基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究_钟碧良
基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究
文 章 编 号 ： ０ ９—８ ２ （ ０ ８ ０ ０ ０ —０ １０ ５ ６ ２ ０ ） ３— ０ ８ ４
基 于 人 工 势 场 法 的 船 舶 自动 避 碰 系 统 研 究
钟 碧 良 刘 先 杰 吴建 生 邱 建 宁 ， ， ， ， 姜 华
（ ． 州航 海 高 等专 科学 校 ， 东 广 州 ５ ０ ２ ；． 州海 事 局 ， 东 广 州 ５ ００ ） １广 广 １７ ５ ２ 广 广 １７０
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第 １ 期
钟碧 良， ： 于人 工 势 场 法 的船 舶 自动 避 碰 系统 研 究 等 基
９
能的 负梯 度 ， 即
当前 船舶 避碰 系统是 由“ 船舶 驾驭 员 一会 遇船
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１ 人 工 势 场 法 的 原 理
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第１ ６卷 第 １ 高 等 专科 学 校学 报
Ｊ ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵ Ｏ ＡＮＧ ＨＯＵ ＭＡＲＩ Ｉ Ｌ ＥＧ Ｚ Ｔ ＭＥ ＣＯ Ｌ Ｅ
Ｖ０ ． ６ Ｎｏ １ １ ．１ Ｍａ．２ ８ ｒ ００
收 稿 日期 ： ０ ７一ｌ 一Ｏ ２０ ２ ６ 基 金 项 目 ：广东 省 自然 科 学 基 金 项 目 （ ４ ０ ６ ４ ； 东 省科 技 计 划 项 目（ ０ ６ ３ ２ ２ ０ ） ０ ３０ １ ） 广 ２ ０ Ｂ ７０ ０ ７ ． 作 者 简 介 ：钟碧 良 （ ９ ３一） 男 ， 授 ， 要从 事计 算 机 控 制 、 １６ ， 教 主 多智 能 体 系 统 和 机 电 一体 化 的研 究
基于新航海技术的船舶避碰自动化分析
基于新航海技术的船舶避碰自动化分析摘要：近些年我国伴随着海上工作能力及范围的扩大，航海事业也得到快速有效发展。
不过由于受到海上诸多不确定因素及自身技术局限性的严重影响，船舶在出海航行过程中依然会遭遇各种碰撞事故，海上工作危险系数居高不下，导致了较大的损失发生。
新航海技术与船舶驾驶技术之间联系较为密切。
船舶驾驶技术在船舶避碰中的应用，能够有效提升航海过程中船舶的避碰自动化技术，从技术安全层面促进我国航海事业的健康稳定发展。
本文主要对基于新航海技术的船舶避碰自动化技术进行探析，分析船舶避碰的主要影响要素以及避碰过程中需要采取的应对措施，更好地验证航海自动化技术的实践价值。
关键词：新航海技术；船舶避碰；自动化随着我国科学技术的快速发展，海洋科技以及信息技术发展加快，在一定程度上有效推动了船舶自动化技术应用进程不断加快。
从新航海技术自身发展历程来看，船舶自动化系统中驾驶自动化系统占有重要地位，是航海自动化系统的重要组成部分。
船舶驾驶自动化技术主要涉及的内容有航向自动化控制、自动定位、航行综合性管理等多个系统。
船舶避碰系统的工作效能对驾驶自动化系统功能发挥影响较大。
对航海自动化技术研究现状分析可知，在应用集成驾驶台基础上，可以让船舶驾驶员从系统中对计划航线进行设计，然后进行自动驾驶。
一、航海自动化基本概要现有技术背景下的船舶自动化系统应该主要由 3 个部分共同构成：航海自动化系统、船体自动化系统以及机舱自动化系统，其中重要性较大的是航海自动化系统。
航海自动化就是在现代技术体系基础上发展形成的自动化系统，能够有效实现船舶自动定位、自动停靠、自动行驶，从船舶自动化基本发展历程来看，一共经历了四个时期，当前属于第五个发展阶段。
二、航海自动化系统的基本构成与功能分析根据实际应用功能的差异，当前又能将航海自动化系统有效分为不同的控制系统，这其中就涵盖了航向控制系统、最佳航线设计系统、航向自动定位系统、避碰撞系统、航行综合管理系统等。
基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究_钟碧良
F to tal ( t ) = F att ( t ) + F rep ( t) =
- ¨UÛatt ( t) + ( - ¨UÛrep ( t) ) ( 9) 根据上面公式, 在电子海图上可应用获取的参 数有: 起点和终点的经纬 度、船舶和 障碍物的经纬 度、物体之间的距离等. 利用这些的环境信息, 去量 化吸引力、排斥力等这些虚拟的力. 算法流程如图 2 所示.
