CN115407785B - 一种船舶避碰控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶避碰控制方法、装置、设备及存储介质。包括：获取当前船舶的船舶碰撞危险度和历史艏向及舵角信息，并根据历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法；根据船舶碰撞危险度获取当前船舶的期望艏向；通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰。通过获取碰撞危险度来确定当前船舶的期望艏向，可以及时在航行过程中确定出当前船舶遇到的危险情况，再通过期望艏向可以准确确定避碰和复航的时机，通过历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，再通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰，提高了避碰过程的可靠性，降低了船舶碰撞风险的同时保障了船舶的航行安全。
Description
技术领域
本发明涉及船舶控制领域，尤其涉及一种船舶避碰控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
目前国内港口、内河航道的船舶吨位、数量大幅度增加，进港船舶数量越来越多，水上交通安全问题日益凸显；如何判断相邻船舶是否会发生碰撞并指导有碰撞危险船舶实行避碰操作，协助智能船舶安全航行并维持海航交通秩序，已受到越来越多人的关注。
现有技术中是通过对船舶进行测试和仿真来模拟危险情况，最后依据测试或仿真结果帮助船舶在航行时实现避碰。
现有技术中通过测试和仿真的方式，试验场景与结果随机性强、重复性差；虚拟仿真试验数据缺少真实性，且与现实航道条件很难达到完全一致，可靠性低。
发明内容
本发明提供了一种船舶避碰控制方法、装置、设备及存储介质，以实现船舶在航行过程中对遇到的碰撞危险情况进行避碰。
根据本发明的一方面，提供了一种船舶避碰控制方法，该方法包括：
获取当前船舶的船舶碰撞危险度和历史艏向及舵角信息，并根据历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法；
根据船舶碰撞危险度获取当前船舶的期望艏向；
通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰。
优选的，获取当前船舶的船舶碰撞危险度，包括：当确定当前船舶的指定范围内存在目标船舶时，获取当前船舶和目标船舶的相关参数及相关参数对应的权重值，其中，相关参数包括最近会遇距离、最短会遇时间和两船间距；将各相关参数和各相关参数对应的权重值的乘积依次相加得到船舶碰撞危险度。
优选的，根据历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，包括：根据历史艏向及舵角信息确定出当前船舶艏向的伪偏导数值；根据伪偏导数值建立当前船舶艏向的紧格式动态线性化模型，其中，紧格式动态线性化模型中包括艏向变化量和船舶舵角变化量的对应关系；根据紧格式动态线性化模型建立船舶控制算法，其中，船舶控制算法中包括船舶舵角和船舶艏向的对应关系。
优选的，根据船舶碰撞危险度获取当前船舶的期望艏向，包括：判断船舶碰撞危险度是否大于预设阈值，若是，根据人工势场法计算期望艏向；否则，获取预先设置的航向，将预先设置的航向作为期望艏向。
优选的，根据人工势场法计算期望艏向，包括：根据人工势场法获得当前船舶与目标船舶的相对位置的引力势场；确定当前船舶的环境信息，并根据环境信息确定当前船舶的斥力势场，其中，环境信息中包含当前船舶和障碍物之间的距离；根据引力势场和斥力势场计算期望艏向。
优选的，根据引力势场和斥力势场计算期望艏向，包括：根据引力势场计算当前船舶所受引力；根据斥力势场计算当前船舶所受斥力；根据引力和斥力确定当前船舶所受合力，并将合力的方向作为期望艏向。
优选的，通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰，包括：将期望艏向作为船舶艏向输入船舶控制算法，并获取输出的船舶舵角；根据船舶舵角控制当前船舶避碰。
根据本发明的另一方面，提供了一种船舶避碰控制装置，该装置包括：
船舶控制算法建立模块，用于获取当前船舶的船舶碰撞危险度和历史艏向及舵角信息，并根据历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法；
期望艏向获取模块，用于根据船舶碰撞危险度获取期望艏向；
