CN116483091B - 一种船舶自主避障方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种船舶自主避障方法及系统，方法包括获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息；在避碰监控区域存在障碍物的情况下，判断障碍物威胁度是否大于等于威胁度阈值；在障碍物威胁度大于等于威胁度阈值的情况下，计算分析船舶与所述障碍物的避碰会遇情况；在各种避碰会遇情况下，判断是否存在期望避碰速度；在存在期望避碰速度的情况下，生成调节指令；在不存在期望避碰速度的情况下，生成保护指令。其优点在于，能对非开阔水域的静态障碍物、动态障碍物进行障碍物威胁度计算，并根据障碍物威胁度依次进行碰撞危险度、避碰会遇情况计算，从而自动生成控制船舶的指令，以使船舶自动规避或自动停止。
Description
技术领域
本发明涉及船舶避障技术领域，尤其涉及一种船舶自主避障方法、系统、计算机设备及计算机可读存储介质。
背景技术
智能船舶是指利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获得船舶自身、海洋环境、物流、港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理和分析技术，在船舶航行、管理、维护保养、货物运输等方面实现智能化运行的船舶，以使船舶更加安全、更加环保、更加经济和更加高效。
智能船舶的功能一般分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理、智能集成平台、远程控制和自主操作。
对于智能航行，一般是指利用先进感知技术和传感信息融合技术等获取和感知船舶航行所需的状态信息，并通过计算机技术、控制技术进行分析和处理，为船舶的航行提供航速和航路优化的决策建议。在可行时，船舶能够在开阔水域、狭窄水道、进出港口，靠离码头等不同航行场景和复杂环境条件下实现船舶的自主航行。
中国发明专利申请CN113671968A公开了一种基于改进动态最优互惠避碰机制的无人水面艇实时避碰方法，包括构建船舶运动学模型，并结合复杂海面环境构建运动约束条件；根据海上会遇规则遵守判断、碰撞可能性判断、意识并采取避碰手段判断等参数建立评价函数，并结合权重影响避碰责任划分；采用动态最优互惠避碰算法选择理想机动速度代价函数，在期望速度的基础上加入当前速度和当前角度代价，减少速度变化带来的抖振及损耗。
然而，上述专利存在以下缺陷：
1)仅考虑动态障碍物(即船)，未考虑静态障碍物；
2)未考虑河岸、海岸对船舶避碰的影响，使得船舶可以在无限范围内机动避障；
3)将船和障碍物均近似为圆形来计算避碰距离，将导致较大的避碰误差，尤其是在船舶左右舷避障的情况，使得无法适用于内河这种狭窄河道来进行船舶避碰；
4)在进行多障碍物/船避碰时，没有进行危险度排序以及全面评估避碰态势，无法区别应对危险度高的障碍物/船对船舶航行的影响；
5)在寻找最优避碰速度的过程中，未对避碰危险度进行整体优化；
6)在计算避碰危险度时，未对影响船舶避碰危险度的因素进行全面考虑；
7)在极端情况下，无法对船舶进行保护。
目前针对相关技术中存在的未考虑静态障碍物、未考虑河岸/海岸对船舶的避碰范围影响、存在较大的避碰误差、无法应对危险度最高的障碍物/船对船舶航行的影响、未对避碰危险度进行整体优化、计算获得的避碰危险度存在缺陷、缺少极端情况保护措施等问题，尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种船舶自主避障方法、系统、计算机设备及计算机可读存储介质，以解决相关技术中存在的未考虑静态障碍物、未考虑河岸/海岸对船舶的避碰范围影响、存在较大的避碰误差、无法应对危险度最高的障碍物/船对船舶航行的影响、未对避碰危险度进行整体优化、计算获得的避碰危险度存在缺陷、缺少极端情况保护措施等问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
第一方面，本发明提供一种船舶自主避障方法，适用于非开阔水域，包括：
获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息；
在所述避碰监控区域存在障碍物的情况下，判断障碍物威胁度是否大于等于威胁度阈值，其中，所述障碍物包括静态障碍物、动态障碍物；
在所述障碍物威胁度大于等于所述威胁度阈值的情况下，计算分析船舶与所述障碍物的避碰会遇情况；
在各种所述避碰会遇情况下，判断是否存在期望避碰速度；
在存在期望避碰速度的情况下，生成调节指令，以使所述船舶根据所述调节指令调节航速和航向；
在不存在期望避碰速度的情况下，生成保护指令，以使所述船舶停止自动航行。
在其中的一些实施例中，在获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息之前还包括：
判断船舶是否处于安全状态；
在所述船舶处于安全状态的情况下，获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息。
在其中的一些实施例中，判断船舶是否处于安全状态包括：
判断船舶与水域边的最近距离是否大于第一预设距离；