[ 3] INA ISH M. Bas ic research on a co llision avoidance system using neura l ne tw orks[ R ]. P ro ceeding IA IN 91, 1991.
[ 4] INA ISH M. Build ing me thod and app lication o f neura l netw ork system for nav iga tion[ R ] . La teral Sym posium of S ino-Japanese N av igation Institute, 1992.
参考文献:
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由该引力场所生成的对移动物的引力为引力势
基于新航海技术的船舶避碰自动化探讨
基于新航海技术的船舶避碰自动化探讨摘要：近几年来，在科学技术大力发展的背景下，航海事业也得到了很大的发展。
根据相关的调查得知。
在船舶碰撞事件中，人为因素是主要的影响因素。
但是，要想彻底地规避和防范人为因素，也是不可能的。
因此，就必须要实现船舶规避自动化。
在本文中，就针对这方面的内容进行了探讨。
关键词：新航海技术船舶碰撞自动化在当前社会中，航海事业已经有了很大的发展。
在科学技术大力发展的背景下，计算机技术、海洋科技技术等各种先进的技术也开始在航海事业中得到了非常广泛的应用。
但是，在实际情况中，船舶在海上航行的过程中却经常发生碰撞事件，往往都会造成十分严重的伤亡。
而且，这样还会在一定程度上加剧海洋污染。
因此，在现实情况中，为了能够更好地规避船舶碰撞事件，那么在运用新航海技术的基础上，也需要加强对船舶避碰自动化的研究。
一、关于船舶避碰和船舶避碰自动化的相关内容1.关于会影响到船舶避碰的主要因素。
根据相关的调查可以知道，在现实情况中，很多的船舶避碰问题都是人为因素导致的。
因此，若是想要有效地避免人为因素的影响，则需要采取针对性的措施来予以解决。
对此，主要可以从以下两个方面来进行：（1）加强对海员的培训，包括知识和技能两方面，积极地提高他们的责任心、综合素质以及业务能力。
（2）积极地引进更加先进的科学技术，提高船舶的自动化程度，实现船舶避碰的自动化。
从实际情况来看，相对于其他的职业来说，航海职业的性质是比较特殊的，海员的工作环境也比较艰苦，所以这种工作的流动性也比较大。
而且，也很少有人愿意终身从事这一行业，而这也就导致航海工作中长期面临着海员年龄小、经验不足以及技术水平不高等现象，不利于船舶的安全驾驶，也是影响船舶避碰的主要因素。
2.关于船舶避碰自动化所存在的问题。
从实际情况看，在当前社会中，基于航行水域船舶避碰自动化的问题其实很多都已经得以解决。
但是，要想收获到好的效果，还需要进一步完善。
在实际工作中，由于船舶避碰自动化会受到水面地下物标信息探测可靠性的影响，所以其在受限水域自动避碰决策中也会存在着很多的问题。
对基于人工智能和软计算的船舶自动避碰决策算法分析
船舶自动避碰决策算法分析文｜聂鸿博作为航运业发展的主要影响因素，船舶碰撞事故可引发一系列不良后果。
船舶自动避碰决策是降低船舶碰撞风险的关键。
基于此，本研究主要针对人工智能、软计算对船舶自动避碰决策的支持作用进行分析；并细化阐述了船舶自动避碰决策的要点；最后从知识储备库方面、遗传算法方面等，阐述了基于人工智能和软计算的船舶自动避碰决策算法。
目前，船舶自动避碰决策系统已经成为航运业应对船舶碰撞问题的主要方法。
算法的选择是影响船舶自动避碰决策系统建立的关键。
相对于其他算法而言，人工智能及软计算在构建船舶自动避碰决策系统方面具有一定优势。
因此，分析基于人工智能及软计算的船舶自动避碰决策算法具有一定必要性。
一、人工智能及软计算对船舶自动避碰决策的支持作用人工智能及软计算可为船舶自动避碰决策提供的支持作用具体体现为：（一）整合避碰规则要素船舶实现自动避碰的关键前提为：明确单船、多船的避碰规则，基于避碰规则确立避碰决策。