船舶避碰控制模块，用于通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰。
根据本发明的另一方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明任一实施例所述的一种船舶避碰控制方法。
根据本发明的另一方面，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存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现本发明任一实施例所述的一种船舶避碰控制方法。
本发明实施例的技术方案，通过获取碰撞危险度来确定当前船舶的期望艏向，可以及时在航行过程中确定出当前船舶遇到的危险情况，再通过期望艏向可以准确确定避碰和复航的时机，通过历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，再通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰，提高了避碰过程的可靠性，降低了船舶碰撞风险的同时保障了船舶的航行安全。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例一提供的一种船舶避碰控制方法的流程图；
图2是根据本发明实施例一提供的另一种船舶避碰控制方法的流程图；
图3是根据本发明实施例一提供的一种船舶对遇场景避让过程示意图；
图4是根据本发明实施例一提供的另一种船舶对遇场景避让过程示意图；
图5是根据本发明实施例一提供的一种船舶交叉场景避让过程示意图；
图6是根据本发明实施例一提供的另一种船舶交叉场景避让过程示意图；
图7是根据本发明实施例二提供的另一种船舶避碰控制方法的流程图；
图8是根据本发明实施例三提供的一种船舶避碰控制装置的结构示意图；
图9是实现本发明实施例的一种船舶避碰控制方法的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
图1为本发明实施例一提供了一种船舶避碰控制方法的流程图，本实施例可适用于船舶航行的情况，该方法可以由船舶避碰控制装置来执行，该船舶避碰控制装置可以采用硬件和/或软件的形式实现，该船舶避碰控制装置可配置于计算机中。如图1所示，该方法包括：
S110、获取当前船舶的船舶碰撞危险度和历史艏向及舵角信息，并根据历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法。
其中，船舶碰撞危险度是指用于判断两船间的碰撞危险的参数，取值范围为[0,1]；危险度为0时表示两船间不存在碰撞危险，危险度为1时表示无论采取何种措施都不可能完成避碰。碰撞是指当前船舶与其他船舶在海上航向过程中发生相碰或相撞的情况。当前船舶是指需要控制器进行控制的船舶，控制器通过控制当前船舶来实现避碰。艏向是指船头的方向信息，即船舶纵轴轴向在水平面内的投影方向；舵角是指船舶舵叶绕舵杆轴线转动，偏离正舵位置的角度。船舶控制算法是指控制器基于船舶艏向输出船舶舵角进而控制船舶行驶的模型。需要说明的是，本实施方式中的船舶除了是具有船员于船上控制其航行的一般船舶外，更可以是无人驾驶的船舶如自动驾驶船舶、自主航行船舶、海洋无人载具及水面自动载具等。
优选的，获取当前船舶的船舶碰撞危险度，包括：当确定当前船舶的指定范围内存在目标船舶时，获取当前船舶和目标船舶的相关参数及相关参数对应的权重值，其中，相关参数包括最近会遇距离、最短会遇时间和两船间距；将各相关参数和各相关参数对应的权重值的乘积依次相加得到船舶碰撞危险度。
具体的，指定范围是指用户根据船舶航行任务提前设置在控制器内部的，用户是指设计船舶避碰控制的研发人员或工作人员，目标船舶是指指定范围内除当前船舶外的其他船舶，若指定范围内存在多个其他船舶时，可以将距离当前船舶最近的船舶作为目标船舶，例如，指定范围可以是10海里，当控制器确定当前船舶10海里内存在目标船舶时，控制器会获取当前船舶和目标船舶的相关参数，相关参数包括最近会遇距离、最短会遇时间和两船间距，控制器还会获取各相关参数对应的权重值，权重值可以是用户根据各相关参数的重要程度提前在控制器内部预设的，最后控制器会将各相关参数和各相关参数对应的权重值的乘积依次相加得到船舶碰撞危险度，即采用如下公式（1）计算船舶碰撞危险度：
（1）
其中，表示船舶碰撞危险度，表示当前船舶和目标船舶的最近会遇距离，表示最近会遇距离对应的权重值，表示当前船舶和目标船舶的最短会遇时间，表示最短会遇时间对应的权重值，表示当前船舶和目标船舶的两船间距，表示两船间距对应的权重值，++=1。