在所述最近距离大于所述第一预设距离的情况下，所述船舶处于所述安全状态。
在其中的一些实施例中，判断船舶是否处于安全状态包括：
判断船舶与水域内的静态障碍物的距离是否大于第二预设距离；
在所述距离大于所述第二预设距离的情况下，所述船舶处于所述安全状态。
在其中的一些实施例中，所述障碍物威胁度的计算方法包括：
获取船舶的第一航行数据和障碍物的第二航行数据，其中，所述第一航行数据和所述第二航行数据均包括航向、航速、位置、尺寸；
根据所述第一航行数据和所述第二航行数据，计算关键参数，其中，所述关键参数包括最佳会遇距离、最近会遇时间、船舶与障碍物之间的间隔距离、船舶的相对方向角、船舶的速度比；
根据所述关键参数，计算隶属度函数；
输入所述隶属度参数至障碍物威胁度计算公式，以获得障碍物威胁度；
其中，障碍物威胁度计算公式为CRI＝a*UDCPA+b*UTCPA+c*UD+d*UB+e*UK，UDCPA为所述最佳会遇距离的隶属度函数，UTCPA为所述最近会遇时间的隶属度函数，UD为所述间隔距离的隶属度函数，UB为所述相对方向角的隶属度函数，UK为所述速度比的隶属度函数，a+b+c+d+e＝1。
在其中的一些实施例中，a＝0.4，b＝0.367，c＝0.167，d＝0.033，e＝0.033。
在其中的一些实施例中，计算隶属度函数包括：
根据如下公式计算UDCPA；
其中，ds是船舶安全通过障碍物的最小距离，dp是船舶和障碍物安全无碰撞通过的距离。
在其中的一些实施例中，计算隶属度函数包括：
根据如下公式计算UTCPA；
其中，t1是障碍物从最晚采取避碰行动的位置到达会遇位置所需的时间，t2是障碍物从当前位置到达最近会遇位置所需的时间。
在其中的一些实施例中，计算隶属度函数包括：
根据如下公式计算UD；
其中，D1为本船的最晚避碰距离，D2为可采取避让措施的距离。
在其中的一些实施例中，计算隶属度函数包括：
根据如下公式计算UB；
在其中的一些实施例中，计算隶属度函数包括：
根据如下公式计算UK；
其中，C0为本船与障碍物直接碰撞的碰撞角。
在其中的一些实施例中，判断是否存在期望避碰速度包括：
将所述障碍物威胁度大于等于所述威胁度阈值的若干所述障碍物按其所述障碍物威胁度由大至小排序；
选取前n个所述障碍物进行期望避碰速度计算，其中，n≤5；
针对所述障碍物，构造与其对应的ORCA避碰速度空间；
根据n个所述障碍物，依次计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的期望避碰速度。
在其中的一些实施例中，根据n个所述障碍物，依次计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的期望避碰速度包括：
根据第一个所述障碍物，计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的第一期望避碰速度；
在存在所述第一期望避碰速度的情况下，对第1个到第n个所述障碍物计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的第n期望避碰速度；
在不存在所述第n期望避碰速度的情况下，将第1个到第n-1个所述障碍物的第n-1期望避碰速度作为所述第n期望避碰速度；
在不存在所述第一期望避碰速度的情况下，则不存在满足所述ORCA避碰速度空间的期望避碰速度。
在其中的一些实施例中，还包括：
在存在所述期望避碰速度的情况下，根据所述船舶的当前时刻的船舶速度，采用代价函数对所述期望避碰速度进行优化，以获得备选避碰速度；
选择代价函数值最小的所述备选期望避碰速度作为下一时刻的避碰速度。
在其中的一些实施例中，采用代价函数对所述期望避碰速度进行优化包括：
根据如下公式进行优化：
d(t)＝δ1*(f1(t))+δ2*(f2(t))+(1-δ1-δ2)*(f3(t))
其中，f1(t)为t时刻备选避碰速度和期望避碰速度间的距离，f2(t)为t时刻与t-1时刻总的障碍物威胁度的差值，f3(t)为t时刻船舶避碰是否符合COLREGs规则，δ1∈(0，1)，δ2∈(0，1)。
第二方面，提供一种船舶自主避障系统，适用于如第一方面所述的船舶自主避障方法，包括：
感知单元，用于获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息；
威胁度计算单元，用于在所述避碰监控区域存在障碍物的情况下，判断障碍物威胁度是否大于等于威胁度阈值，其中，所述障碍物包括静态障碍物、动态障碍物；
会遇判断单元，用于在所述障碍物威胁度大于等于所述威胁度阈值的情况下，计算分析船舶与所述障碍物的避碰会遇情况；
避碰速度计算单元，用于在各种所述避碰会遇情况下，判断是否存在期望避碰速度；
指令单元，用于在存在期望避碰速度的情况下，生成调节指令，以使所述船舶根据所述调节指令调节航速和航向；以及，用于在不存在期望避碰速度的情况下，生成保护指令，以使所述船舶停止自动航行。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上第一方面所述的船舶自主避障方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的船舶自主避障方法。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明的一种船舶自主避障方法、系统、计算机设备及计算机可读存储介质，能对非开阔水域的静态障碍物、动态障碍物进行障碍物威胁度计算，并根据障碍物威胁度依次进行碰撞危险度、避碰会遇情况计算，从而自动生成控制船舶的指令，以使船舶自动规避或自动停止。
