CN114384917A - 一种基于场论的船舶实时避碰方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于船舶动态避障领域,公开了一种基于场论的船舶实时避碰方法,包括以下步骤:利用船舶的感知和导航系统实时探测本船和障碍物的信息,判断障碍物类型并计算本船和障碍物的会遇参数,判断是否存在碰撞危险;对于存在碰撞危险的障碍物,将障碍物的类型分为一般障碍物和动态会遇船,其中,对于动态会遇船,结合国际海上避碰规则分析会遇态势,确认转向避碰策略;然后根据船舶和障碍物信息建立场论模型,利用粒子群算法求解避碰路径。本发明建立了一种合理的船舶场论模型,为解决无人艇航行过程中遇到的动静态避碰问题提供一种合理可靠的避碰方法,并实时输出计算结果,具有良好的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于船舶动态避障领域,具体涉及一种基于场论的船舶实时避碰方法。
背景技术
当今全球贸易蓬勃发展,逐渐形成了以海上运输为主导的交通运输模式。近年来,随着人工智能、物联网、大数据等技术的飞速发展和广泛应用,智能船舶已成为航运业发展的必然趋势,智能船舶也已成为国际航运、造船、海事界新热点。一方面,由于海上航行不确定环境造成的船舶航行安全事故频发,而这些事故又会带来令人触目惊心的损失和危害;另一方面,为了提高对于海洋的监管和控制能力,各国逐渐加大对水面无人艇等智能船舶的研究。鉴于此,如何避免船舶碰撞就成为了研究智能船舶的核心内容之一。
实时避碰是指通过传感器信息确定船舶的实时位置,以及得到局部范围内障碍物的分布情况,寻找一种满足一定评价标准和约束的运动方法,然后调整航向和航速,高度智能化、自适应避开海上各类障碍物。目前常用的避碰方法如人工势场法,其在建立模型时不包含障碍物的速度大小和方向信息,在进行动态避碰时会产生路径震荡等现象,甚至出现避碰失败的情况,在实际应用中存在缺陷。因此,如何提供一种具有安全、实时、快速的避碰方法是智能船舶技术发展的一种关键问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题和不足,本发明的目的在于提供一种基于场论的船舶实时避碰方法。
基于上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明第一方面提供了一种基于场论的船舶实时避碰方法,包括如下步骤:
(1)利用本船的感知和导航系统实时探测本船和障碍物的信息;
(2)采用步骤(1)中获得的探测信息判断障碍物类型,同时计算本船和障碍物的会遇参数,然后判断本船和障碍物是否存在碰撞危险:若存在碰撞危险,执行步骤(3);若无碰撞危险,则沿既定航线继续航行,返回步骤(1);
(3)根据步骤(2)中判断的障碍物类型,确定转向避碰策略;
(4)建立场论模型,利用粒子群算法计算实时避碰路径。
优选地,步骤(1)所述中感知和导航系统包括姿态感测装置、导航系统、雷达感测装置、光电系统装置、声纳感测系统。
更加优选地,所述姿态感测装置可以实时监测本船的速度、航向信息;导航系统、雷达感测装置、声纳感测系统可以侦测本船的位置,障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向等信息。
更加优选地,所述感知和导航系统对获得的信息进行数据筛选、处理和融合,实现本船的姿态感知、目标识别、目标跟踪以及目标融合,得到本船除船身长度和船身宽度等船舶已知固定信息外本船的船速、航向、位置等信息,以及障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向等信息。
优选地,步骤(1)中所述探测信息包括航行终点位置信息,本船的最小安全半径、操作精度、船速、航向、位置信息,以及障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向信息。
优选地,所述步骤(2)的具体步骤为:
(2a)根据步骤(1)探测的障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向信息,判断障碍物的类型;然后根据障碍物类型、本船自身的操控精度及环境参数,设定避碰空间阈值D和避碰时间阈值T;
(2b)根据步骤(1)探测的本船的位置、航向、航速信息和障碍物的位置、速度方向、速度大小信息,计算最小会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA,计算公式为:
DCPA=||Rr||sinα;
式中,Rr为本船和障碍物之间的相对距离矢量,Vr为本船和障碍物之间的相对速度矢量,α为Rr与Vr的夹角;
(2c)当DCPA<D或TCPA<T时,本船与障碍物存在碰撞危险,执行步骤(3);当DCPA≥D且TCPA≥T时,本船与障碍物没有碰撞危险,则沿既定航线继续航行,返回步骤(1)。
优选地,步骤(2b)中所述Rr、Vr和α的计算过程为:取空间内的任意一点O为原点建立大地惯性坐标系O-xy,取空间中与O在同一水平面的正东方向为O-x轴正方向,取空间中与O和O-x轴在同一水平面指向正北方向为O-y轴正方向,然后计算Rr、Vr和α,计算公式为:
Rr=(xm-xobs,ym-yobs);
Vr=Vobs-Vm;
式中,(xm,ym)为本船中心位置坐标,vm为本船航速,为本船航向,Vm为本船速度矢量,(xobs,yobs)为障碍物中心位置坐标,vobs为障碍物速度大小,为障碍物速度方向,Vobs为障碍物速度矢量。
优选地,在步骤(3)中,若判断障碍物为除动态会遇船外的一般障碍物,则由船舶自身控制系统进行约束,且不施加海事规则模型的约束;若判断障碍物为动态会遇船,则根据海事规则模型确定避碰转向策略。
更加优选地,所述自身控制约束包括本船向终点航行的既定航线约束和自身所允许的最大加速度限制约束。
优选地,步骤(3)中所述海事规则模型依据国际海上避碰规则,包括本船处于追越、对遇、右交叉、左交叉的冲突局面。
更加优选地,所述冲突局面具体为:
(a)追越:追越分为本船处于追越中或被追越中2种状态,其中,当本船从他船正横后方大于22.5°的某一方向追赶会遇船,且触发碰撞危险时,即认为本船处于追越中,依据国际海上规则中关于追越的相关规定,本船为让路船,应尽早大幅度的让清他船;当会遇船从本船正横后方大于22.5°的某一方向上赶上本船,且触发碰撞危险时,即认为本船处于被追越中;依据国际海上避碰规则中关于追越的相关规定,本船为直航船,应采取保持原有航向、航速或在必要时采取最有助于避碰的行动。
(b)对遇局面:当会遇船与本船航向相反或接近相反,夹角不超过左右舷6°,且触发碰撞风险时,根据国际海上避碰规则中关于对遇局面相关规定,本船为让路船,应采取右转向避碰措施。
(c)右交叉相遇局面:当会遇船与本船的船首方向交叉,会遇船处于本船右方大于6°舷角、小于112.5°舷角的位置,且触发碰撞危险时,依据国际海上避碰规则中关于交叉相遇局面的规定,本船为让路船,应采取右转避碰措施。
(d)左交叉相遇局面:当会遇船与本船的船首方向交叉,会遇船处于本船的左方大于6°舷角、小于112.5°舷角的位置,且触发碰撞危险时,依据国际海上避碰规则中关于交叉相遇局面的规定,本船为直航船,应采取保持航向、航速正常航行,同时监测让路船的动向,必要时本船采取右转向的避让措施。
优选地,所述步骤(4)的具体步骤为:
(4a)采用栅格法对环境建模,得到栅格化地图;
(4b)利用本船航行终点位置信息在栅格化地图中建立终点势场函数:
Ugoal(pi)=k||pi-pgoal||;
式中,Ugoal(pi)为相对于终点的任意一点pi(xi,yi)的势能值,pgoal(xgoal,ygoal)为本船航行终点坐标,k为增益系数,||pi-pgoal||为pi(xi,yi)和pgoal(xgoal,ygoal)之间的欧式距离。
(4c)利用障碍物的位置、速度大小、速度方向、最小安全半径信息在栅格化地图中建立障碍物势场函数:
