基于尺度因子的模糊控制路径规划方法、装置及存储介质

本发明涉及船舶路径规划，尤其是涉及一种基于尺度因子的智能船舶模糊控制路径规划方法。

背景技术：

1、随着北极地区冰层的融化，开发和利用北极航运的价值也在不断提高。对北极航线的研究已经成为一个热点。然而，船舶在北极航线上遇到随机分布的海冰的概率很大。过度频繁的转向可能导致船舶倾覆，这给船舶的局部路径规划带来了很大的安全隐患。

2、局部路径规划的常用方法是动态窗口法，动态窗口法的核心思想是根据船舶当前位置状态和速度状态在速度空间(即线速度和转角范围)中确定满足船舶硬件约束的采样动作空间，然后计算在这些动作空间下的轨迹，并通过评价函数对这些轨迹进行评价，最后选出最优的轨迹所对应的线速度和转角作为船舶下一步的动作，如此循环直到船舶到达目标点。动态窗口法基于预测控制理论的一种次优方法，在未知环境下能够有效的避开障碍物,同时具有计算量小、反应迅速、可操作性强等特点。但一般的动态窗口法权重系数固定，并且在躲避障碍物时会过度转向，在实际中，反而增加了船舶航行的危险性。

3、中国专利申请cn112462786a公开了一种基于模糊控制策略双窗口算法的无人艇避碰方法，现有技术基于艇距离障碍物的最短距离以及障碍物密集程度调整动态窗口法的安全性权值参数和较大的速度权值参数，能够适应复杂环境，但在躲避障碍物时仍会出现过度转向的情况。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于尺度因子的智能船舶模糊控制路径规划方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、作为本发明的第一方面，提供一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，包括：

4、构建基于轨迹末端朝向与目标点之间的角度差距、预测轨迹末端与障碍物的距离以及线速度的评估函数；

5、通过稳定性控制器，以船舶速度、转角和目标因子作为输入，采用模糊控制，输出线速度权重系数；

6、通过碰撞风险控制器，基于表示危险程度的碰撞风险因子和考虑障碍物半径的障碍因子，采用模糊控制，输出预测轨迹末端与障碍物的距离权重系数和线速度权重系数；

7、结合稳定性控制器和碰撞风险控制器输出，采用动态窗口算法通过评估函数对运动轨迹进行评估，得到规划路径。

8、进一步的，所述评估函数如下：

9、g(v，ω)＝σ(α·heading(v，ω)+β·distance(v，ω)+γ·velocity(v，ω))

10、其中，heading(v，ω)为方位角，具体为轨迹末端朝向与目标点之间的角度差距；distance(v，ω)是预测轨迹末端与障碍物的距离，velocity(v，ω)是线速度；α、β、γ分别是各个部分的权重系数，σ代表评估函数归一化。

11、进一步的，所述的稳定性控制器采用模糊控制，具体过程如下：

12、输入船舶速度、转角和目标因子；

13、对模糊输入量，采用三角隶属函数，根据与模糊规则，获得船舶稳定性状态；

14、将模糊控制输出船舶稳定性状态的值作为线速度权重系数。

15、进一步的，所述目标因子定义为：

16、

17、其中，(x0，y0)为起始点坐标；(x(t)，y(t))为当前位置；(xg，yg)为目标点。

18、进一步的，所述的碰撞风险控制器采用模糊控制，具体过程如下：

19、获取障碍物信息和船舶自身状态；

20、计算表示碰撞的概率的碰撞风险因子和考虑障碍物的半径的障碍因子；

21、基于隶属函数与模糊规则，输出预测轨迹末端与障碍物的距离权重系数和线速度权重系数。

22、进一步的，所述的碰撞风险因子构建过程为：

23、将移动障碍物视为静止；

24、为船舶添加一个与障碍物运动方向相反的一个速度分量，得到船舶的合速度vres，与障碍物的碰撞角θc；

25、构建碰撞风险因子k(t)表示碰撞的概率：

26、k(t)＝||vres(t)||·cos(θc(t))。

27、进一步的，所述的障碍因子μ(t)具体为：

28、

29、其中，dist(t)是到障碍物的距离，robs(t)为障碍物半径。

30、进一步的，所述的结合稳定性控制器和碰撞风险控制器输出具体为：

31、在动态窗口算法运行时，线速度权重系数选择稳定性控制器和碰撞风险控制器输出的最小值，预测轨迹末端与障碍物的距离权重系数由碰撞风险控制器进行控制。

32、作为本发明的第二方面，提供一种路径规划设备，其特征在于，包括：

33、一个或多个处理器；

34、存储器，用于存储一个或多个程序；

35、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如上任一项所述的基于尺度因子的模糊控制路径规划方法。

36、作为本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上任一项所述的基于尺度因子的模糊控制路径规划方法的步骤。

37、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

38、1)本发明提出一种船舶稳定性模糊控制器，结合碰撞风险控制器，用于动态窗口法的自适应控制；然后，基于尺度因子改善模糊控制。本发明将路径规划分为两个阶段，总体阶段和避障阶段，分别引入两个尺度因子：目标因子和障碍因子。在总体阶段，对船舶速度和旋转角进行约束的基础上，添加目标因子，实现船舶的稳定性控制，保障安全性。在避障阶段，将碰撞风险控制的一个输入变量改造为障碍因子，增强避障性能并减少大转角的出现。

39、2)本发明提出的一种基于尺度因子的新型智能船舶模糊控制路径规划算法，使用模糊控制来自适应控制动态窗口法的权重系数，模糊控制器是一种容易控制、掌握的较理想的非线性控制器，并且抗干扰能力强，响应速度快，使得本发明提出的路径规划方法对系统参数的变化有较强的鲁棒性和较佳的容错性。

40、结果表明，本发明的所提出的算法显著减小了动态窗口法算法的转角，使船舶的运动状态更加平稳，增加了船舶在北极航行时遇到海冰的安全性。

技术特征：

1.一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，所述评估函数如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，所述的稳定性控制器采用模糊控制，具体过程如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，所述目标因子定义为：

5.根据权利要求1所述的一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，所述的碰撞风险控制器采用模糊控制，具体过程如下：

6.根据权利要求5所述的一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，所述的碰撞风险因子构建过程为：

7.根据权利要求5所述的一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，所述的障碍因子μ(t)具体为：

8.根据权利要求1所述的一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法，其特征在于，所述的结合稳定性控制器和碰撞风险控制器输出具体为：

9.一种路径规划设备，其特征在于，包括：

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于尺度因子的模糊控制路径规划方法的步骤。

技术总结
本发明涉及一种基于尺度因子的模糊控制路径规划方法、装置及存储介质，包括：构建基于轨迹末端朝向与目标点之间的角度差距、预测轨迹末端与障碍物的距离以及线速度的评估函数；通过稳定性控制器，以船舶速度、转角和目标因子作为输入，采用模糊控制，输出线速度权重系数；通过碰撞风险控制器，基于表示危险程度的碰撞风险因子和考虑障碍物半径的障碍因子，采用模糊控制，输出预测轨迹末端与障碍物的距离权重系数和线速度权重系数；结合稳定性控制器和碰撞风险控制器输出，采用动态窗口算法通过评估函数对运动轨迹进行评估，得到规划路径。本发明显著减小了动态窗口法算法的转角，使船舶的运动状态更加平稳，增加了船舶航行时遇到障碍物的安全性。

技术研发人员：王峰,吴华锋,韩冰
受保护的技术使用者：上海海事大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14