CN109976342A - 一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法；包括S1获取本船和多个来船的当前位置信息、回转角速度、船速和船长，船舶运动冲突半径；S2获取下一时刻来船的位置集合和本船的航速和回转角速度范围；S3对航速和回转角速度进行组合获取预测航行点集合；S4获取预测航行点和来船的距离评价函数值；S5判断本船的制动距离是否小于距离评价函数值，若是则记录该预测航行点，否则本船紧急制动；S6计算记录的预测航行点的整体评价函数值，获取最优航速和最优回转角速度并返回步骤S1直至到达目标点；本发明方法结合船舶动界，在紧迫局势时能停船处理，有效的保证智能船舶的安全性；避碰和复航根据评价函数选取，可靠性高。

Description

一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法

技术领域

本发明涉及智能船舶航行控制领域，尤其涉及一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法。

背景技术

智能船舶是指利用传感器、通信、物联网和互联网等技术手段，自动感知和获取船舶自身、海洋环境、物流、港口等多方信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现无人化、智能化运行的船舶。海上船舶的避碰问题一直是航海科学技术的重点研究技术领域，由于船舶受航海水域、海况、气象条件、交通密集、船舶自身条件已经驾驶员的操作经验和水平等因素的影响导致船舶遭遇碰撞、触礁或火灾等意外事故，进而也带了了巨大的经济损失，由此可见，船舶避碰智能化是当前国际航海学术届研究的重要课题。

一方面，传统的船舶避碰方法一般根据人为经验，且在转向时按照定值转向角直至完全避碰；避碰条件仅考虑两船到达最近会遇点的距离(以下简称DCPA)和两船到达最近会遇点的时间(以下简称TCPA)两个因素，根据人为经验判断的传统船舶避碰方法无法直接应用于智能船舶领域；另一方面，现有智能避碰技术仅对船舶转向进行操作，实用性差没有考虑船舶自身的因素，无法保证船舶的安全性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术仅考虑DCPA和TCPA两个因素且只考虑两两避碰的情况，不适用于智能船舶多船避让且实用性差的技术问题，本发明提供一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

S1、分别获取本船和多个来船的当前位置信息、回转角速度、船速和船长，根据本船和多个来船的船长确定船舶动界，并根据所述船舶动界获取船舶运动冲突半径R；

S2、根据所述多个来船的当前位置信息、回转角速度和航速，获取下一时刻多个来船的位置集合(x_obt,y_obt)，根据本船回转角速度、航速获取本船下一时刻的航速范围和回转角速度范围；

S3、针对本船下一时刻的航速范围和回转角速度范围，对航速范围内的任一航速和回转角速度范围内任一回转角速度进行组合，获取所有组合对应的本船的预测航行点集合(x_ot,y_ot)、航速评价函数值v_eval和航向评价函数值heading；

S4、利用所述本船的预测航行点集合(x_ot,y_ot)、本船的目标点和所述船舶运动冲突半径R，获取每一预测航行点和所有来船的距离评价函数值dist；

S5、针对每一所述预测航行点获取本船的制动距离TotalDist_stop，并判断所述本船的制动距离TotalDist_stop是否小于所述距离评价函数值dist，若是，则记录该预测航行点、到达该预测航行点的预测航速和预测回转角速度；

否则，令本船保持当前时刻的回转角速度，并以两倍船舶约束线加速度减速直至本船停止；

S6、利用公式一计算记录的预测航行点的整体评价函数值，本船根据整体评价函数值获取最优航速和最优回转角速度行驶一个时刻并返回步骤S1，直至本船到达目标点；

公式一：f_eval＝α·heading+β·dist+γ·v_eval；

其中，f_eval为整体评价函数值；heading为航向评价函数值；dist为距离评价函数值；v_eval为航速评价函数值；α为航向评估参数；β为距离评估参数；γ为航速评估参数。