优选的，根据历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，包括：根据历史艏向及舵角信息确定出当前船舶艏向的伪偏导数值；根据伪偏导数值建立当前船舶艏向的紧格式动态线性化模型，其中，紧格式动态线性化模型中包括艏向变化量和船舶舵角变化量的对应关系；根据紧格式动态线性化模型建立船舶控制算法，其中，船舶控制算法中包括船舶舵角和船舶艏向的对应关系。
具体的，控制器会根据艏向信息及舵角信息确定出当前船舶艏向的伪偏导数的估计值，并将估计值作为伪偏导数值，即采用如下公式（2）计算当前船舶艏向的伪偏导数估计值：
（2）
其中，表示的估计值，表示当前船舶艏向的伪偏导数值，η表示加入的步长因子，η∈(0,1]，目的是使算法具有更强的灵活性和一般性，μ表示权重因子，μ＞0，表示当前时刻的艏向变化量，表示上一时刻的伪偏导数估计值，表示上一时刻的船舶舵角变化量。
进一步的，控制器得到伪偏导数的估计值后，会建立当前船舶艏向的紧格式动态线性化模型，紧格式动态线性化模型中包括艏向变化量和船舶舵角变化量的对应关系，即采用如下公式（3）表示紧格式动态线性化模型：
（3）
其中，表示下一时刻的艏向变化量,表示船舶舵角变化量,表示当前船舶艏向的伪偏导数值，控制器在得到下一时刻的艏向变化量和船舶舵角变化量的对应关系后，可对公式（3）进行转化得到下一时刻的艏向，即采用如下公式（4）表示下一时刻的艏向：
（4）
其中，表示下一时刻的艏向，表示当前时刻的艏向，表示当前船舶艏向的伪偏导数值，表示船舶舵角变化量。
进一步的，根据紧格式动态线性化模型建立船舶控制算法时还需考虑控制输入准则函数， 即采用如下公式（5）表示控制输入准则函数：
（5）
其中，λ表示权重因子，λ＞0，用来惩罚控制输入量的过大变化，表示船舶艏向，表示下一时刻的艏向，表示当前时刻的船舶舵角,表示上一时刻的船舶舵角，将公式（4）代入公式（5）即可得到船舶控制算法，即采用如下公式（6）表示船舶控制算法：
（6）
其中，表示当前时刻的船舶舵角,表示上一时刻的船舶舵角，ρ表示步长因子，ρ∈(0,1]，λ表示权重因子，λ＞0，表示船舶艏向，表示当前时刻的艏向，表示当前船舶艏向的伪偏导数值。上述公式（6）的控制算法直接用于船舶运动控制存在误差收敛速度慢、控制误差大且不断波动的问题，因此本实施方式中引入优先级的调度算法(Priority-driven scheduling-PD)控制可以得到改进的无模型自适应PD控制算法，即采用如下公式（7）表示的船舶控制算法：
（7）
其中，表示当前时刻的船舶舵角,表示上一时刻的船舶舵角，ρ表示步长因子，ρ∈(0,1]，λ表示权重因子，λ＞0，表示船舶艏向，表示当前时刻的艏向，表示当前船舶艏向的伪偏导数值，和表示控制器改进后引进的控制参数即为PD控制器中的比例项与微分项。最后，控制器可以根据改进的无模型自适应PD控制算法建立船舶控制算法，船舶控制算法中包括船舶舵角和船舶艏向的对应关系。
S120、根据船舶碰撞危险度获取当前船舶的期望艏向。
具体的，控制器在计算出当前船舶的船舶碰撞危险度后，会根据船舶碰撞危险度获取当前船舶的期望艏向。
图2为本发明实施例一提供了一种船舶避碰控制方法的流程图，步骤S120主要包括如下的步骤S121至步骤S123：
S121、判断船舶碰撞危险度是否大于预设阈值，若是，执行S122,否则，执行S123。
具体的，控制器会判断船舶碰撞危险度是否大于预设阈值，预设阈值是用户根据当前船舶的航行任务提前设置在控制器内部的，例如，预设阈值可以是0.8，当控制器通过公式（1）计算出的船舶碰撞危险度大于0.8时，执行S122,否则，执行S123。
S122、根据人工势场法计算期望艏向。
具体的，当当前船舶的航行时遇到风险情况时，即控制器计算出当前船舶的船舶碰撞危险度大于预设阈值时，控制器会采用人工势场法计算期望艏向。
S123、获取预先设置的航向，将预先设置的航向作为期望艏向。
具体的，当船舶碰撞危险度未大于预设阈值时，控制器会获取预先设置的航向，将预先设置的航向作为期望艏向。
进一步的，当前船舶和目标船舶的船舶碰撞危险度大于预设阈值时，控制器会采用人工势场法计算期望艏向，而当当前船舶执行避碰操作后，随着当前船舶与目标船舶之间的距离越来越远，船舶碰撞危险度的数值也逐渐减小，当船舶碰撞危险度不再大于预设阈值后，此时的期望艏向就变为用户预先设置的航向，即当前船舶完成避碰后会进行复航。而当当前船舶在航行时未遇到风险情况，即当前船舶的船舶碰撞危险度一直未大于预设阈值时，控制器会保持预先设置的航向，例如，预先设置的航向为50°时，控制器会一直保持50°航向控制船舶行驶。