附图说明
图1是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(一)；
图2是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(二)；
图3是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(三)；
图4是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(四)；
图5是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(五)；
图6是根据本发明实施例的船舶自主避障系统的框架图；
图7是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的具体实施流程图。
其中的附图标记为：600、船舶自主避障系统；610、感知单元；620、威胁度计算单元；630、会遇判断单元；640、避碰速度计算单元；650、指令单元；660、状态判断单元；670、优化单元。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，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(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
实施例1
本实施例为本发明的一个示意性实施例。
图1是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(一)。如图1所示，一种船舶自主避障方法，适用于非开阔水域，包括：
步骤S102、获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息；
步骤S104、在避碰监控区域存在障碍物的情况下，判断障碍物威胁度是否大于等于威胁度阈值，其中，障碍物包括静态障碍物、动态障碍物；
步骤S106、在障碍物威胁度大于等于威胁度阈值的情况下，计算分析船舶与障碍物的避碰会遇情况；
步骤S108、在各种所述避碰会遇情况下，判断是否存在期望避碰速度；
步骤S110、在存在期望避碰速度的情况下，生成调节指令，以使船舶根据调节指令调节航速和航向；
步骤S112、在不存在期望避碰速度的情况下，生成保护指令，以使船舶停止自动航行。
其中，非开阔水域包括狭窄河道，包括但不限于内河。
其中，步骤S110和步骤S112为并列的步骤。
在步骤S102中，避碰监控区域的障碍物信息是由一系列感知设备的信息融合获取的。这些感知设备包括但不限于X波段雷达、AIS、GPS、IMU、摄像头、激光雷达、毫米波雷达等。通过对这些设备的适当布置，可以组成一个覆盖船舶周围1000米(内河智能船舶规范需求)左右的圆形感知区域，在该感知区域内，通过对多种感知设备的感知信息进行有效融合，可以获取该区域内的动静态障碍物的全部信息(航向、航速、位置、尺寸)。
在步骤S104中，静态障碍物包括静止的船舶；动态障碍物包括航行的船舶。
在步骤S104之后，还包括：
在障碍物威胁度小于威胁度阈值的情况下，船舶维持当前的航速和航向。
在步骤S106之后，还包括：
在碰撞概率小于碰撞概率阈值的情况下，船舶维持当前的航速和航向。
在步骤S110中，在存在期望避碰速度的情况下，通过调节船舶的航速和航向，可以避免船舶与障碍物发生碰撞。
在步骤S112中，在不存在期望避碰速度的情况下，无法通过调节船舶的航速和航向以避免船舶与障碍物发生碰撞，需要船员手动操作以避免船舶与障碍物碰撞。
通过上述步骤，能对非开阔水域的静态障碍物、动态障碍物进行障碍物威胁度计算，并根据障碍物威胁度依次进行碰撞危险度、避碰会遇情况计算，从而自动生成控制船舶的指令，以使船舶自动规避或自动停止。
图2是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(二)。如图2所示，在获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息之前还包括：
步骤S202、判断船舶是否处于安全状态；
步骤S204、在船舶处于安全状态的情况下，获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息。
在其中的一些实施例中，判断船舶是否处于安全状态包括：
步骤S2021a、判断船舶与水域边的最近距离是否大于第一预设距离；
步骤S2022a、在最近距离大于第一预设距离的情况下，船舶处于安全状态。
进一步地，在步骤S2021a之后，还包括：
在最近距离不大于第一预设距离的情况下，船舶处于非安全状态。
具体地，基于船舶的长度、宽度、位置和航向，计算出包括船舶的矩形的四个顶点的位置坐标。
水域边的折线段的端点坐标为已知。
船舶与折线段的最近距离的计算方法可以转化为矩形到水域边的最近距离，进而转化为矩形的四条边与折线段的最近距离，即线段到线段的最短距离。