相对于其他技术而言，人工智能、软计算在整合避碰规则要素方面更具优势。
上述技术可综合水域信息、天气信息、避碰时机、避让顺序以及避碰方式等多种要素，确立避碰规则，并以上述分析结果为基础，确立船舶自动避碰决策系统。
（二）收集、处理海量避碰信息根据既往经验，建立船舶自动避碰决策系统的主要难点在于：船舶避碰决策需通过海量避碰信息的整合、分析，确定可靠的避碰规律。
运用人工智能及软计算收集、处理海量避碰信息，可于较短时间内完成信息的收集、处理，该技术的智能化、综合性特征，可保障所确定船舶避碰规律的准确性水平。
二、船舶自动避碰决策的要点在建立船舶自动避碰决策系统期间，应加强对以下几种要点的重视：（一）碰撞风险评估己船与目标船之间是否存在碰撞风险，是影响船舶自动避碰决策准确性的核心所在。
目前对于碰撞风险的评估，主要采用如下标准：己船与目标船相遇＜8海里时，且船舶的最近会遇距离低于安全会遇距离，提示己船与目标船之间存在碰撞风险。
船舶自动避碰决策系统的研究
船舶自动避碰决策系统的研究随着全球航运的快速发展，船舶碰撞事故的发生率也在逐年上升。
为了避免船舶碰撞，提高船舶航行安全性，船舶自动避碰决策系统的研究变得越来越重要。
本文旨在探讨船舶自动避碰决策系统的原理、设计和实现方法，以及在航运领域的应用前景和未来发展趋势。
船舶避碰问题是指船舶在航行过程中如何避免与其他船舶或障碍物相撞的问题。
船舶碰撞会带来严重的人员伤亡和财产损失，因此提高船舶航行的安全性至关重要。
智能避碰系统是利用现代计算机技术和传感器技术，对船舶周围的障碍物和其它船舶进行实时监测和预警，以避免碰撞。
而船舶自动避碰决策系统则是智能避碰系统的高级阶段，可以通过对数据的分析和处理，自动生成避碰决策方案，提高船舶航行的安全性和效率。
船舶自动避碰决策系统主要由硬件和软件两部分组成。
硬件部分包括传感器、中央处理器、通信装置等，用于实时监测船舶周围的环境，并将采集的数据传输至中央处理器进行处理。
软件部分则包括算法库、数据库和用户界面等，用于实现对数据的分析和处理，自动生成避碰决策方案，并为用户提供可视化界面。
该系统的原理是基于船舶运动学和碰撞避免原理，通过分析船舶之间的相对运动和距离，判断是否存在碰撞危险。
如果存在危险，系统会自动生成避碰决策方案，包括改变航速、转向等措施，以避免碰撞。
同时，系统还可以根据船舶的航行计划和周围环境信息，预测未来的碰撞风险，提早采取措施，提高航行的安全性和效率。
船舶自动避碰决策系统的优点主要表现在以下几个方面。
该系统可以实时监测船舶周围环境，及时发现潜在的碰撞危险，并自动采取措施避免碰撞。
系统可以根据船舶的航行计划和周围环境信息，预测未来的碰撞风险，提早采取措施，提高航行的安全性和效率。
该系统还可以为用户提供可视化界面，方便用户对系统进行监控和操作。
然而，船舶自动避碰决策系统也存在一些缺点。
系统的硬件和软件设备需要投入大量资金，对于一些小型航运公司而言，可能会增加经济负担。
基于新航海技术的船舶避碰自动化功能与应用探析
基于新航海技术的船舶避碰自动化功能与应用探析◎ 陈栢照 交通运输部南海救助局摘 要：得益于经济一体化发展的持续深入，航海贸易成为促进国家经济发展的重要途径。
基于对新航海技术的有效引进与应用，可在促进船舶运行控制水平显著提升的同时，以自动化避碰来保障船员人身安全。
本文从航海自动化系统的概述分析入手，在此基础上阐明基于新航海技术的船舶避碰自动化功能与应用。
关键词：船舶；航海技术；避碰自动化；功能随着我国航海贸易事业的持续发展，船舶运行安全问题愈发受到人们重视。
倘若在海上航行期间出现碰撞、搁浅等情况，轻则因船体受损导致经济损失，重则对船员人身安全产生威胁。
为避免因人员操作不当增大船舶出现碰撞问题的概率，需重视对新航海技术的应用，结合对避碰自动化功能增设来提升船舶航行可靠性、安全性，并为我国航海贸易事业的长久发展提供保障。
1.航海自动化系统简介现阶段船舶航行控制朝着自动化、智能化的方向持续迈进，得益于自动化控制系统的有效构建与应用，可在有效规避人为操作失误的同时，进一步提升船舶控制的便捷性与效率性。