示例性的，当前船舶和目标船舶碰撞危险度高的场景包括对遇场景和交叉场景，图3和图4为一种船舶对遇场景避让过程示意图，图5和图6为一种船舶交叉场景避让过程示意图，图3、图4、图5和图6中，粗实线表示目标船舶的航行轨迹，细实线表示当前船舶的航行轨迹，虚线表示当前船舶执行避碰操作后的航行轨迹，当前船舶起点为坐标原点（0,0），当前船舶运动目标点位置为（2000,2000）；当前船舶在沿原航行轨迹运动过程中，会在某处与目标船舶相遇，导致船舶碰撞危险度超过预设阈值，故此时控制器需要控制当前船舶执行避碰，避碰过程如图4和图6所示；图3和图5中展现了当前船舶进行避碰操作，并且完成避碰操作后，即碰撞危险度不大于预设阈值时复航的全部航行轨迹。
S130、通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰。
优选的，通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰，包括：将期望艏向作为船舶艏向输入船舶控制算法，并获取输出的船舶舵角；根据船舶舵角控制当前船舶避碰。
具体的，控制器会一直按照期望艏向控制当前船舶在海上航行，当前船舶和目标船舶的船舶碰撞危险度大于预设阈值时，期望艏向会发生变化，而当期望艏向变化时，控制器会将期望艏向作为船舶艏向输入船舶控制算法，由于船舶控制算法中包括船舶舵角和船舶艏向的对应关系，故船舶控制算法会输出的船舶舵角，控制器可以根据船舶舵角控制当前船舶避碰。
本发明实施例的技术方案，通过获取碰撞危险度来确定当前船舶的期望艏向，可以及时在航行过程中确定出当前船舶遇到的危险情况，再通过期望艏向可以准确确定避碰和复航的时机，通过历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，再通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰，提高了避碰过程的可靠性，降低了船舶碰撞风险的同时保障了船舶的航行安全。
实施例二
图7为本发明实施例二提供的一种船舶避碰控制方法的流程图，本实施例在上述实施例一的基础上对根据人工势场法计算期望艏向进行具体说明。如图7所示，该方法包括：
S210、根据人工势场法获得当前船舶与目标船舶的相对位置的引力势场。
具体的，控制器会获得当前船舶与目标船舶的相对位置的引力势场，即采用如下公式（8）表示引力势场：
（8）
其中，表示当前船舶与目标船舶的相对位置的引力势场，表示当前船舶与目标船舶的距离，表示引力势场系数。
S220、确定当前船舶的环境信息，并根据环境信息确定当前船舶的斥力势场。
具体的，控制器会确定当前船舶的环境信息，其中，环境信息中包含当前船舶和障碍物之间的距离，控制器会根据当前船舶和障碍物之间的距离确定当前船舶的斥力势场，假设当前船舶所处的航行环境中有N个障碍物，计算第i个障碍物与当前船舶之间的斥力势场，即采用如下公式（9）表示：
（9）
其中，表示第i个障碍物与当前船舶的相对位置的斥力势场，表示斥力势场系数，表示第i个障碍物与当前船舶的距离，表示障碍物的影响范围，表示当前船舶与目标船舶的距离。
S230、根据引力势场和斥力势场计算期望艏向。
优选的，根据引力势场和斥力势场计算期望艏向，包括：根据引力势场计算当前船舶所受引力；根据斥力势场计算当前船舶所受斥力；根据引力和斥力确定当前船舶所受合力，并将合力的方向作为期望艏向。
具体的，控制器在计算出引力势场和斥力势场后，可根据引力势场和斥力势场计算期望艏向，控制器会先根据引力势场计算当前船舶所受引力，即采用如下公式（10）表示当前船舶所受引力：
（10）
其中，表示当前船舶所受引力，表示当前船舶与目标船舶的距离，表示当前船舶引力势场的负梯度，ka表示引力势场系数；进一步的，控制器根据斥力势场计算当前船舶所受斥力，即采用如下公式（11）表示当前船舶所受斥力：
（11）
其中，表示当前船舶所受斥力，表示当前船舶与目标船舶的距离，n表示障碍物总个数，i表示第i个障碍物，表示当前船舶斥力势场的负梯度，表示第i个障碍物与当前船舶的距离，表示障碍物的影响范围，表示当前船舶与除目标船舶外的其他障碍物所受斥力，方向由障碍物指向当前船舶，表示当前船舶与目标船舶所受斥力，方向由当前船舶指向目标船舶，将当前船舶所受引力与斥力叠加，可以得到当前船舶所受合力，即采用如下公式（12）表示当前船舶所受合力：
（12）