式中,UVF(pi)为障碍物的势能值,R为任意一点pi(xi,yi)与障碍物中心pobs(xobs,yobs)之间的距离,Δp为任意一点pi(xi,yi)与障碍物中心pobs(xobs,yobs)之间的相对距离矢量,为Δp与障碍物速度矢量Vobs之间的夹角,vobs为障碍物速度大小,为障碍物速度方向,Robs为障碍物的最小安全半径,k1、k2、k3为增益系数;
R=||pi-pobs||;
Δp=(xobs-xi,yobs-yi);
(4d)采用终点势场函数和障碍物势场函数,建立场论模型:UFT(pi)=UVF(pi)+Ugoal(pi);
(4e)在本船自身动力学约束和避碰转向约束下,利用粒子群算法在场论模型中搜索出一条适用于动态避碰的合适路径。
更加优选地,所述自身动力学约束包括本船的最大速度、最大加速度、最大转弯半径。
本发明第二方面提供了一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的基于场论的船舶实时避碰方法。
本发明第三方面提供了一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的基于场论的船舶实时避碰方法。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
(1)本发明提供了一种基于场论的船舶实时避碰方法,利用更加合理的障碍物势场模型函数,考虑了障碍物的最小安全半径、速度大小、速度方向等信息,可以更加具体的表述动态障碍物的运动信息,解决了传统人工势场法在动态避碰时的不能表述动态障碍物速度信息的缺点,能够实时规划处一条更加合理、安全的避碰路径。
(2)此外,本发明引入了粒子群寻优算法,对海上遇到的多种动静态障碍物,能够快速准确做出反映,规划出最优的避碰路径,确保无人艇安全到达目标点。
(3)本发明结合国际海上避碰规则,针对船舶航行时遇到的障碍物避碰这一问题,有利保障了船舶航行的规范性和安全性。
附图说明
图1为为本发明一实施例提供的终点势场示意图;
图2为本发明实时避碰方法的障碍物势场计算示意图;
图3为本发明一实施例提供的障碍物势场示意图;
图4为本发明一实施例提供的场论模型示意图;
图5为本发明一实施例提供的验证实验结果仿真曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下通过实施例结合附图,对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
实施例1
本发明实施例提供一种基于场论的船舶实时避碰方法,包括如下步骤:
(1)利用本船的感知和导航系统实时探测本船和障碍物的信息。
所述中感知和导航系统包括姿态感测装置、导航系统、雷达感测装置、光电系统装置、声纳感测系统等子系统,通过对子系统获得的信息进行数据筛选、处理和融合,实现本船的姿态感知、目标识别、目标跟踪以及目标融合,得到本船除船身长度和船身宽度等船舶已知固定信息外本船的船速、航向、位置等信息,以及障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向等信息。
其中,所述姿态感测装置可以实时监测本船的航速vm、航向导航系统、雷达感测装置、声纳感测系统可以侦测本船的位置坐标(xm,ym),障碍物的最小安全半径Robs、位置坐标pobs(xobs,yobs)、速度大小vobs、速度方向等信息。本船和会遇船的位置坐标建立在大地惯性坐标系O-xy中,坐标系O-xy的建立过程为:取空间内的任意一点O为原点建立大地惯性坐标系O-xy,取空间中与O在同一水平面的正东方向为O-x轴正方向,取空间中与O和O-x轴在同一水平面指向正北方向为O-y轴正方向。
(2)采用步骤(1)中获得的探测信息判断障碍物类型,同时计算本船和障碍物的会遇参数,然后判断本船和障碍物是否存在碰撞危险:若存在碰撞危险,执行步骤(3);若无碰撞危险,则沿既定航线继续航行,返回步骤(1)。具体为:
(2a)根据步骤(1)探测的障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向等信息,判断障碍物的类型,其中,发明人根据障碍物的信息已对障碍物的类型做了一个划分,因此可根据探测信息直接确定障碍物类型;然后根据障碍物类型、本船自身的操控精度及环境参数,设定避碰空间阈值D和避碰时间阈值T。本实施例中障碍物类型为一般常见的船、礁石类的海上漂浮障碍物等。