源于线段到线段的最短距离，具体的计算方法如下：
假设线段1的端点为a、b，线段2的端点为c、d，则有如下两种情况：
1)线段1和线段2相交，则最短距离为0；
2)线段1和线段2不相交，则最短距离为点a到cd的最短距离、点b到cd的最短距离、点c到ab的最短距离、点d到ab的最短距离，即Dmin＝min(Da-cd，Db-cd，Dc-ab，Dd-ab)。
更具体的，线段到线段的最短距离可以转化为平面上点到线段的最短距离，则有如下三种情况：
1)点在线段上，则最短距离为0；
2)过点做线段的垂线，垂足在线段内，垂足和点的连线为最短距离；
3)过点做线段的垂线，垂足在线段外，则距离垂足近的线段端点与点之间的距离为最短距离。
更进一步地，还包括：
获取水域边的若干折线段；
计算若干折线段的端点与船舶之间的距离；
在距离大于第一预设距离的情况下，船舶与该折线段对应的水域边无碰撞风险；
在距离小于第一预设距离的情况下，计算折线段的端点与船舶的矩形的最近距离(计算方法为如前所述的平面上点到线段的距离)；
获取船舶的位置与折线段的端点的距离最小的点，分别计算船舶的矩形到以该点为端点的连续两条折线段的最短距离(计算方法为如前所述的平面上点到线段的距离)；
判断最短距离是否小于第一预设距离；
在最短距离大于第一预设距离的情况下，船舶与水域边无碰撞风险；
在最短距离小于第一预设距离的情况下，船舶与水域边存在碰撞风险。
在其中的一些实施例中，判断船舶是否处于安全状态包括：
步骤S2021b、判断船舶与水域内的静态障碍物的距离是否大于第二预设距离；
步骤S2022b、在距离大于第二预设距离的情况下，船舶处于安全状态。
进一步地，在步骤S2021b之后，还包括：
在距离不大于第二预设距离的情况下，船舶处于非安全状态。
具体地，计算船舶与静态障碍物的距离为：
将静态障碍物转化为可以包络该静态障碍物的圆形；
计算静态障碍物的圆形到船舶的矩形的最小距离(计算方法为如前所述的平面上点到线段的距离)；
在最小距离大于圆形的半径(即第二预设距离)的情况下，船舶与静态障碍物不发生碰撞；
在最小距离小于等于圆形的半径的情况下，船舶与静态障碍物发生碰撞。
通过上述步骤，通过实时评估船舶与水域边(河道边)、静态障碍物(如船舶)之间的距离，以判断船舶是否处于安全航行状态；并通过将船舶简化为矩形、障碍物简化为圆形、水域边简化为折线段来进行计算，从而减少了计算量，增加了安全冗余。
图3是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(三)。如图3所示，障碍物威胁度的计算方法包括：
步骤S302、获取船舶的第一航行数据和障碍物的第二航行数据，其中，第一航行数据和第二航行数据均包括航向、航速、位置、尺寸；
步骤S304、根据第一航行数据和第二航行数据，计算关键参数，其中，关键参数包括最佳会遇距离、最近会遇时间、船舶与障碍物之间的间隔距离、船舶的相对方向角、船舶的速度比；
步骤S306、根据关键参数，计算隶属度函数；
步骤S308、输入隶属度参数至障碍物威胁度计算公式，以获得障碍物威胁度；
其中，障碍物威胁度计算公式为CRI＝a*UDCPA+b*UTCPA+c*UD+d*UB+e*UK，UDCPA为最佳会遇距离的隶属度函数，UTCPA为最近会遇时间的隶属度函数，UD为间隔距离的隶属度函数，UB为相对方向角的隶属度函数，UK为速度比的隶属度函数，a+b+c+d+e＝1。
在步骤S302中，在障碍物为静态障碍物的情况下，障碍物的航向、航速以及位置。
在步骤S306中，计算隶属度函数包括计算最佳会遇距离的隶属度函数UDCPA、最近会遇时间的隶属度函数UTCPA、间隔距离的隶属度函数UD、相对方向角的隶属度函数UB、速度比的隶属度函数UK。
对于UDCPA，根据如下公式计算：
其中，ds是船舶安全通过障碍物的最小距离，dp是船舶和障碍物安全无碰撞通过的距离。
其中，根据如下公式计算ds：
其中，θT为障碍物相对于本船的相对方位角，dp为本船和障碍物安全无碰撞通过的距离。如果DCPA大于该距离，表示本船和障碍物/船可以安全通过，通常计算中选取dp＝2ds。DCPA越小意味着障碍物对船舶航行越危险。
对于UTCPA，根据如下公式计算：
其中，t1是障碍物从最晚采取避碰行动的位置到达会遇位置所需的时间，t2是障碍物从当前位置到达最近会遇位置所需的时间。TCPA的数值越小意味着障碍物对船舶航行越危险。
其中，根据如下公式计算t1和t2：
其中，VR为船舶相对于障碍物的相对速度；D1为船舶的最晚避碰距离，通常设为3倍船长；D2为可采取避让措施的距离。
其中，根据如下公式计算D2：
对于UD，根据如下公式计算：
其中，D1为本船的最晚避碰距离，D2为可采取避让措施的距离。
其中，根据如下公式计算UB；
其中，根据如下公式计算UK；
其中，C0为本船与障碍物直接碰撞的碰撞角。
在步骤S308中，a＝0.4，b＝0.367，c＝0.167，d＝0.033，e＝0.033。
通过上述步骤，对每一障碍物均进行障碍物威胁度计算，便于后续步骤进行处理使用；根据障碍物威胁度对障碍物进行筛选，可以大大减少后续处理数据量，提高处理效率。
图4是根据本发明实施例的船舶自主避障系统的流程图(四)。如图4所示，判断是否存在期望避碰速度包括：