其中，表示当前船舶所受引力，表示当前船舶所受斥力，F表示当前船舶所受合力，合力的方向即为期望艏向，控制器确定出期望艏向后，会通过船舶控制算法基于期望艏向控制船舶进行避碰。
本发明实施例的技术方案，通过获取碰撞危险度来确定当前船舶的期望艏向，可以及时在航行过程中确定出当前船舶遇到的危险情况，再通过期望艏向可以准确确定避碰和复航的时机，通过历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，当碰撞危险度大于预设阈值时采用人工势场法计算期望艏向，计算量小且准确率高，再通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰，提高了避碰过程的可靠性，降低了船舶碰撞风险的同时保障了船舶的航行安全。
实施例三
图8为本发明实施例三提供的一种船舶避碰控制装置的结构示意图。如图8所示，该装置包括：船舶控制算法建立模块310，用于获取当前船舶的船舶碰撞危险度和历史艏向及舵角信息，并根据历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法；期望艏向获取模块320，用于根据船舶碰撞危险度获取期望艏向；船舶避碰控制模块330，用于通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰。
优选的，船舶控制算法建立模块310，具体用于：当确定当前船舶的指定范围内存在目标船舶时，获取当前船舶和目标船舶的相关参数及相关参数对应的权重值，其中，相关参数包括最近会遇距离、最短会遇时间和两船间距；将各相关参数和各相关参数对应的权重值的乘积依次相加得到船舶碰撞危险度。
优选的，船舶控制算法建立模块310，还用于：根据历史艏向及舵角信息确定出当前船舶艏向的伪偏导数值；根据伪偏导数值建立当前船舶艏向的紧格式动态线性化模型，其中，紧格式动态线性化模型中包括艏向变化量和船舶舵角变化量的对应关系；根据紧格式动态线性化模型建立船舶控制算法，其中，船舶控制算法中包括船舶舵角和船舶艏向的对应关系。
优选的，期望艏向获取模块320，具体包括：危险度判断单元，用于判断船舶碰撞危险度是否大于预设阈值；人工势场法计算单元，用于当船舶碰撞危险度大于预设阈值时，根据人工势场法计算期望艏向；预先设置航向获取单元，用于当船舶碰撞危险度未大于于预设阈值时，获取预先设置的航向，将预先设置的航向作为期望艏向。
优选的，人工势场法计算单元，具体包括：引力势场确定子单元，用于根据人工势场法获得当前船舶与目标船舶的相对位置的引力势场；斥力势场确定子单元，用于确定当前船舶的环境信息，并根据环境信息确定当前船舶的斥力势场，其中，环境信息中包含当前船舶和障碍物之间的距离；期望艏向计算子单元，用于根据引力势场和斥力势场计算期望艏向。
优选的，期望艏向计算子单元，具体用于：根据引力势场计算当前船舶所受引力；根据斥力势场计算当前船舶所受斥力；根据引力和斥力确定当前船舶所受合力，并将合力的方向作为期望艏向。
优选的，船舶避碰控制模块330，具体用于：将期望艏向作为船舶艏向输入船舶控制算法，并获取输出的船舶舵角；根据船舶舵角控制当前船舶避碰。
本发明实施例的技术方案，通过获取碰撞危险度来确定当前船舶的期望艏向，可以及时在航行过程中确定出当前船舶遇到的危险情况，再通过期望艏向可以准确确定避碰和复航的时机，通过历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，再通过船舶控制算法基于期望艏向控制当前船舶避碰，提高了避碰过程的可靠性，降低了船舶碰撞风险的同时保障了船舶的航行安全。
本发明实施例所提供的一种船舶避碰控制装置可执行本发明任意实施例所提供的一种船舶避碰控制方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例四
图9示出了可以用来实施本发明的实施例的电子设备10的结构示意图。电子设备旨在表示各种形式的数字计算机，诸如，膝上型计算机、台式计算机、工作台、个人数字助理、服务器、刀片式服务器、大型计算机、和其它适合的计算机。电子设备还可以表示各种形式的移动装置，诸如，个人数字处理、蜂窝电话、智能电话、可穿戴设备（如头盔、眼镜、手表等）和其它类似的计算装置。本文所示的部件、它们的连接和关系、以及它们的功能仅仅作为示例，并且不意在限制本文中描述的和/或者要求的本发明的实现。