结合对船舶控制要求的分析，可将航海自动化系统划分为航向控制、避碰撞系统、最佳航线设计、航行综合管理等模块。
其中最佳航线设计功能的增设，可实现在运行期间依据实际情况进行最佳航线的设计，对船舶航行线路进行优化，结合其船舶各项技术进行航线的综合规划，进而在提升船舶航行效率的同时，可保证航海安全性不受航线的影响[1]。
在实际船舶控制过程中，其系统可依据对风向、船位、航程、船速等方面数据的分析来优化航行控制，并依托于自动化系统做到对船舶行驶的动态化监控与管理。
同时，得益于自动操舵转向功能的应用，可通过对实时运行情况的分析，既有船舶定位信息的获取来确定行驶方向，以最佳行驶路线为基准对船舵进行自动化控制，以避免在航行期间出现航线偏离的情况。
对于避碰自动化模块的设置，可做到对船舶实时航行位置、速度、环境信息的获取，并依托于系统对搁浅、触礁、碰撞等问题进行综合型计算分析，依据其分析结果来拟定相应处理对策[2]。
新航海技术下的船舶避碰自动化探讨
新航海技术下的船舶避碰自动化探讨摘要：目前，我国的现代化飞速发展，自从大航海时代开辟以来，航海技术就成为各个国家重点发展的内容。
我国拥有几千公里的海岸线，大力发展现代化的航海技术，不仅能够促进我国的国际贸易交流，同时对于国防安全和领海主权的保障也提供有效的支持。
尽管目前航海技术和国际海洋规则已经十分完善，但是仍然会发生船舶碰撞事故。
尤其是远洋航行的大型船只，在发生船舶碰撞事故后，则会对船员构成生命的威胁。
同时，远洋航行发生事故，也难以采取及时的救援。
如果船舶运输着化学或石油物品，则会对海洋造成污染。
通过对目前船舶碰撞事故的调查情况可以看出，船员不遵守《国际海上碰壁规则》是造成人为事故的主要原因。
为了尽可能的减人为因素对船舶碰撞事故的因素影响，船舶避碰自动化技术就显得十分重要。
在科学技术不断发展的今天，新航海技术下的避碰自动化技术的研究成为重要的内容。
关键词：新航海技术；船舶避碰；自动化探讨引言船舶在海上航行过程中，如果触碰到暗礁，或者与其它船只发生碰撞，不仅使船舶无法正常运行，造成严重的经济损失，还会危及到船员的生命安全。
通常情况下，船舶出现碰撞事故，多数是驾驶员操作不当引发的。
为避免驾驶员由于操作不当引发的碰撞事故，积极应用船舶避碰自动化技术，并且与新型航海技术相互融合，提升船舶安全稳定的运行能力。
1船舶避碰自动化研究情况科学技术的应用和发展，对于航海技术产生了很大的影响。
进入新世纪以来，众多的科技成果应用到航海技术中。
目前比较先进的计算机网络技术、大数据云计算技术等，这些先进的科学技术实现了船舶航行中信息化、智能化的展现。
这些先进的科学技术，推动了整个航海技术的革命性转变，实现了船舶航行自动化及避碰技术领域的突破。
目前，对于船舶避碰自动化技术的研究，主要是采集和分析水下、水上物目标信息来源为基础，围绕信息进行处理并且做出决策，然而由传感技术来自动控制船舶的操作系统，做出避让等提示或者措施，来实现自动化避碰效果的。
基于操纵运动特性的海事无人艇自主避碰算法研究
基于操纵运动特性的海事无人艇自主避碰算法研究一、综述随着科技的不断发展，无人艇在海事领域中的应用越来越广泛。
然而由于无人艇的自主性和复杂性，其避碰问题一直是制约其实际应用的关键因素。
传统的避碰方法主要依赖于人工设定的规则和算法，这种方法虽然在一定程度上能够实现自主避碰，但其局限性也十分明显，如对环境变化的不适应性强、决策速度慢等。
近年来随着人工智能技术的发展，基于操纵运动特性的自主避碰算法逐渐成为研究热点。
模型预测控制(MPC):MPC是一种基于数学模型的优化控制方法，通过对未来一段时间内的操纵运动进行预测，计算出最优的操纵指令序列，从而实现无人艇的自主避碰。
MPC具有预测精度高、实时性能好的优点，但其计算量较大，对系统的实时性要求较高。
模糊逻辑控制：模糊逻辑控制是一种基于模糊集合理论的控制方法，通过对操纵运动特性进行模糊描述，结合模糊逻辑推理得到最优的操纵指令序列。