步骤S402、将障碍物威胁度大于等于威胁度阈值的若干障碍物按其障碍物威胁度由大至小排序；
步骤S404、选取前n个障碍物进行期望避碰速度计算，其中，n≤5；
步骤S406、针对障碍物，构造与其对应的ORCA避碰速度空间；
步骤S408、根据n个障碍物，依次计算是否存在满足ORCA避碰速度空间的期望避碰速度。
在步骤S402中，威胁度阈值为0.5～0.6。
在步骤S404中，n≤5。
在步骤S406中，根据障碍物，构造与其对应的ORCA避碰速度空间的方法为现有技术，在此不再赘述。
进一步地，步骤S408包括：
步骤S4081、根据第一个障碍物，计算是否存在满足ORCA避碰速度空间的第一期望避碰速度；
步骤S4082、在存在第一期望避碰速度的情况下，对第1个到第n个障碍物计算是否存在满足ORCA避碰速度空间的第n期望避碰速度；
步骤S4083、在不存在第n期望避碰速度的情况下，将第1个到第n-1个障碍物的第n-1期望避碰速度作为所述第n期望避碰速度；
步骤S4084、在不存在第一期望避碰速度的情况下，则不存在满足ORCA避碰速度空间的期望避碰速度。
其中，步骤S4084和步骤S4082为并列的步骤。
具体地，以n＝5为例进行说明。
对于第一个障碍物，判断是否存在满足ORCA避碰速度空间的第一期望避碰速度，若存在第一期望避碰速度，则进入后续障碍物的期望避碰速度计算；若不存在第一期望避碰速度，则停止后续步骤；
对于第二个障碍物，判断是否存在满足ORCA避碰速度空间的第二期望避碰速度，若存在第二期望避碰速度，则进入后续障碍物的期望避碰速度计算；若不存在第二期望避碰速度，则将第一期望避碰速度作为第二个障碍物的第二期望避碰速度；
对于第三个障碍物，判断是否存在满足ORCA避碰速度空间的第三期望避碰速度，若存在第三期望避碰速度，则进入后续障碍物的期望避碰速度计算；若不存在第三期望避碰速度，则将第二期望避碰速度作为第三个障碍物的第三期望避碰速度；
对于第四个障碍物，判断是否存在满足ORCA避碰速度空间的第四期望避碰速度，若存在第四期望避碰速度，则进入后续障碍物的期望避碰速度计算；若不存在第四期望避碰速度，则将第三期望避碰速度作为第四个障碍物的第四期望避碰速度；
对于第五个障碍物，判断是否存在满足ORCA避碰速度空间的第五期望避碰速度，若存在第五期望避碰速度，则进入后续处理步骤；若不存在第五期望避碰速度，则将第四期望避碰速度作为第五个障碍物的第五期望避碰速度。
然后生成包含第一期望避碰速度、第二期望避碰速度、第三期望避碰速度、第四期望避碰速度和第五期望避碰速度的调节指令，控制船舶依照该调解指令进行下一时刻障碍物的避碰机动。
图5是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的流程图(五)。如图5所示，还包括：
步骤S502、在存在期望避碰速度的情况下，根据船舶的当前时刻的船舶速度，采用代价函数对期望避碰速度进行优化，以获得备选避碰速度；
步骤S504、选择代价函数值最小的备选期望避碰速度作为下一时刻的避碰速度。
在步骤S502中，采用代价函数对期望避碰速度进行优化包括：
根据如下公式进行优化：
d(t)＝δ1*(f1(t))+δ2*(f2(t))+(1-δ1-δ2)*(f3(t))
其中，f1(t)为t时刻备选避碰速度和期望避碰速度间的距离，f2(t)为t时刻与t-1时刻总的障碍物威胁度的差值，f3(t)为t时刻船舶避碰是否符合COLREGs规则，δ1∈(0，1)，
δ2∈(0，1)。
其中，根据如下公式计算f1(t)：
f1(t)＝||v(t)-Vpref(t)||
其中，Vpref(t)为采用ORCA计算的t时刻的期望避碰速度。引入该项代价的目的是使得最佳避碰速度向最接近期望避碰速度的方向寻优。
其中，根据如下公式计算f2(t)：
f2(t)＝∑CRI(t)-∑CRI(t-1)
其中，CRI(t)为t时刻的单一障碍物的碰撞危险系数。引入该项代价的目的是使得最佳避碰速度向总碰撞危险度减少的方向寻优。
其中，根据如下公式计算f3(t)：
f3(t)＝n*C
其中，C为一个大整数(代价函数的惩罚)。n≤5为t时刻的备选避碰速度不符合障碍物COLREGs规则的数目。
其中，避碰速度是否符合COLREGs规则的判别准则如下公式所示：
v(t)∈{vo5(t)|[(PTS(f)-POS)×(vOS(t)-vTS(t))]|z＞0}
具体地，建立以船舶OS的随船直角坐标系，以OS质心为坐标原点，X轴正向为当前速度方向，Y轴正向为右舷方向，Z轴正向为垂直指向下方。当速度v(t)在上述空间时，船舶将进行右侧避让。引入该项代价的目的是使得最佳避碰速度向符合COLREGs规则的方向寻优。
图6是根据本发明实施例的船舶自主避障系统的框架图。如图6所示，一种船舶自主避障系统600，包括感知单元610、威胁度计算单元620、会遇判断单元630、避碰速度计算单元640和指令单元650。其中，感知单元610用于获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息；威胁度计算单元620用于在避碰监控区域存在障碍物的情况下，判断障碍物威胁度是否大于等于威胁度阈值，其中，障碍物包括静态障碍物、动态障碍物；会遇判断单元630用于在障碍物威胁度大于等于威胁度阈值的情况下，计算船舶与障碍物的会遇情况；避碰速度计算单元640用于在碰撞概率大于等于碰撞概率阈值的各种会遇情况下，判断是否存在期望避碰速度；指令单元650用于在存在期望避碰速度的情况下，生成调节指令，以使船舶根据调节指令调节航速和航向；以及，用于在不存在期望避碰速度的情况下，生成保护指令，以使船舶停止自动航行。
