CN116610125B - 一种用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法及系统，方法包括在障碍船为威胁障碍船的情况下，获取第一避碰会遇情况；根据第一避碰会遇情况，计算本船舶相对于威胁障碍船的第一避碰转向；判断第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突；在存在冲突的情况下，判断能否进行自动冲突处理；在无法进行自动冲突处理且持续冲突次数达到预设次数阈值的情况下，生成保护指令；在进行自动冲突处理或容忍冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。其优点在于，为智能船舶装备主动防撞系统，使得本船舶与协同障碍船进行自主的避碰决策协同处理，解决了多障碍船情况下易出现的避碰冲突、无法有效避碰等问题。

Description

一种用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法及系统

技术领域

本发明涉及船舶避障技术领域，尤其涉及一种用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法、避碰系统及智能船舶主动防撞系统。

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。

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。

然而，现有的智能船舶避障一般仅是单船行为，即本船对障碍船进行单边避让，没有进行船舶之间的避碰协同，容易出现避碰冲突甚至无法有效避障。此外，对于存在多个障碍船的情况下，容易出现避碰转向决策冲突，没有有效的冲突处理机制。

目前针对相关技术中存在的船舶之间无避碰协同、无多船避碰决策冲突处理机制等问题，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，提供一种用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法、避碰系统及智能船舶主动防撞系统，以解决相关技术中存在的船舶之间无避碰协同、无多船避碰决策冲突处理机制等问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种应用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法，包括：

在障碍船为威胁障碍船的情况下，获取第一避碰会遇情况，其中，所述第一避碰会遇情况为本船舶计算评估的本船舶与所述威胁障碍船的会遇情况；

根据所述第一避碰会遇情况，计算本船舶相对于所述威胁障碍船的第一避碰转向，其中，所述第一避碰转向为本船舶计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

判断所述第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突，其中，所述第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

在所述第一避碰转向与所述第二避碰转向存在冲突的情况下，判断能否进行自动冲突处理；

在无法进行自动冲突处理且持续冲突次数达到预设次数阈值的情况下，生成保护指令；

在能够进行自动冲突处理或能够容忍冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

在其中的一些实施例中，在判断所述第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突之后，还包括：

在所述第一避碰转向与所述第二避碰转向不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

在其中的一些实施例中，还包括：

在障碍船为威胁障碍船的情况下，向所述威胁障碍船发送问询信息；

在获取应答信息的情况下，将所述威胁障碍船分类为协同障碍船，其中，所述应答信息与所述问询信息相对应；

在未获取应答信息的情况下，将所述威胁障碍船分类为非协同障碍船。

在其中的一些实施例中，还包括：

在所述威胁障碍船为协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与所述协同障碍船的第三避碰转向。

在其中的一些实施例中，还包括：

在所述威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与所述非协同障碍船的第四避碰转向。

在其中的一些实施例中，还包括：

在威胁障碍船为若干个、且若干所述威胁障碍船均为协同障碍船的情况下，判断若干所述第三避碰转向是否存在冲突；

在若干所述第三避碰转向存在冲突的情况下，获取第一冲突数量，将若干所述协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；

计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的所述协同障碍船的第五避碰转向；

判断所述第一冲突数量是否达到预设阈值；

在所述第一冲突数量达到所述预设阈值的情况下，生成保护指令；

在所述第一冲突数量未达到所述预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第五避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

在其中的一些实施例中，在若干所述第三避碰转向均不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

在其中的一些实施例中，还包括；

在威胁障碍船为若干个、且部分所述威胁障碍船为协同障碍船、部分所述威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，判断若干所述第四避碰转向是否存在冲突；

在若干所述第四避碰转向存在冲突的情况下，获取第二冲突数量，将若干所述非协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；

计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的所述非协同障碍船的第六避碰转向；

判断所述第二冲突数量是否达到预设阈值；

在所述第二冲突数量达到所述预设阈值的情况下，生成保护指令；

在所述第二冲突数量未达到所述预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第六避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

在其中的一些实施例中，在判断若干所述第四避碰转向是否存在冲突之后，还包括：

在若干所述第四避碰转向均不存在冲突的情况下，判断所述协同障碍船与所述非协同障碍船是否存在冲突；

在至少一所述协同障碍船与至少一所述非协同障碍船存在冲突的情况下，获取第三冲突数量，计算本船舶相对于非协同障碍船的第七避碰方向；

判断所述第三冲突数量是否达到预设阈值；

在所述第三冲突数量达到所述预设阈值的情况下，生成保护指令；

在所述第三冲突数量未达到所述预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第七避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

