基于速度矢量坐标系的船自动避碰方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航海技术领域，尤其涉及一种基于速度矢量坐标系的船自动避碰方 法。
【背景技术】
[0002] 船舶智能避碰技术研究一直以来是智能航海研究领域的热点和前沿课题，是实现 船舶自动化的关键技术之一。由于涉及因素较多，尽管人们对船舶避碰的研究已经付出了 很大的努力，但是船舶智能避碰技术研究进展相对还是比较缓慢。例如关于多船会遇避碰 决策问题还没有得到很好解决，特别是较为复杂的多船会遇避碰决策问题。
[0003] 船舶的局部避碰是指船舶在水面航行过程中，遇到如岛屿、船只、浮标等障碍物 时，能够考虑到其操纵运动特性，自主地识别避让障碍物。目前，国内外专家学者解决船舶 局部避碰问题多采用局部路径规划、轨迹规划方法，并且将多种智能算法注入其中，使得规 划时间降低，规划精度提高。目前已有的船舶局部路径规划研究为船舶避碰提供了一定的 参考，但是这些方法实施的前提多是将船舶视为质点，忽略其操纵运动特性，并且不考虑外 界条件对船舶航行的影响。然而，在复杂的海洋环境中，船舶在躲避障碍物的同时，还会受 到风浪流的影响，所以这种理想化的方法对于船舶在实际海面上航行避碰的借鉴意义是有 限的，船舶避碰不仅要考虑如何进行固定会遇情况下的路径规划，还需要考虑动态情况下 的路径规划。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种不仅能判断出船舶间 是否有碰撞风险，同时也能提供避碰方法的于速度矢量坐标系的船自动避碰方法。
[0005] -种基于速度矢量坐标系的船自动避碰方法，包括以下步骤：
[0006] (1)、以某一船舶作为质点，获取该船舶周围的障碍物信息；
[0007] (2)、通过碰撞预测模型判断船舶与周围障碍物是否有碰撞危险，若存在危险，则 进入步骤（3)，若不存在危险，则返回步骤（1);
[0008](3)、在速度矢量坐标系下，解算该船舶能够移出碰撞区域的相对速度，根据相对 速度求解出船舶的绝对速度；
[0009] (4)、利用船舶的绝对速度在自动舵控制器下调整船舶的航向，直到船舶的当前速 度为所述绝对速度；
[0010] (5)、反复循环步骤（1)-步骤（4)，以实现基于速度矢量坐标系的船自动避碰。
[0011] 进一步地，如上所述的基于速度矢量坐标系的船自动避碰方法，所述通过碰撞预 测模型判断船舶与周围障碍物是否有碰撞危险的方法为：
[0012] 当本船舶处于单目标障碍物情形时：
[0013] 在全局坐标系X0Y中，船舶S位于点（Xs，Ys)，速度为Vs;0视为运动障碍物，位于点 (X。，Y。)，速度为V。，首先将船舶S模型化为一个质点，然后将障碍物0根据船舶S的大小进 行膨化，其膨化后的半径扩展为R。，并且使得膨化后的障碍物边界为安全区域，称膨化障碍 物〇为船舶S的一个位置障碍PO, 1M。和1N。是船舶S与P0两侧切线方向的射线，Ds。为1 s。 方向上测量到的S与0之间的距离，定义S和0的相对速度为VS(]=VS-V。，则通过相对速度 可以把0当作静止障碍物，S的速度则看作为Vs。，如果Vs。保持不变，1s。为其方向上的射线， 则船舶将和障碍物〇发生碰撞的条件为：
[0014]
[0015] 使上述条件成立的相对速度Vs。的集合，定义为速度空间中的相对碰撞区RCC:
[0016]
[0017] 即射线1M。和1N。之间的区域，对于本船的任一相对速度Vs。，如果VS(]GRCC，则船 舶将与障碍物〇发生碰撞。
[0018] 进一步地，如上所述的基于速度矢量坐标系的船自动避碰方法，所述通过碰撞预 测模型判断船舶与周围障碍物是否有碰撞危险的方法为：