进一步地，船舶自主避障系统600还包括状态判断单元660。其中，状态判断单元660用于判断船舶是否处于安全状态。此外，感知单元610还用于在船舶处于安全状态的情况下，获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息
进一步地，船舶自主避障系统600还包括优化单元670。其中，优化单元670用于在存在期望避碰速度的情况下，根据船舶的当前时刻的船舶速度，采用代价函数对期望避碰速度进行优化，以获得备选避碰速度；以及用于选择代价函数值最小的备选期望避碰速度作为下一时刻的避碰速度。
另外，本申请实施例的船舶自主避障方法可以由计算机设备来实现。计算机设备的组件可以包括但不限于处理器以及存储有计算机程序指令的存储器。
在一些实施例中，处理器可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
在一些实施例中，存储器可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(Solid State Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(UniversalSerial Bus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(Electrically Alterable Read-OnlyMemory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(Extended Date Out Dynamic RandomAccess Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。
存储器可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器所执行的可能的计算机程序指令。
处理器通过读取并执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种二维码准入方法。
在其中一些实施例中，计算机设备还可包括通信接口和总线。其中，处理器、存储器、通信接口通过总线连接并完成相互间的通信。
通信接口用于实现本申请实施例中各单元、装置、单元和/或设备之间的通信。通信接口还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。
总线包括硬件、软件或两者，将计算机设备的部件彼此耦接在一起。总线包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(ControlBus)、扩展总线(ExpansionBus)、局部总线(LocalBus)。举例来说而非限制，总线可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(FrontSide Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro ChannelArchitecture，简称为MCA)总线、外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(Serial AdvancedTechnology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(Video ElectronicsStandards Association Local Bus，简称为VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
该计算机设备可以执行本申请实施例中的船舶自主避障方法。
另外，结合上述实施例中的船舶自主避障方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种船舶自主避障方法。
实施例2
本实施例为本发明的一个具体实施方式。
图7是根据本发明实施例的船舶自主避障方法的具体实施流程图。如图7所示，船舶自主避障方法包括：
步骤S702、在船舶处于航路跟随状态的情况下，判断船舶是否处于航行安全区；
步骤S704A、在船舶未处于航行安全区的情况下，船舶进入航行保护状态；
步骤S704B、在船舶处于航行安全区的情况下，判断是否有障碍物进入避碰监控区域；
步骤S706、在有障碍物进入避碰监控区域的情况下，计算障碍物威胁度；
步骤S708、根据障碍物威胁度，判断障碍物是否为威胁障碍物；
步骤S710A、在障碍物不是威胁障碍物的情况下，船舶保持航路跟随状态；
步骤S710B、在障碍物是威胁障碍物的情况下，计算会遇情况；
步骤S712、根据会遇情况，判断是否保向保速；
步骤S714A、在保向保速的情况下，船舶保持航路跟随状态；
步骤S714B、在不保向保速的情况下，获取河道障碍物信息，并调整航向航速；