如图9所示，电子设备10包括至少一个处理器11，以及与至少一个处理器11通信连接的存储器，如只读存储器（ROM）12、随机访问存储器（RAM）13等，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的计算机程序，处理器11可以根据存储在只读存储器（ROM）12中的计算机程序或者从存储单元18加载到随机访问存储器（RAM）13中的计算机程序，来执行各种适当的动作和处理。在RAM 13中，还可存储电子设备10操作所需的各种程序和数据。处理器11、ROM 12以及RAM 13通过总线14彼此相连。输入/输出（I/O）接口15也连接至总线14。
电子设备10中的多个部件连接至I/O接口15，包括：输入单元16，例如键盘、鼠标等；输出单元17，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元18，例如磁盘、光盘等；以及通信单元19，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元19允许电子设备10通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理器11可以是各种具有处理和计算能力的通用和/或专用处理组件。处理器11的一些示例包括但不限于中央处理单元（CPU）、图形处理单元（GPU）、各种专用的人工智能（AI）计算芯片、各种运行机器学习模型算法的处理器、数字信号处理器（DSP）、以及任何适当的处理器、控制器、微控制器等。处理器11执行上文所描述的各个方法和处理，例如一种船舶避碰控制方法。
在一些实施例中，一种船舶避碰控制方法可被实现为计算机程序，其被有形地包含于计算机可读存储介质，例如存储单元18。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM 12和/或通信单元19而被载入和/或安装到电子设备10上。当计算机程序加载到RAM 13并由处理器11执行时，可以执行上文描述的一种船舶避碰控制方法的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，处理器11可以通过其他任何适当的方式（例如，借助于固件）而被配置为执行一种船舶避碰控制方法。
本文中以上描述的系统和技术的各种实施方式可以在数字电子电路系统、集成电路系统、场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、专用标准产品（ASSP）、芯片上系统的系统（SOC）、负载可编程逻辑设备（CPLD）、计算机硬件、固件、软件、和/或它们的组合中实现。这些各种实施方式可以包括：实施在一个或者多个计算机程序中，该一个或者多个计算机程序可在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上执行和/或解释，该可编程处理器可以是专用或者通用可编程处理器，可以从存储系统、至少一个输入装置、和至少一个输出装置接收数据和指令，并且将数据和指令传输至该存储系统、该至少一个输入装置、和该至少一个输出装置。
用于实施本发明的方法的计算机程序可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些计算机程序可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，使得计算机程序当由处理器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。计算机程序可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，计算机可读存储介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的计算机程序。计算机可读存储介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。备选地，计算机可读存储介质可以是机器可读信号介质。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或快闪存储器）、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器（CD-ROM）、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