可选地，在步骤S2和S3之间还包括：

确定本船与所有来船的会遇态势，计算本船与所有来船的碰撞危险度，根据所述碰撞危险度获取重点避让船。

可选地，，在步骤S6还包括：

根据本船与所述重点避让船的会遇态势，按照国际海上避碰规则中的转向要求对所述最优回转角速度的正负加以修正。

可选地，在步骤S2中利用公式二至四获取下一时刻所述多个来船的位置集合(x_obt,y_obt)；

公式二：θ_obt(i)＝θ_ob(i)+ω_ob(i)Δt；

公式三：x_obt(i)＝x_ob(i)+v_ob(i)Δtcos(θ_obt(i))；

公式四：y_obt(i)＝y_ob(i)+v_ob(i)Δtsin(θ_obt(i))；

其中，x_obt和y_obt为下一时刻来船位置的经度和纬度；θ_obt为下一时刻来船的航向；x_ob和y_ob为当前时刻来船位置的经度和纬度；v_ob为来船的航速；ω_ob为来船的回转角速度；i为来船的编号；θ_ob为当前时刻来船的航向；Δt为数据采集时间间隔。

可选地，在步骤S2中利用公式五和六获取本船下一时刻本船的航速范围和回转角速度范围；

公式五：v_ot∈[v_o-a_oΔt,v_o+a_oΔt]；

公式六：ω_ot∈[ω_o-a_roΔt,ω_o+a_roΔt]；

其中，v_ot为下一时刻本船可能达到的航速；ω_ot为下一时刻本船可能达到的回转角速度；v_o为当前时刻本船的航速；a_o为当前时刻本船的线性加速度；ω_o为当前时刻本船的回转角速度；a_ro为当前时刻本船的回转角加速度；Δt为数据采集时间间隔。

可选地，其特征在于，在步骤S3中利用公式七至九获取预测航行点集合(x_ot,y_ot)；

公式七：θ_ot＝θ_o+ω_otΔt；

公式八：x_ot＝x_o+v_otΔtcosθ_ot；

公式九：y_ot＝y_o+v_otΔtsinθ_ot；

其中，x_ot和y_ot为下一时刻本船可能会达到的位置的经度和纬度；θ_ot为下一时刻本船可能会达到的航向；v_ot为下一时刻本船可能会达到的航速；ω_ot为下一时刻本船可能会达到的回转角速度；x_o和y_o为当前时刻本船位置的经度和纬度；θ_o为当前时刻本船的航向；Δt为数据采集时间间隔。

可选地，在步骤S4中利用公式十至十一获取每一预测航行点和多个来船的距离评价函数值dist；

公式十：

公式十一：dist＝min(dist_tmp)；

其中，x_obt和y_obt为预测来船位置的经度和纬度；x_ot和y_ot为预测本船位置的经度和纬度；R为本船与来船的船舶运动冲突半径；i为来船的编号。

可选地，利用公式十二至十三计算航向评价函数heading；

公式十二：

公式十三：heading＝180-θ_target；

其中，θ_target为预测的本船位置偏航角度；θ_ot为预测的本船位置达到的航向；x_ot和y_ot为预测得本船位置的经度和纬度；x_goal和y_goal为目标点的经度和纬度。