步骤S716、在调整航向航速的情况下，判断是否能有效避碰；
步骤S718A、在不能有效避碰的情况下，船舶进入航行保护状态；
步骤S718B、在能有效避碰的情况下，重复步骤S706A。
在本发明中，船舶用矩形形成包络范围，静态障碍物用圆形形成包络范围，动态障碍物(即船舶)用矩形形成包络范围。即船舶统一用矩形形成包络范围。
其中，在步骤S702中，判断船舶是否处于航行安全区的方法如下：
1)判断船舶与河道边的可航行区的折线段的最近距离是否小于预设距离：是，启动保护(即停船)；否，继续正常航行；
2)判断船舶与最近的静态障碍物的距离是否小于预设最小值：是，启动保护(即停船)并告警；否，继续正常航行。
具体地，步骤S702同步骤S202相同。
其中，在步骤S706中，障碍物威胁度的计算方法同步骤S302～步骤S308相同。
其中，在步骤S708中，判断障碍物是否为威胁障碍物的方法为：
判断障碍物威胁度是否大于威胁度阈值；
在障碍物威胁度大于等于威胁度阈值的情况下，障碍物为威胁障碍物；
在障碍物威胁度小于威胁度阈值的情况下，障碍物为非威胁障碍物。
其中，在步骤S710B中，包括：
对全部威胁障碍物按照障碍物威胁度从大至小排序，并选取前5个威胁障碍物计算会遇情况。
其中，步骤S712同步骤S106相同。
其中，在步骤S714B～步骤S716中，具体步骤如下：
对全部的需避碰的威胁障碍物，按障碍物威胁度从大到小循环：
1)对第一个障碍物：判断会遇情况并构造的ORCA避碰速度空间，选取备选的期望避碰速度Vpref；
2)同时对于下一个障碍物：若不存在满足ORCA限制条件的备选的期望避碰速度，则采用前一循环的期望避碰速度Vpref作为船舶下一时刻的期望避碰速度(意味着无法找到满足全部障碍船避碰的速度，但是可以避碰障碍物威胁度高的威胁障碍物)；若无法找到期望避碰速度Vpref，启动保护功能(即停船)。
对于上述步骤，其与步骤S402～步骤S408相同。
对于期望避碰速度Vpref，采用代价函数对备选的期望避碰速度进行优化，选择代价函数最小的备选的期望避碰速度作为下一时刻的避碰速度。
对于上述步骤，其余步骤S502～步骤S504相同。
本发明的优点如下：
1)增加了障碍物威胁度评估和筛选的步骤，对于障碍物威胁度低于威胁度阈值的障碍物不做避碰处理；
2)增加了计算船舶与静态障碍物之间的距离的步骤；此外，在进行会遇情况评估时，也增加了针对静态障碍物/船的情况，该情况下船舶的避碰责任为1，即完全由本船舶进行避碰机动；
3)增加了计算船舶与河岸距离的环境，保证船舶在可航行范围内进行机动避障；
4)将船舶的几何模型简化为矩形以计算相对距离，更加适应狭窄河道的避碰需求；
5)在极端情况下(即无法对障碍物进行避碰的情况下)，启动保护功能，以使船舶保持当前航向并迅速减速，同时向船员报警，以提示船员手动接管船舶操作，避免船舶与障碍物发生碰撞。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种船舶自主避障方法，适用于非开阔水域，其特征在于，包括：
判断船舶是否处于安全状态；
在所述船舶处于安全状态的情况下，获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息；
在所述避碰监控区域存在障碍物的情况下，判断障碍物威胁度是否大于等于威胁度阈值，其中，所述障碍物包括静态障碍物、动态障碍物，其中，所述威胁度阈值为0.5～0.6；
在所述障碍物威胁度大于等于所述威胁度阈值的情况下，计算分析船舶与所述障碍物的避碰会遇情况；
在各种所述避碰会遇情况下，判断是否存在期望避碰速度；
在存在期望避碰速度的情况下，生成调节指令，以使所述船舶根据所述调节指令调节航速和航向；
在不存在期望避碰速度的情况下，生成保护指令，以使所述船舶停止自动航行；
其中，判断船舶是否处于安全状态包括：
判断船舶与水域边的最近距离是否大于第一预设距离；
在所述最近距离大于所述第一预设距离的情况下，所述船舶处于所述安全状态；和/或
判断船舶与水域内的静态障碍物的距离是否大于第二预设距离；
在所述距离大于所述第二预设距离的情况下，所述船舶处于所述安全状态；
其中，计算船舶与水域边的最近距离包括：
获取水域边的若干折线段；
计算若干折线段的端点与船舶之间的距离；
在距离大于第一预设距离的情况下，船舶与该折线段对应的水域边无碰撞风险；
在距离小于第一预设距离的情况下，计算折线段的端点与船舶的矩形的最近距离；
获取船舶的位置与折线段的端点的距离最小的点，分别计算船舶的矩形到以该点为端点的连续两条折线段的最短距离；
判断最短距离是否小于第一预设距离；
在最短距离大于第一预设距离的情况下，船舶与水域边无碰撞风险；
在最短距离小于第一预设距离的情况下，船舶与水域边存在碰撞风险；
其中，计算船舶与水域内的静态障碍物的距离包括：
将静态障碍物转化为可以包络该静态障碍物的圆形；
计算静态障碍物的圆形到船舶的矩形的最小距离；
在最小距离大于圆形的半径的情况下，船舶与静态障碍物不发生碰撞；
在最小距离小于等于圆形的半径的情况下，船舶与静态障碍物发生碰撞；
其中，判断是否存在期望避碰速度包括：
将所述障碍物威胁度大于等于所述威胁度阈值的若干所述障碍物按其所述障碍物威胁度由大至小排序；
选取前n个所述障碍物进行期望避碰速度计算，其中，n≤5；
针对所述障碍物，构造与其对应的ORCA避碰速度空间；