为了提供与用户的交互，可以在电子设备上实施此处描述的系统和技术，该电子设备具有：用于向用户显示信息的显示装置（例如，CRT（阴极射线管）或者LCD（液晶显示器）监视器）；以及键盘和指向装置（例如，鼠标或者轨迹球），用户可以通过该键盘和该指向装置来将输入提供给电子设备。其它种类的装置还可以用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈（例如，视觉反馈、听觉反馈、或者触觉反馈）；并且可以用任何形式（包括声输入、语音输入或者、触觉输入）来接收来自用户的输入。
可以将此处描述的系统和技术实施在包括后台部件的计算系统（例如，作为数据服务器）、或者包括中间件部件的计算系统（例如，应用服务器）、或者包括前端部件的计算系统（例如，具有图形用户界面或者网络浏览器的用户计算机，用户可以通过该图形用户界面或者该网络浏览器来与此处描述的系统和技术的实施方式交互）、或者包括这种后台部件、中间件部件、或者前端部件的任何组合的计算系统中。可以通过任何形式或者介质的数字数据通信（例如，通信网络）来将系统的部件相互连接。通信网络的示例包括：局域网（LAN）、广域网（WAN）、区块链网络和互联网。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器一般远离彼此并且通常通过通信网络进行交互。通过在相应的计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序来产生客户端和服务器的关系。服务器可以是云服务器，又称为云计算服务器或云主机，是云计算服务体系中的一项主机产品，以解决了传统物理主机与VPS服务中，存在的管理难度大，业务扩展性弱的缺陷。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种船舶避碰控制方法，其特征在于，包括：
获取当前船舶的船舶碰撞危险度和历史艏向及舵角信息，并根据所述历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法；
根据所述船舶碰撞危险度获取所述当前船舶的期望艏向；
通过所述船舶控制算法基于所述期望艏向控制所述当前船舶避碰；
其中，所述根据所述船舶碰撞危险度获取所述当前船舶的期望艏向，包括：判断所述船舶碰撞危险度是否大于预设阈值，若是，根据人工势场法计算所述期望艏向；否则，获取预先设置的航向，将所述预先设置的航向作为所述期望艏向；
其中，所述根据人工势场法计算所述期望艏向，包括：根据人工势场法获得所述当前船舶与目标船舶的相对位置的引力势场；确定所述当前船舶的环境信息，并根据所述环境信息确定所述当前船舶的斥力势场，其中，所述环境信息中包含所述当前船舶和障碍物之间的距离；根据所述引力势场和所述斥力势场计算所述期望艏向；
其中，所述根据所述引力势场和所述斥力势场计算所述期望艏向，包括：根据所述引力势场计算所述当前船舶所受引力；根据所述斥力势场计算所述当前船舶所受斥力；根据所述引力和所述斥力确定当前船舶所受合力，并将所述合力的方向作为所述期望艏向；
其中，所述当前船舶所受斥力为：
其中，表示当前船舶所受斥力，表示当前船舶与目标船舶的距离，n表示障碍物总个数，i表示第i个障碍物，表示当前船舶斥力势场的负梯度，表示第i个障碍物与当前船舶的距离，表示障碍物的影响范围，表示当前船舶与除目标船舶外的其他障碍物所受斥力，方向由障碍物指向当前船舶，表示当前船舶与目标船舶所受斥力，方向由当前船舶指向目标船舶，表示斥力势场系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取当前船舶的船舶碰撞危险度，包括：
当确定所述当前船舶的指定范围内存在目标船舶时，获取所述当前船舶和所述目标船舶的相关参数及所述相关参数对应的权重值，其中，所述相关参数包括最近会遇距离、最短会遇时间和两船间距；
将各所述相关参数和各相关参数对应的所述权重值的乘积依次相加得到所述船舶碰撞危险度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法，包括：
根据所述历史艏向及舵角信息确定出当前船舶艏向的伪偏导数值；
根据所述伪偏导数值建立当前船舶艏向的紧格式动态线性化模型，其中，所述紧格式动态线性化模型中包括艏向变化量和船舶舵角变化量的对应关系；
根据所述紧格式动态线性化模型建立所述船舶控制算法，其中，所述船舶控制算法中包括船舶舵角和船舶艏向的对应关系。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通过所述船舶控制算法基于所述期望艏向控制所述当前船舶避碰，包括：
将所述期望艏向作为所述船舶艏向输入所述船舶控制算法，并获取输出的所述船舶舵角；
根据所述船舶舵角控制所述当前船舶避碰。