(2b)根据步骤(1)所探测的本船的信息(xm,ym)、vm、和障碍物信息pobs(xobs,yobs)、vobs、计算获得本船和障碍物之间的相对距离矢量Rr,本船和障碍物之间的相对速度矢量Vr,以及Rr与Vr的夹角α,计算公式如下所示:
Rr=(xm-xobs,ym-yobs);
Vr=Vobs-Vm;
式中,(xm,ym)为本船中心位置坐标,vm为本船航速,为本船航向,Vm为本船速度矢量,(xobs,yobs)为障碍物中心位置坐标,vobs为障碍物速度大小,为障碍物速度方向,Vobs为障碍物速度矢量。
通过Rr、Vr和夹角α计算最小会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA,计算公式如下所示:
DCPA=||Rr||sinα;
(2c)最后判断本船和障碍物是否存在碰撞危险:当DCPA<D或TCPA<T时,本船与障碍物存在碰撞危险,执行步骤(3);当DCPA≥D且TCPA≥T时,本船与障碍物没有碰撞危险,则沿既定航线继续航行,返回步骤(1)。
(3)根据步骤(2)中判断的障碍物类型,确定避碰转向策略。
其中,若判断障碍物为除动态会遇船外的一般障碍物(如礁石类的海上漂浮障碍物等),则由船舶自身控制系统进行约束(包括本船向终点航行的既定航线约束和自身所允许的最大加速度限制约束),而不施加海事规则模型的其他约束;若判断障碍物为动态会遇船,则根据海事规则模型确定避碰转向策略。
所述海事规则模型依据国际海上避碰规则,包括本船处于追越、对遇、右交叉、左交叉的冲突局面。所述冲突局面具体为:
(a)追越:追越分为本船处于追越中或被追越中2种状态,其中,当本船从他船正横后方大于22.5°的某一方向追赶会遇船,且触发碰撞危险时,即认为本船处于追越中,依据国际海上规则中关于追越的相关规定,本船为让路船,应尽早大幅度的让清他船。在本实施例中,本船按照追越局面中让路船的相关避碰义务,采取右转避碰措施。
当会遇船从本船正横后方大于22.5°的某一方向上赶上本船,且触发碰撞危险时,即认为本船处于被追越中;依据国际海上避碰规则中关于追越的相关规定,本船为直航船,应采取保持航向、航速正常航行或在必要时采取最有助于避碰的行动。在本实施例中,本船按照追越局面中让路船的相关避碰义务,采取保持原有航向、航速的避碰措施。
(b)对遇局面:当会遇船与本船航向相反或接近相反,夹角不超过左右舷6°,且触发碰撞风险时,根据国际海上避碰规则中关于对遇局面相关规定,本船为让路船,应采取右转向避碰措施。在本实施例中,本船按照对遇局面中让路船的相关避碰义务,采取右转向避碰措施。
(c)右交叉相遇局面:当会遇船与本船的船首方向交叉,会遇船处于本船右方大于6°舷角、小于112.5°舷角的位置,且触发碰撞危险时,依据国际海上避碰规则中关于交叉相遇局面的规定,本船为让路船,应采取右转避碰措施。在本实施例中,本船按照交叉相遇局面中让路船的相关避碰义务,采取右转向避碰措施。
(d)左交叉相遇局面:当会遇船与本船的船首方向交叉,会遇船处于本船的左方大于6°舷角、小于112.5°舷角的位置,且触发碰撞危险时,依据国际海上避碰规则中关于交叉相遇局面的规定,本船为直航船,应采取保持航向、航速正常航行,同时监测让路船的动向,必要时本船采取右转向的避让措施。在本实施例中,本船按照交叉相遇局面中让路船的相关避碰义务,采取保持航向、航速正常航行,同时监测让路船的动向,必要时本船采取右转向的避让措施。
(4)建立场论模型,利用粒子群算法计算实时避碰路径,具体步骤如下:
(4a)在步骤(1)建立的坐标系中,采用栅格法对环境建模,得到栅格化地图。
(4b)利用本船航行终点位置信息(xgoal,ygoal)在栅格化地图中建立终点势场函数(如图1所示):Ugoal(pi)=k||pi-pgoal||;式中,Ugoal(pi)为相对于终点的任意一点pi(xi,yi)势能值,pgoal(xgoal,ygoal)为本船航行终点坐标,k为增益系数,||pi-pgoal||为pi(xi,yi)和pgoal(xgoal,ygoal)之间的欧式距离。