可选地，利用公式十四计算航速评价函数；

公式十四：v_eval＝v_ot(v_eval≥0)；

其中，v_eval为航速评价函数值；v_ot为预测的下一时刻本船可能会达到的航速。

可选地，在步骤S5中利用公式十五至十六获取本船的制动距离TotalDist_stop；

公式十五：dist_stop(j+1)＝dist_stop(j)+v_stop(j)Δt；

公式十六：v_stop(j+1)＝v_stop(j)-a_oΔt；

其中，dist_stop为本船制动距离集合；v_stop为本船制动速度集合；a_o为本船运动线性加速度；Δt为数据采集时间间隔；j为循环计算计数器，初始值为1，dist_stop初始值为dist_stop(1)＝0，v_stop初始值为v_stop(1)＝v_eval，循环结束条件为v_stop(j)＜0，且选取本船制动距离集合最后一次循环所得dist_stop(j+1)为本船制动距离TotalDist_stop。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：首先，本发明方法能够控制智能船舶的航向和航速，且整个运动过程符合船舶运动特性；其次令船舶根据动界绕过船尾避碰，保证智能船舶安全性；再次，本方法具有船舶会遇紧迫局势时减速甚至停船处理，有效的保证智能船舶的安全性；最后，避碰过程和复航过程根据评价函数选取，避免根据人为经验设定条件时的不可靠性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法流程示意图；

图2a为本发明一实施例提供的在开阔水域时使用的椭圆形船舶动界；

图2b为本发明一实施例提供的在狭窄水域或者受限水域时使用的椭圆形船舶动界；

图3为本发明一实施例提供的仿真初始状态示意图；

图4为本发明一实施例提供的本船开始避让来船1示意图；

图5为本发明一实施例提供的本船避让来船1完成后复航示意图；

图6为本发明一实施例提供的本船开始避让来船2示意图；

图7为本发明一实施例提供的本船避让来船2完成后复航示意图；

图8为本发明一实施例提供的仿真结束状态示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法：

S1、分别获取本船和多个来船的当前位置信息、回转角速度、船速和船长，根据本船和多个来船的船长确定船舶动界，并根据所述船舶动界获取船舶运动冲突半径R；

具体地举例来说智能船舶设置有GPS、AIS和雷达等传感器，借助智能船舶装载的传感器获取本船和来船的当前位置信息、回转角速度、船速和船长，船舶动界针对本船和来船均需计算，船舶运动冲突半径实则为本船与来船的船舶动界相切时两船间距；在本实施例中如图2a示出了椭圆形船舶动界的在开阔水域时的长轴和短轴，4L和1.6L对应的模型为开阔水域是使用的椭圆形船舶动界模型；如图2b示出了椭圆形船舶动界的在狭窄或受限水域时的长轴和短轴，3L和0.8L为狭窄水域或受限水域时的船舶动界，其中L为船舶船长，船舶根据动界绕过船尾避碰，保证智能船舶安全性；

S2、根据所述多个来船的当前位置信息、回转角速度和航速，获取下一时刻多个来船的位置集合(x_obt,y_obt)，根据本船回转角速度、航速获取本船下一时刻的航速范围和回转角速度范围；

在步骤S2中利用公式1至3获取下一时刻所述多个来船的位置集合(x_obt,y_obt)；

公式1：θ_obt(i)＝θ_ob(i)+ω_ob(i)Δt；

公式2：x_obt(i)＝x_ob(i)+v_ob(i)Δtcos(θ_obt(i))；

公式3：y_obt(i)＝y_ob(i)+v_ob(i)Δtsin(θ_obt(i))；

其中，x_obt和y_obt为下一时刻来船位置的经度和纬度；θ_obt为下一时刻来船的航向；x_ob和y_ob为当前时刻来船位置的经度和纬度；v_ob为来船的航速；ω_ob为来船的回转角速度；i为来船的编号；θ_ob为当前时刻来船的航向；Δt为数据采集时间间隔。

利用公式4和5获取本船下一时刻本船的航速范围和回转角速度范围；

公式4：v_ot∈[v_o-a_oΔt,v_o+a_oΔt]；

公式5：ω_ot∈[ω_o-a_roΔt,ω_o+a_roΔt]；

其中，v_ot为下一时刻本船可能达到的航速；ω_ot为下一时刻本船可能达到的回转角速度；v_o为当前时刻本船的航速；a_o为当前时刻本船的线性加速度；ω_o为当前时刻本船的回转角速度；a_ro为当前时刻本船的回转角加速度；Δt为数据采集时间间隔。