模糊逻辑控制具有较强的鲁棒性和适应性，但其计算复杂度较高，对系统实时性的影响也较大。
神经网络控制：神经网络控制是一种基于仿生学原理的控制方法，通过对操纵运动特性进行非线性映射，利用神经网络的学习能力实现无人艇的自主避碰。
神经网络控制具有较强的自适应能力和学习能力，但其收敛速度较慢，对训练数据的要求较高。
1. 无人艇在海上的应用和发展现状；随着科技的不断进步，无人艇在海上的应用和发展现状日益显著。
无人艇具有体积小、操控灵活、续航能力强等优点，可以广泛应用于海洋资源勘探、环境监测、海上救援等领域。
近年来无人艇的研究和应用取得了显著的成果，如美国海军研发的“海龙”无人艇成功完成了多次深海探测任务；我国自主研发的“蛟龙号”载人潜水器，也具备了自主航行和避碰的能力。
然而目前无人艇在海上的应用仍面临诸多挑战，如恶劣天气、复杂海域环境等，这就需要对其进行更加智能化和自主化的控制，以提高其在海上的安全性和可靠性。
因此基于操纵运动特性的海事无人艇自主避碰算法研究具有重要的理论和实际意义。
基于航海技术的船舶避碰自动化探讨
基于航海技术的船舶避碰自动化探讨摘要：近些年来我国航运事业取得了良好发展，但是必须说明的是，在现实的航运发展过程当中依旧存在着许多不足和问题，譬如：船舶避碰的作用没有被有效的发挥，由此就导致在船舶航运的过程当中会存在着许多恶性的船舶碰撞事故，这样事故的产生对于船舶会产生巨大的伤害，甚至是会有人员生命安全损伤。
通过相关研究显示，人为因素产生的船舶碰撞是最直接的因素，其体现在船舶位置不精准、航线不合理的设置、在班人员其工作存着不强的工作责任心。
因此为了实现船舶碰撞等情况的避免，需要避免存在这不良的人为因素，积极的普及自动化避碰系统的建立。
鉴于此种情况本文针对船舶避碰自动化系统的应用，进行了深度的分析和探究，希望本文的论述能够为我国航海事业的良好发展，提供一些帮助和借鉴。
关键词：航海技术；船舶避碰；自动化引言为了让国际贸易实现进一步的良好发展，实现海上安全的运输是大势所趋。
目前船舶碰撞会产生严重的负面影响，其体现在数量较多的人员伤亡，以及严重的财产损失。
而通过相关智能自动化航海技术的引入，是可以让船舶航行工作质量和相关效率得以有效的提升，真正实现人力投入成本的降低，并让船舶碰撞发生的可能得以减少。
所以相关人员要对船舶航行的各方面相关要素得以深度的分析和探究，积极的通过相关航行技术的应用，并结合自动化船舶避碰技术的应用，实现海上航行安全性的提升，如此也是能够让航行贸易的效率得以间接提升，本文则是在此方面进行了深度的分析和探究。
1航海技术自动化结构以及功能阐述结合现实的发展情况来看，现如今我国的船舶自动化系统可以被划分为若干个类别，其中主要能够应有的系统有航向控制系统、自动定位系统、防撞系统、综合控制系统等。
而对于黄线控制系统的设计系统来说，是可以对船舶具体航行方向进行有效的设计，让航行得以有效的优化，实现经济收益的全面提升。
而通过自动化系统的科学合理使用，是可以让航行基本效率全面的提升，实现对船舶位置、速度、方向、现实航行情况等重要数据有效的掌握。
参评2008～2009年度期刊优秀论文-中国航海学会
参评“2008～2009年度期刊优秀论文”活动的论文目录水运技术经济专业类期刊文章
集装箱运输专业类期刊文章
水运管理专业类期刊文章
危险货物运输专业类期刊文章
海运法规研究专业类期刊文章
航海心理学研究专业类期刊文章
船舶防污染专业类期刊文章
内河航运开发建设专业类期刊文章
内河驾驶专业类期刊文章
海船驾驶专业类期刊文章
船舶机电专业类期刊文章
救捞专业类期刊文章
通信导航专业类期刊文章
船检专业类期刊文章
航标专业类期刊文章。
浅谈舰船自动避碰系统的研究
浅谈舰船自动避碰系统的研究
孙敬明;刘志高
【期刊名称】《江苏船舶》
【年(卷),期】2005(022)005
【摘要】叙述了基于专家系统的自动避碰系统的结构、初步的原理以及流程,简要地分析了船舶避碰过程及影响碰撞的因素,并介绍了碰撞危险度的确定方法.