根据n个所述障碍物，依次计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的期望避碰速度；
其中，根据n个所述障碍物，依次计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的期望避碰速度包括：
根据第一个所述障碍物，计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的第一期望避碰速度；
在存在所述第一期望避碰速度的情况下，对第1个到第n个所述障碍物计算是否存在满足所述ORCA避碰速度空间的第n期望避碰速度；
在不存在所述第n期望避碰速度的情况下，将第1个到第n-1个所述障碍物的第n-1期望避碰速度作为所述第n期望避碰速度；
在不存在所述第一期望避碰速度的情况下，则不存在满足所述ORCA避碰速度空间的期望避碰速度。
2.根据权利要求1所述的船舶自主避障方法，其特征在于，所述障碍物威胁度的计算方法包括：
获取船舶的第一航行数据和障碍物的第二航行数据，其中，所述第一航行数据和所述第二航行数据均包括航向、航速、位置、尺寸；
根据所述第一航行数据和所述第二航行数据，计算关键参数，其中，所述关键参数包括最佳会遇距离、最近会遇时间、船舶与障碍物之间的间隔距离、船舶的相对方向角、船舶的速度比；
根据所述关键参数，计算隶属度函数；
输入所述隶属度函数至障碍物威胁度计算公式，以获得障碍物威胁度；
其中，障碍物威胁度计算公式为CRI＝a*UDCPA+b*UTCPA+c*UD+d*UB+e*UK，UDCPA为所述最佳会遇距离的隶属度函数，UTCPA为所述最近会遇时间的隶属度函数，UD为所述间隔距离的隶属度函数，UB为所述相对方向角的隶属度函数，UK为所述速度比的隶属度函数，a+b+c+d+e＝1；
其中，a＝0.4，b＝0.367，c＝0.167，d＝0.033，e＝0.033。
3.根据权利要求2所述的船舶自主避障方法，其特征在于，计算隶属度函数包括：
根据如下公式计算UDCPA；
其中，ds是船舶安全通过障碍物的最小距离，dp是船舶和障碍物安全无碰撞通过的距离；和/或
根据如下公式计算UTCPA；
其中，t1是障碍物从最晚采取避碰行动的位置到达会遇位置所需的时间，t2是障碍物从当前位置到达最近会遇位置所需的时间；和/或
根据如下公式计算UD；
其中，D1为本船的最晚避碰距离，D2为可采取避让措施的距离；和/或
根据如下公式计算UB；
；
和/或
根据如下公式计算UK；
其中，C0为本船与障碍物直接碰撞的碰撞角。
4.根据权利要求1所述的船舶自主避障方法，其特征在于，还包括：
在存在所述期望避碰速度的情况下，根据所述船舶的当前时刻的船舶速度，采用代价函数对所述期望避碰速度进行优化，以获得备选避碰速度；
选择代价函数值最小的所述备选避碰速度作为下一时刻的避碰速度。
5.根据权利要求4所述的船舶自主避障方法，其特征在于，采用代价函数对所述期望避碰速度进行优化包括：
根据如下公式进行优化：
d(t)＝δ1*(f1(t))+δ2*(f2(t))+(1-δ1-δ2)*(f3(t))
其中，f1(t)为t时刻备选避碰速度和期望避碰速度间的距离，f2(t)为t时刻与t-1时刻总的障碍物威胁度的差值，f3(t)为t时刻船舶避碰是否符合COLREGs规则，δ1∈(0，1)，δ2∈(0，1)；
其中，根据如下公式计算：
f1(t)＝||v(t)-Vpref(t)||
其中，Vpref(t)为采用ORCA计算的t时刻的期望避碰速度；和/或
根据如下公式计算f2(t)：
f2(t)＝∑CRI(t)-∑CRI(t-1)
其中，CRI(t)为t时刻的单一障碍物的碰撞危险系数；和/或
根据如下公式计算f3(t)：
f3(t)＝n*C
其中，C为代价函数的惩罚，n≤5为t时刻的备选避碰速度不符合障碍物COLREGs规则的数目。
6.一种船舶自主避碰系统，用于执行如权利要求1～5任一所述的船舶自主避障方法，其特征在于，包括：
感知单元，用于获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息；
威胁度计算单元，用于在所述避碰监控区域存在障碍物的情况下，判断障碍物威胁度是否大于等于威胁度阈值，其中，所述障碍物包括静态障碍物、动态障碍物；
会遇判断单元，用于在所述障碍物威胁度大于等于所述威胁度阈值的情况下，计算分析船舶与所述障碍物的避碰会遇情况；
避碰速度计算单元，用于在各种所述避碰会遇情况下，判断是否存在期望避碰速度；
指令单元，用于在存在期望避碰速度的情况下，生成调节指令，以使所述船舶根据所述调节指令调节航速和航向；以及，用于在不存在期望避碰速度的情况下，生成保护指令，以使所述船舶停止自动航行；
状态判断单元，用于判断船舶是否处于安全状态；
其中，所述感知单元还用于在船舶处于安全状态的情况下，获取位于避碰监控区域的全部障碍物信息。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～5任一所述的船舶自主避障方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任一所述的船舶自主避障方法。
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