S3、针对本船下一时刻的航速范围和回转角速度范围，对航速范围内的任一航速和回转角速度范围内任一回转角速度进行组合，获取所有组合对应的本船的预测航行点集合(x_ot,y_ot)、航速评价函数值v_eval和航向评价函数值heading；

在步骤S3中利用公式6至8获取预测航行点集合(x_ot,y_ot)；

公式6：θ_ot＝θ_o+ω_otΔt；

公式7：x_ot＝x_o+v_otΔtcosθ_ot；

公式8：y_ot＝y_o+v_otΔtsinθ_ot；

其中，x_ot和y_ot为下一时刻本船可能会达到的位置的经度和纬度；θ_ot为下一时刻本船可能会达到的航向；v_ot为下一时刻本船可能会达到的航速；ω_ot为下一时刻本船可能会达到的回转角速度；x_o和y_o为当前时刻本船位置的经度和纬度；θ_o为当前时刻本船的航向；Δt为数据采集时间间隔。

其中，航速评价函数表示为：

公式9：v_eval＝v_ot(v_eval≥0)；

其中，v_eval为航速评价函数值；v_ot为预测的下一时刻本船可能会达到的航速；举例来说，此处选取的下一时刻本船可能会达到的航速的绝对值作为航速评价函数值。

航向评价函数通过公式10-11获取：

公式10：

其中，θ_target为预测的本船位置偏航角度；θ_ot为预测的本船位置达到的航向；x_ot和y_ot为预测得本船位置的经度和纬度；x_goal和y_goal为目标点的经度和纬度；

公式11：heading＝180-θ_target；

其中，heading为航向评价函数值；θ_target为预测的本船位置偏航角度；

举例来说，使用回转角速度进行转向操作取代现有技术中直接获取转向角进行转向操作，符合船舶的回转性，船舶回转性是使船舶圆弧运动的能力，与船舶避让、避碰、靠离码头、灵活掉头有关；

计算预测的本船位置与来船运动冲突区域边界之间的距离dist_tmp；

S4、利用所述本船的预测航行点集合(x_ot,y_ot)、本船的目标点和所述船舶运动冲突半径R，获取每一预测航行点和所有来船的距离评价函数值dist；

利用公式12至13获取每一预测航行点和多个来船的距离评价函数值dist；

公式12：

公式13：dist＝min(dist_tmp)；

其中，x_obt和y_obt为预测来船位置的经度和纬度；x_ot和y_ot为预测本船位置的经度和纬度；R为本船与来船的船舶运动冲突半径；i为来船的编号。

S5、针对每一所述预测航行点获取本船的制动距离TotalDist_stop，并判断所述本船的制动距离TotalDist_stop是否小于所述距离评价函数值dist，若是，则记录该预测航行点、到达该预测航行点的预测航速和预测回转角速度；

利用公式14至15获取本船的制动距离TotalDist_stop；

公式14：dist_stop(j+1)＝dist_stop(j)+v_stop(j)Δt；

公式15：v_stop(j+1)＝v_stop(j)-a_oΔt；

其中，dist_stop为本船制动距离集合；v_stop为本船制动速度集合；a_o为本船运动线性加速度；Δt为数据采集时间间隔；j为循环计算计数器，初始值为1，dist_stop初始值为dist_stop(1)＝0，v_stop初始值为v_stop(1)＝v_eval，循环结束条件为v_stop(j)＜0，且选取本船制动距离集合最后一次循环所得dist_stop(j+1)为本船制动距离TotalDist_stop；

否则，令本船保持当前时刻的回转角速度，并以两倍船舶约束线加速度减速直至本船停止；举例来说本方法具有船舶会遇紧迫局势时减速甚至停船处理，有效的保证智能船舶的安全性；