【总页数】3页(P4-6)
【作者】孙敬明;刘志高
【作者单位】辽宁大连某部队;辽宁大连某部队
【正文语种】中文
【中图分类】U6
【相关文献】
1.舰船避碰自动化系统 [J], 杨宝璋;石爱国;蔡烽;万林
2.舰船自动智能避碰数学模型及其仿真研究 [J], 鲍宏杨
3.舰船避碰系统研究综述 [J], 徐务农;边少锋;陈永冰
4.舰船避碰操纵专家系统ACOES的研究 [J], 林雪霞
5.改进蚁群算法的舰船避碰辅助决策系统可靠性研究 [J], 丁文
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欠驱动船舶自主避碰的算法设计
欠驱动船舶自主避碰的算法设计郭建群; 吴青; 初秀民; 谢朔; 郑茂【期刊名称】《《交通科技》》【年(卷),期】2019(000)005【总页数】6页(P135-140)【关键词】欠驱动船舶; 人工势场法; A*算法; 混合算法【作者】郭建群; 吴青; 初秀民; 谢朔; 郑茂【作者单位】武汉理工大学国家水运安全工程技术研究中心武汉 430063; 武汉理工大学物流工程学院武汉 430063; 武汉理工大学能源与动力工程学院武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U664.82自主避碰的概念最早在机器人领域被提出，在船舶航行领域应用相对较少[1]。
随着科技的发展，船舶实现自主避碰也必将从理想变为现实。
研究满足实际复杂航行条件下的船舶路径规划方法，对提高船舶的智能化水平，保障水上交通安全具有重要的意义，值得学者结合实际情况开展更加深入的研究。
考虑到完全实现船舶无人化涉及到的问题比其他无人装置更为复杂，模型要求更准确，且控制要求更高，相关理论和技术在现阶段的发展程度不足以满足要求。
人工势场法(artificial potential field，APF)和A*算法出现较早，应用比较广泛，发展较为成熟，且各自具有不同的优势[2]。
将多种智能算法结合使用，可以达到路径更优的效果，故本文以欠驱动船舶为研究对象，基于改进人工势场法和A*算法，对船舶自主避碰算法进行设计和改进。
1 算法改进船舶避碰路径规划算法多种多样，不同的算法具有不同的特征和适用场合，目前相关学者在这方面的研究也已经取得了较为丰富的成果，将多种算法改进并结合使用，是目前研究的热点。
根据欠驱动船舶路径规划的特点，对传统A*算法进行改进，并引入APF方法，提出混合路径规划算法，共同完成整个路径规划。
1.1 A*算法的改进A*算法是一种较为常用的全局路径规划算法，与其他智能算法相比，A*算法具有结构简单、高效、计算量小等优点，因此在智能控制方面应用非常广泛。
船舶自动避碰方法的研究
船舶自动避碰方法的研究
李丽娜;陈聪贵
【期刊名称】《中国航海》
【年(卷),期】1999(000)001
【摘要】本文提出了利用框架式专家系统与数理分析相结合的仿人智能避碰方法，经过计算机仿真表明，实现了海域无约束船舶避碰方案的自动编制，为船舶自动避碰系统的研究迈开了可喜的一步。
【总页数】5页(P20-24)
【作者】李丽娜;陈聪贵
【作者单位】集美大学;集美大学
【正文语种】中文
【中图分类】U675.96
【相关文献】
1.APF方法在船舶自动避碰中的应用 [J], 张鸣鸣;施朝健
2.船舶自动避碰仿真平台的构建与测试方法研究 [J], 李丽娜;杨神化;尹勇
3.基于操纵过程推演的船舶可变速自动避碰决策方法 [J], 黄立文;李浩宇;梁宇;赵
兴亚;贺益雄
4.船舶自动舵和自动避碰算法仿真测试平台的研究 [J], 尹勇;张秀凤;张显库
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钟碧良 1, 刘先杰1, 吴建生 2, 邱建宁2, 姜 华 2