[0019] 把RCC平移V。后得到的区域称为绝对碰撞区域ACC: = 4，其中! 表示闵可夫斯基矢量和运算，则vs的末端点位于ACC等价于VS(]GRCC，所以当V5的末端点 位于ACC时，船舶将与障碍物0发生碰撞，ACC表示S与0会发生碰撞的速度Vs。的集合，称 为S对0的速度障碍V0:
[0020] VO(V〇) = {Vs| (Vs-V〇)GRCC}
[0021] 在多目标标障碍物情形时，设障碍物0:的速度为VM，相应的障碍速度为叭;障 碍物〇2的速度为V。2，相应的速度障碍为〇V2,则Vs位于ACC挪ACC2之中，即VSG0V卫VSG0V2，如果在接下来的时刻％保持不变，则S将与0 02发生碰撞。
[0022] 进一步地，如上所述的基于速度矢量坐标系的船自动避碰方法，所述步骤（3)包 括：
[0023] 设k时刻，本船S向障碍物0两侧切线方向发射射线1N。和1M。，1N。和1M。与x 轴的夹角分别为^和Q2;本船s和障碍物〇的速度分别为1^和\，两者相对速度为 4 =又-元，t与X轴的夹角ea，避让障碍物所需要的相对速度的方向为0 "，本船s避 让障碍物0所需要的相对速度的方向0 "应满足：
[0024] 0 <0rr<0!或02<0rr<2JT
[0025] 取其边界值为本船k时刻避让障碍物所需要的相对速度的方向0 "，则：
[0026]
[0027] 根据速度三角形求解本船k时刻避让障碍物所需要的绝对速度方向。
[0028] 进一步地，如上所述的基于速度矢量坐标系的船自动避碰方法，所述步骤（3)包 括：
[0029] 船舶针对区域内的所有障碍物分别作切线，其切线11，1 2~12"与1轴的夹角分别为 ^，％???02n，n= 1，2…船舶每隔一段较短的时间都要重新计算0a，0i，0 2...... 0 2n；
[0030] 设本船k时刻避让障碍物所需要的相对速度0 "，取边界值为本船k时刻避让障 碍物所需要的相对速度0 "，则船舶避让障碍物所需要的相对速度0"应满足：
[0031]
[0032] 判断出所需的0"后，根据速度三角形求解本船k时刻避让障碍物所需要的绝对 速度方向。
[0033] 有意效果：
[0034] 本发明提供的基于速度矢量坐标系的船自动避碰方法不仅能判断出船舶间是否 有碰撞风险，同时也能提供避碰方法，本发明将速度障碍方法应用于船舶避碰领域，深入分 析多目标船下船舶避碰的约束条件及操纵要求，构建以速度障碍为核心的基于速度矢量坐 标系的多目标船情形下的船舶自动避碰数学模型，并提出本船转向避碰的操纵方案，通过 仿真结果表明，该方法能够实现多目标船情形下船舶的自动避碰，本发明建立的基于速度 矢量坐标系的多目标船自动避碰问题模型及求解的转向避碰操纵方案是可行的。
【附图说明】
[0035] 图1为本发明基于速度障碍的单目标碰撞预测示意图；
[0036] 图2为本发明基于速度障碍的多目标碰撞预测示意图；
[0037] 图3为本发明避碰流程图；
[0038] 图4本发明速度矢量坐标系下单目标避碰示意；
[0039] 图5为本发明速度矢量坐标系下多目标避碰示意；
[0040]图6为本发明离散化PID转向自动舵的控制流程；
[0041] 图7(a)为多动态目标且有障碍较为密集情景下船舶避碰的初始场景图；
[0042] 图7(b)为多动态目标船且有障碍较为密集情景下本船逐渐避开目标船场景图；
[0043] 图8(a)为动静障碍物结合场景下的初始场景图；
[0044] 图8(b)为动静障碍物结合场景下本船逐渐避开静态和动态障碍物。
【具体实施方式】
[0045] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046] 本文将速度障碍方法应用于船舶避碰领域，深入分析多目标船下船舶避碰的约束 条件及操纵要求，构建以速度障碍为核心的基于速度矢量坐标系的多目标船情形下的船舶 自动避碰数学模型，提出避碰的操纵方法，并进行仿真试验；
[0047]