出单元和效果评估单元；其中，信息流传递单元，将船舶感知系统所捕获的其他单位的位置、大小、位移以及时间信息传递到数据处理单元，由数据存储单元进行分析、处理；数据处理单元，接收信息流传递单元输送进来的各种信息和数据流，并采用栅格法进行地图建模，对各单元建立场强影响范围，在此基础上对船舶、障碍物的各项信息数据进行加工处理；数据处理单元还包含一种存储介质，其内存有求解最优路线的算法程序；设计输出单元，将由存储介质中的算法程序求解出的最优路线下发至船舶控制端，引导船舶在最优路线下进行行驶；效果评估单元，通过将船舶实际的前进路线与求解得出的最优路线进行对比分析，对最优路线的设计效果进行评价，为装置改进优化提供基础数据；本方法包括以下步骤：建立船舶会遇场景的域型梯度场递减模型；建立船舶航行运动约束模型；建立船舶航行运动约束模型后，针对不同的船舶会遇场景建立与之对应的各场景的域型梯度场模型；将不同的船舶会遇场景航路设计问题转化为带有约束的非线性优化问题并求解，实现船舶局部航路设计并达到目标点。2.根据权利要求1所述的一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法，其特征在于，建立船舶会遇场景的域型梯度场递减模型的具体步骤为：在船舶会遇静止物体时，船舶以自身位置为中心建立探测区域，以探测区域的大小为半径建立一个圆形的场强影响范围的静态域型梯度场计算场强；在船舶会遇运动物体时，考虑运动物体自身存在的领域场，建立动态域型梯度场；结合静态域型梯度场和动态域型梯度场形成域型梯度场递减模型。3.根据权利要求2所述的一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法，其特征在于，静态域型梯度场中场强的计算方法为：β
s
＝
‑
ln(P
min
)/(μR
s
)2β
t
＝
‑
ln(P
min
)/(D
S2G
)2式中P
s
是静态障碍物的场强，P
G
是目标点的场强，D
so
是船舶与静态物体之间的距离，β
s
代表不同静态物风险的可调参数，μ代表静态物探测区域的常数，R
s
是静止单位的半径，Pmin为最小强度值，D
SG
和D
S2G
分别是船舶和起点到终点的距离。4.根据权利要求2所述的一种基于域型梯度场的船舶动态自主航行方法，其特征在于，建立动态域型梯度场的步骤包括：计算运动物体自身存在的领域场，其计算方法为：
式中，P
d
为域型障碍物的场强，假设域型障碍物d的领域区域，该领域区域用闭合曲线f
d
(L)＝1进行描述，P为船的位置，λ
d
为不同的风险可调参数，P
amp
为领域的放大系数，L为船长；将Coldwell船舶领域和四元船舶领域相结合，得到动态域型梯度场，表示为：QSD＝{(x,y)∣f
dm
(x,y:Q)≤1,Q＝6.1L,3.9L,3.25L,1.75L}式中,QSD为四元船舶领域，x为以船体中心为原点建立的坐标轴的x轴方向，y为以船体中心为原点建立的坐标轴的y轴方向,f
dm
代表边界。5.根据权利要求1所述的一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：柳晨光，张康，贺治卜，初秀民，王晨光，李泰隆，赖龙华，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：