( 1. 广州航海高等专科学校, 广东 广州 510725; 2. 广州海事局, 广东 广州 510700)
摘 要: 分析了现有船舶自动避碰系统的不足, 提出了基于人工势场法的船舶自动避碰系统. 根据
船舶的操纵特性, 建立了引力场和斥力场函数, 实现船舶自动避碰航行的合力和方向. 在电子海图
UÛatt ( qÛ( t ) ) =
1 2
NQm
(
qÛ(
t),
qÛgoal (
t+
1)
)
( 7)
式中, qÛ( t)是表示本船当前时刻的位置; qÛgoa l ( t+ 1)
是表示本船下一时刻要转向的位置.
障碍物产生的斥力场函数为
UÛrep ( qÛ( t) ) =
1 2
G(
Q(
qÛ(
t
),
1 qÛobs
所以该斥力场所对应的斥力为
UÛrep qÛ=
1 2
G
Q(
1 qÛ, qÛgoal
)
Q( qÛ, qÛobs ) [ Q0
( 4)
0
Q( qÛ, qÛobs ) > Q0
FÛrep ( qÛ) = - ¨UÛrep ( qÛ) =
1 2
G(
Q(
1 qÛ, qÛob
s
)
-
1 Q0
)
Q2
(
1 qÛ, qÛob
第 1期
钟碧良, 等: 基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究
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能的负梯度, 即
FÛatt ( qÛ) = - ¨UÛatt ( qÛ) = N( qÛgoal - qÛ)
( 3)
该力随移动物趋近于目标而呈线性趋近于零.
一个经常被使用的斥力场公式为 [ 2]
式中, G是正比例系数; Q( qÛ, qÛob s ) 是移动物到障碍 物的最小距离; qÛobs是 移动物到障碍物的最近点; Q0 是表示障碍物的影响范围的正常数.
第 1期
钟碧良, 等: 基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究
11
图 5 局部极小现象
STUDY ON SH IP AUTO-COLL ISION AVO IDANCE SYSTEM BA SED ON ART IF IC IAL POTENT IAL F IELD
ZHONG B -i liang, L IU X ian- jie, WU Jian-sheng, Q IU Jian-n ing, JIANG H ua ( 1. Departm ent of M arine Eng ineer ing, Guangzhou M ar itim e Co llege, Guangzhou 510725, China; 2. Guangdong M arit im e Safety Adm in istration, Guangzhou 510700, China )
本文采用人工势场法来研究船舶自动无碰撞航 行, 探导人工势场法在船舶自动避碰中应用的可行 性, 为建立船舶自动避碰系统提供支持.
1 人工势场法的原理
人工势能场 APF ( Artificial P otentia l F ield) 对求 解移动物体路径规划的基本方法是: 移动物体在一个 力场中运动, 要达到的位置对移动物体来说是一个引 力极, 而障碍物是斥力极, 按各个障碍物和目标位姿 产生人工势能的总和, 取极小值决策运动路径 [ 7] . 人 工势场法在移动物的运 动空间中创建 了一个势场
s
)
¨Q(
qÛ,
qÛobs
)
Q( qÛ, qÛobs ) [ Q0
( 5)
0
Q( qÛ, qÛobs ) > Q0
移动物所受的合力为引力和斥力的和, 即
F total = Fatt + F rep
( 6)
移动物体就可以根据所受合力大小和方向, 确
定下一次运动.