终点势场函数建立了一个以终点为中心的圆形势场,其势场值在终点处最低,并随着与终点距离的逐渐增加而增大。
(4c)如图2所示,利用障碍物的位置、速度大小、速度方向、最小安全半径信息在栅格化地图中建立障碍物势场函数(如图3所示):
式中,UVF(pi)为障碍物的势能值,R为任意一点pi(xi,yi)与障碍物中心pobs(xobs,yobs)之间的距离,Δp为任意一点pi(xi,yi)与障碍物中心pobs(xobs,yobs)之间的相对距离矢量,为Δp与障碍物速度矢量Vobs之间的夹角,vobs为障碍物速度大小,为障碍物速度方向,Robs为障碍物的最小安全半径,k1、k2、k3为增益系数;
R=||pi-pobs||;
Δp=(xobs-xi,yobs-yi);
(4d)根据步骤(4b)建立的终点势场函数和步骤(4c)建立的障碍物势场函数,建立场论模型(如图4所示):UFT(pi)=UVF(pi)+Ugoal(pi)。
(4e)在本船自身动力学约束和避碰转向约束下,利用粒子群算法在场论模型中搜索出一条适用于动态避碰的合适路径,其中,自身动力学约束包括本船的最大速度、最大加速度、最大转弯半径等。
为了验证本发明方案的有效性,本实施例利用MATLAB进行计算机仿真研究,设置参数如下:船舶的初始航向为45°,起始点为(10,10),终点为(100,100),会遇船航向为225°,起始点为(50,50)。实验结果如图5所示,在t=70s左右的时候,本船与会遇船触发碰撞风险,此时本船开始避碰,并在t=100s之前完成避碰,继续向终点航行。结果表明,本发明基于场论的船舶实时避碰方法具有良好的避碰效果,且其避碰方式满足国际海上避碰规则要求,可适用于无人艇等智能化船舶的自动控制技术,具有良好的实际应用价值。
综上所述,本发明有效克服了现有技术中的不足,且具高度产业利用价值。上述实施例的作用在于说明本发明的实质性内容,但并不以此限定本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和保护范围。
Claims (10)
1.一种基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)利用本船的感知和导航系统实时探测本船和障碍物的信息;
(2)采用步骤(1)中获得的探测信息判断障碍物类型,同时计算本船和障碍物的会遇参数,然后判断本船和障碍物是否存在碰撞危险:若存在碰撞危险,执行步骤(3);若无碰撞危险,则沿既定航线继续航行,返回步骤(1);
(3)根据步骤(2)中判断的障碍物类型,确定转向避碰策略;
(4)建立场论模型,利用粒子群算法计算实时避碰路径。
2.根据权利要求1所述的基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,步骤(1)中所述探测信息包括航行终点位置信息,本船的最小安全半径、操作精度、船速、航向、位置信息,以及障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向信息。
3.根据权利要求2所述的基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,所述步骤(2)的具体步骤为:
(2a)根据步骤(1)探测的障碍物的大小、位置、移动速度、移动方向信息,判断障碍物的类型;然后根据障碍物类型、本船自身的操控精度及环境参数,设定避碰空间阈值D和避碰时间阈值T;
(2b)根据步骤(1)探测的本船的位置、航向、航速信息和障碍物的位置、速度方向、速度大小信息,计算最小会遇距离DCPA和最小会遇时间TCPA,计算公式为:
DCPA=||Rr||sinα;
式中,Rr为本船和障碍物之间的相对距离矢量,Vr为本船和障碍物之间的相对速度矢量,α为Rr与Vr的夹角;