S6、利用公式16计算记录的预测航行点的整体评价函数值，本船根据整体评价函数值获取最优航速和最优回转角速度行驶一个时刻并返回步骤S1，直至本船到达目标点；

特别地，因为S5中记录航行点可能不止一个，因此整体评价函数值为一个包含多个元素的数组，选取整体评价函数值最大的情况下所预测的航速和回转角速度作为最优航速和最优回转角速度；

公式16：f_eval＝α·heading+β·dist+γ·v_eval；

其中，f_eval为整体评价函数值；heading为航向评价函数值；dist为距离评价函数值；v_eval为航速评价函数值；α为航向评估参数；β为距离评估参数；γ为航速评估参数。

举例来说，在本实施例中避碰过程和复航过程根据评价函数选取，避免根据人为经验设定条件时的不可靠性。

实施例二

在实施例一的基础上，在步骤S2和S3之间还包括：

确定本船与所有来船的会遇态势，计算本船与所有来船的碰撞危险度，根据所述碰撞危险度获取重点避让船。

相应地，在步骤S6还包括：

根据本船与所述重点避让船的会遇态势，按照国际海上避碰规则中的转向要求对所述最优回转角速度的正负加以修正，上述修正过程能够使得智能船舶的安全会遇更贴近实际应用。

仿真实施例

如图3所示，本实施例中模拟了两船与本船会遇的情况，具体的，本船位于坐标(1,1)的位置，欲行驶至(10，10)的目标点，在初始时刻检测到来船1和来船2；

如图4所示采用本发明方法将来船1确定为重点避让船，并通过整体评价函数值选出最优航速和最优回转角速度避开来船1；如图5示出了本船避让来船1完成复航后的位置；

进一步的如图6所示，本船检测到来船2为重点避让船舶，通过整体评价函数值选出最优航速和最优回转角速度避开来船2；如图7示出了本船避让来船2完成复航后的位置；

本船在行驶的过程中持续检测是否有会遇的船舶，直至如图8所示本船安全行驶至目标点(10,10)。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种动态搜索的智能船舶多船会遇避碰方法，其特征在于，包括：

S1、分别获取本船和多个来船的当前位置信息、回转角速度、船速和船长，根据本船和多个来船的船长确定船舶动界，并根据所述船舶动界获取船舶运动冲突半径R；

S2、根据所述多个来船的当前位置信息、回转角速度和航速，获取下一时刻多个来船的位置集合(x_obt,y_obt)，根据本船回转角速度、航速获取本船下一时刻的航速范围和回转角速度范围；

S3、针对本船下一时刻的航速范围和回转角速度范围，对航速范围内的任一航速和回转角速度范围内任一回转角速度进行组合，获取所有组合对应的本船的预测航行点集合(x_ot,y_ot)、航速评价函数值v_eval和航向评价函数值heading；

S4、利用所述本船的预测航行点集合(x_ot,y_ot)、本船的目标点和所述船舶运动冲突半径R，获取每一预测航行点和所有来船的距离评价函数值dist；

S5、针对每一所述预测航行点获取本船的制动距离TotalDist_stop，并判断所述本船的制动距离TotalDist_stop是否小于所述距离评价函数值dist，若是，则记录该预测航行点、到达该预测航行点的预测航速和预测回转角速度；

否则，令本船保持当前时刻的回转角速度，并以两倍船舶约束线加速度减速直至本船停止；

S6、利用公式一计算记录的预测航行点的整体评价函数值，本船根据整体评价函数值获取最优航速和最优回转角速度行驶一个时刻并返回步骤S1，直至本船到达目标点；

公式一：f_eval＝α·heading+β·dist+γ·v_eval；

其中，f_eval为整体评价函数值；heading为航向评价函数值；dist为距离评价函数值；v_eval为航速评价函数值；α为航向评估参数；β为距离评估参数；γ为航速评估参数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2和S3之间还包括：

确定本船与所有来船的会遇态势，计算本船与所有来船的碰撞危险度，根据所述碰撞危险度获取重点避让船。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S6还包括：