2 基于人工势场的船舶避碰算法原理
利用人工势能场可将船舶的航行环境转换成一 个势能场. 所有的障碍物都被视为有最高势能的地 方. 如图 1所示, 几个凸起的柱状物体就代表障碍物, 红色区域表示高势能, 蓝色表示低势能. 而船舶就好 像一个球, 从高势能的地方滚向低势能的地方[ 8] .
所建立的仿真环境中, 验证了人工势场法可用于船舶自动避碰系统中.
关键词: 人工势场法; 船舶避碰; 自动导航
中图分类号: U 675
文献标识码: A
当前船舶避碰系统是由 / 船舶驾驭员 - 会遇船 舶 - 环境 0组成的一个复杂系 统, 随着船舶自动避 碰关键技术的解决和 应用, 该系统将会变为 / 自动 避碰决策系统 - 驾驭员 - 船舶 - 环境 0. 为了实现 这个转变, 很多学者从不同角度和不同方法进行了 研究, 并取得了一定的成果. 20世纪 80 年代, 随着 计算机技术和专家系统应用技术的发展, 日本东京 商船大学 [ 1] 和英国利物浦理工大学 应用专家系统 解决自动避碰问题. 随后, 德国、美国和英国西南理 工大学先后推出各自研制的专家系统 [ 2- 3 ] . 90 年代 起, 大连海事大学、海军大连水面舰艇学院等高等院 校及科研机构也逐步开始了该方面的研究, 并取得 了一定的成果 [ 4- 6] . 目前, 国内外航海界专家学者普 遍采用人工智能技术或专家系统技术建立船舶智能 避碰决策与控制系统. 然而可靠性高的船舶自动避 碰系统的开发仍然难度较大, 其主要原因是: 基于 专家系统的各项研究的基本思路都 是先建立知识 库, 在获取相遇船和本船的会遇态势和运动要素后, 通过查询知识库 ( 或经推理机学习 ) 得到避碰方案, 其中知识库是其核心, 而目前开发的一些系统, 基本 都存在知识库不完善的问题.
从仿真实验的结果来看. 人工势场在船舶自动 导航中具有以下优点: 一是算法执行速度快, 计算不 复杂; 二是能对局部地图信息作出实时的反应, 如果 遇到障碍物就有偏转; 三是由于不用预先载入全局 信息, 所以节省了空间.
但也存在一些问题需要在研究中加以解决, 一 是在障碍物前振荡, 如图 5所示; 二是会出现局部极 小的现象, 就是受力平衡, 合力为零, 吸引力与排斥 力相近; 三是只能循着向左或向右的规则前进, 不能 走一条比较近的路径, 由于障碍物环境不可预测, 路 径也是没有预测好的.
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广州航海高等专科学校学报
第 16卷
图 4 双船避让
4 结论
以上的排斥源都是静态障碍物, 如果把排斥源 改为动态障碍物, 比如运动的船舶, 就要解决动态障 碍物的避碰. 人工势场的双船避让, 当两船相距一定 距离时, 就会产生一个排斥力, 使之产生偏移角, 按 规则向上的右偏移, 向下的左偏移, 如图 4所示.
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由该引力场所生成的对移动物的引力为引力势
收稿日期: 2007- 12- 06 基金项目: 广东省自然科学基金项目 ( 04300614); 广东省科技计划项目 ( 2006B37202007). 作者简介: 钟碧良 ( 1963- ), 男, 教授, 主要从事计算机控制、多智能体系统和机电一 体化的研究.
FÛ( qÛ) = UÛatt ( qÛ) + UÛrep ( qÛ) = - $UÛ( qÛ) ( 1) 而在整个区域内所受的引力场被定义为 [ 1]
UÛatt ( qÛ) =
1 2
NQm
(
qÛ,
qÛgoal
)
( 2)
式中, N是正比例系数; Q( qÛ, qÛgoal )是移动物 qÛ到目标 qÛgoal的距离; 取 m = 2.
则本船所受的合力为
F to tal ( t ) = F att ( t ) + F rep ( t) =
- ¨UÛatt ( t) + ( - ¨UÛrep ( t) ) ( 9) 根据上面公式, 在电子海图上可应用获取的参 数有: 起点和终点的经纬 度、船舶和 障碍物的经纬 度、物体之间的距离等. 利用这些的环境信息, 去量 化吸引力、排斥力等这些虚拟的力. 算法流程如图 2 所示.