(2c)当DCPA<D或TCPA<T时,本船与障碍物存在碰撞危险,执行步骤(3);当DCPA≥D且TCPA≥T时,本船与障碍物没有碰撞危险,则沿既定航线继续航行,返回步骤(1)。
4.根据权利要求3所述的基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,步骤(2b)中所述Rr、Vr和α的计算过程为:取空间内的任意一点O为原点建立大地惯性坐标系O-xy,取空间中与O在同一水平面的正东方向为O-x轴正方向,取空间中与O和O-x轴在同一水平面指向正北方向为O-y轴正方向,然后计算Rr、Vr和α,计算公式为:
Rr=(xm-xobs,ym-yobs);
Vm=(vm cosθm,vm sinθm);
Vobs=(vobs cosθobs,vobs sinθobs);
Vr=Vobs-Vm;
式中,(xm,ym)为本船中心位置坐标,vm为本船航速,θm为本船航向,Vm为本船速度矢量,(xobs,yobs)为障碍物中心位置坐标,vobs为障碍物速度大小,θobs为障碍物速度方向,Vobs为障碍物速度矢量。
5.根据权利要求4所述的基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,在步骤(3)中,若判断障碍物为除动态会遇船外的一般障碍物,则由船舶自身控制系统进行约束,且不施加海事规则模型的约束;若判断障碍物为动态会遇船,则根据海事规则模型确定避碰转向策略。
6.根据权利要求5所述的基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,步骤(3)中所述海事规则模型包括本船处于追越、对遇、右交叉、左交叉的冲突局面。
7.根据权利要求6所述的基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,所述步骤(4)的具体步骤为:
(4a)采用栅格法对环境建模,得到栅格化地图;
(4b)利用本船航行终点位置信息在栅格化地图中建立终点势场函数:
Ugoal(pi)=k||pi-pgoal||;
式中,Ugoal(pi)为相对于终点的任意一点pi(xi,yi)的势能值,pgoal(xgoal,ygoal)为本船航行终点坐标,k为增益系数,||pi-pgoal||为pi(xi,yi)和pgoal(xgoal,ygoal)之间的欧式距离;
(4c)利用障碍物的位置、速度大小、速度方向、最小安全半径信息在栅格化地图中建立障碍物势场函数:
式中,UVF(pi)为障碍物的势能值,R为任意一点pi(xi,yi)与障碍物中心pobs(xobs,yobs)之间的距离,Δp为任意一点pi(xi,yi)与障碍物中心pobs(xobs,yobs)之间的相对距离矢量,Δθ为Δp与障碍物速度矢量Vobs之间的夹角,vobs为障碍物速度大小,θobs为障碍物速度方向,Robs为障碍物的最小安全半径,k1、k2、k3为增益系数;
其中,所述R、Δθ、Δp、Vobs的计算过程具体为:
R=||pi-pobs||;
Δp=(xobs-xi,yobs-yi);
Vobs=(vobs cosθobs,vobs sinθobs);
(4d)采用终点势场函数和障碍物势场函数,建立场论模型:UFT(pi)=UVF(pi)+Ugoal(pi);
(4e)在本船自身动力学约束和避碰转向约束下,利用粒子群算法在场论模型中搜索出一条适用于动态避碰的合适路径。
8.根据权利要求1所述的基于场论的船舶实时避碰方法,其特征在于,步骤(1)中所述感知和导航系统包括姿态感测装置、导航系统、雷达感测装置、光电系统装置、声纳感测系统。
9.一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1~8任一所述的基于场论的船舶实时避碰方法。
10.一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1~8任一所述的基于场论的船舶实时避碰方法。
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