根据本船与所述重点避让船的会遇态势，按照国际海上避碰规则中的转向要求对所述最优回转角速度的正负加以修正。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中利用公式二至四获取下一时刻所述多个来船的位置集合(x_obt,y_obt)；

公式二：θ_obt(i)＝θ_ob(i)+ω_ob(i)Δt；

公式三：x_obt(i)＝x_ob(i)+v_ob(i)Δtcos(θ_obt(i))；

公式四：y_obt(i)＝y_ob(i)+v_ob(i)Δtsin(θ_obt(i))；

其中，x_obt和y_obt为下一时刻来船位置的经度和纬度；θ_obt为下一时刻来船的航向；x_ob和y_ob为当前时刻来船位置的经度和纬度；v_ob为来船的航速；ω_ob为来船的回转角速度；i为来船的编号；θ_ob为当前时刻来船的航向；Δt为数据采集时间间隔。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S2中利用公式五和六获取本船下一时刻本船的航速范围和回转角速度范围；

公式五：v_ot∈[v_o-a_oΔt,v_o+a_oΔt]；

公式六：ω_ot∈[ω_o-a_roΔt,ω_o+a_roΔt]；

其中，v_ot为下一时刻本船可能达到的航速；ω_ot为下一时刻本船可能达到的回转角速度；v_o为当前时刻本船的航速；a_o为当前时刻本船的线性加速度；ω_o为当前时刻本船的回转角速度；a_ro为当前时刻本船的回转角加速度；Δt为数据采集时间间隔。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤S3中利用公式七至九获取预测航行点集合(x_ot,y_ot)；

公式七：θ_ot＝θ_o+ω_otΔt；

公式八：x_ot＝x_o+v_otΔtcosθ_ot；

公式九：y_ot＝y_o+v_otΔtsinθ_ot；

其中，x_ot和y_ot为下一时刻本船可能会达到的位置的经度和纬度；θ_ot为下一时刻本船可能会达到的航向；v_ot为下一时刻本船可能会达到的航速；ω_ot为下一时刻本船可能会达到的回转角速度；x_o和y_o为当前时刻本船位置的经度和纬度；θ_o为当前时刻本船的航向；Δt为数据采集时间间隔。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S4中利用公式十至十一获取每一预测航行点和多个来船的距离评价函数值dist；

公式十：

公式十一：dist＝min(dist_tmp)；

其中，x_obt和y_obt为预测来船位置的经度和纬度；x_ot和y_ot为预测本船位置的经度和纬度；R为本船与来船的船舶运动冲突半径；i为来船的编号。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，利用公式十二至十三计算航向评价函数heading；

公式十二：

公式十三：heading＝180-θ_target；

其中，θ_target为预测的本船位置偏航角度；θ_ot为预测的本船位置达到的航向；x_ot和y_ot为预测得本船位置的经度和纬度；x_goal和y_goal为目标点的经度和纬度。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，利用公式十四计算航速评价函数；

公式十四：v_eval＝v_ot(v_eval≥0)；

其中，v_eval为航速评价函数值；v_ot为预测的下一时刻本船可能会达到的航速。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在步骤S5中利用公式十五至十六获取本船的制动距离TotalDist_stop；

公式十五：dist_stop(j+1)＝dist_stop(j)+v_stop(j)Δt；

公式十六：v_stop(j+1)＝v_stop(j)-a_oΔt；

其中，dist_stop为本船制动距离集合；v_stop为本船制动速度集合；a_o为本船运动线性加速度；Δt为数据采集时间间隔；j为循环计算计数器，初始值为1，dist_stop初始值为dist_stop(1)＝0，v_stop初始值为v_stop(1)＝v_eval，循环结束条件为v_stop(j)＜0，且选取本船制动距离集合最后一次循环所得dist_stop(j+1)为本船制动距离TotalDist_stop。