5.一种船舶避碰控制装置，其特征在于，包括：
船舶控制算法建立模块，用于获取当前船舶的船舶碰撞危险度和历史艏向及舵角信息，并根据所述历史艏向及舵角信息建立船舶控制算法；
期望艏向获取模块，用于根据所述船舶碰撞危险度获取期望艏向；
船舶避碰控制模块，用于通过所述船舶控制算法基于所述期望艏向控制所述当前船舶避碰；
其中，期望艏向获取模块，具体包括：危险度判断单元，用于判断船舶碰撞危险度是否大于预设阈值；人工势场法计算单元，用于当所述船舶碰撞危险度大于预设阈值时，根据人工势场法计算所述期望艏向；预先设置航向获取单元，用于当所述船舶碰撞危险度未大于预设阈值时，获取预先设置的航向，将预先设置的航向作为所述期望艏向；
其中，人工势场法计算单元，具体包括：引力势场确定子单元，用于根据人工势场法获得所述当前船舶与目标船舶的相对位置的引力势场；斥力势场确定子单元，用于确定所述当前船舶的环境信息，并根据所述环境信息确定所述当前船舶的斥力势场，其中，环境信息中包含当前船舶和障碍物之间的距离；期望艏向计算子单元，用于根据所述引力势场和所述斥力势场计算期望艏向；
其中，期望艏向计算子单元，具体用于：根据所述引力势场计算当前船舶所受引力；根据所述斥力势场计算当前船舶所受斥力；根据所述引力和所述斥力确定所述当前船舶所受合力，并将所述合力的方向作为所述期望艏向；
其中，所述当前船舶所受斥力为：
其中，表示当前船舶所受斥力，表示当前船舶与目标船舶的距离，n表示障碍物总个数，i表示第i个障碍物，表示当前船舶斥力势场的负梯度，表示第i个障碍物与当前船舶的距离，表示障碍物的影响范围，表示当前船舶与除目标船舶外的其他障碍物所受斥力，方向由障碍物指向当前船舶，表示当前船舶与目标船舶所受斥力，方向由当前船舶指向目标船舶，表示斥力势场系数。
6.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：
至少一个处理器；以及
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的计算机程序，所述计算机程序被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1-4中任一项所述的方法。
7.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使处理器执行时实现权利要求1-4中任一项所述的方法。
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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Family Cites Families (9)
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| US20180154850A1 (en) * | 2016-12-01 | 2018-06-07 | Emma YATES | System and method for avoiding collision between vehicles |
| CN108768232B (zh) * | 2018-06-13 | 2019-12-20 | 青岛科技大学 | 一种半潜船动力定位系统推进电机控制方法及系统 |
| CN109887339B (zh) * | 2019-03-20 | 2020-09-15 | 集美大学 | 一种关联避让行为的船舶碰撞危险及危险度评估方法 |
| CN110471427B (zh) * | 2019-09-06 | 2022-05-10 | 大连海事大学 | 一种基于路径规划与人工势场法的船舶编队智能避碰方法 |
| CN111338356A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-06-26 | 哈尔滨工程大学 | 改进分布式遗传算法的多目标无人船避碰路径规划方法 |
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|---|---|---|---|---|
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| 基于改进人工势场法的船舶路径规划与跟踪控制;宁君，等;《哈尔滨工程大学学报》;第43卷(第10期);第1414-1423页 * |
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