第二方面，提供一种应用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法，包括：

获取问询信息，其中，所述问询信息由协同船发送，所述问询信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸；

根据所述问询信息判断所述协同船是否为威胁障碍船；

在所述协同船不是威胁障碍船的情况下，向所述协同船发送第一应答信息，其中，所述第一应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸；

在所述协同船为威胁障碍船的情况下，生成第一避碰转向和第二避碰转向，其中，所述第一避碰转向为本船舶计算评估的本船舶相对于所述威胁障碍船的避碰转向，所述第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

判断所述第一避碰转向与所述第二避碰转向是否存在冲突；

在不存在冲突的情况下，向所述协同船发送第二应答信息，其中，所述第二应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸、无冲突标志；

在存在冲突的情况下，向所述协同船发送第三应答信息，其中，所述第三应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸、有冲突标志、避碰建议RA。

第三方面，提供一种用于智能船舶的避碰系统，包括：

避碰会遇计算单元，用于在障碍船为威胁障碍船的情况下，获取第一避碰会遇情况，其中，所述第一避碰会遇情况为本船舶计算评估的本船舶与所述威胁障碍船的会遇情况；

避碰转向计算单元，用于根据所述第一避碰会遇情况，计算本船舶相对于所述威胁障碍船的第一避碰转向，其中，所述第一避碰转向为本船舶计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

冲突判断单元，用于判断所述第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突，其中，所述第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

处理单元，用于在所述第一避碰转向与所述第二避碰转向存在冲突的情况下，判断能否进行自动冲突处理；在无法进行自动冲突处理且持续冲突次数达到预设冲突次数阈值的情况下，生成保护指令；以及在能够进行自动冲突处理或能够容忍冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

第四方面，提供一种智能船舶主动防撞系统，包括：

感知装置，用于获取本船舶的周围环境信息；

应答装置，用于发送问询信息至其他船舶以及接收其他船舶发送的应答信息；

控制装置，所述控制装置分别与所述感知装置、所述应答装置连接，用于根据所述周围环境信息生成问询信息、根据所述周围环境信息和所述应答信息生成第一避碰转向、第二避碰转向以及根据所述第一避碰转向和所述第二避碰转向的冲突处理结果生成保护指令或自主航行避碰指令。

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：

本发明的一种用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法、避碰系统及智能船舶主动防撞系统，通过为智能船舶装备主动防撞系统，使得本船舶能与协同障碍船进行自主的避碰决策协同处理，解决了多障碍船情况下易出现的避碰冲突、无法有效避碰等问题。

附图说明

图1是根据本发明实施例的智能船舶主动防撞系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（一）；

图3是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（二）；

图4是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（三）；

图5是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（四）；

图6是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（五）；

图7是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（六）；

图8是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（七）；

图9是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（八）；

图10是根据本发明实施例的避碰系统的框架图；

图11是根据本发明实施例的智能船舶主动防撞系统的一个具体实施方式的示意图；

图12是根据本发明实施例的问询应答流程图；

图13是根据本发明实施例的避碰建议的示意图；

图14是根据本发明实施例的避碰方法的具体实施流程图（一）；

图15是根据本发明实施例的避碰方法的具体实施流程图（二）；

图16是根据本发明实施例的避碰方法的具体实施流程图（三）；

图17是根据本发明实施例的避碰方法的具体实施流程图（四）。

其中的附图标记为：100、智能船舶主动防撞系统；110、感知装置；120、应答装置；130、控制装置；

1000、避碰系统；1010、避碰会遇计算单元；1020、避碰转向计算单元；1030、冲突判断单元；1040、处理单元；1050、问询应答单元；1060、分类单元；1070、避碰转向获取单元；1080、威胁度单元。

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

本实施例涉及本发明的智能船舶主动防撞系统。

本发明的一个示意性实施例。如图1所示，一种智能船舶主动防撞系统100，包括感知装置110、应答装置120和控制装置130。其中，感知装置110用于获取本船舶的周围环境信息；应答装置120用于发送问询信息至其他船舶以及接收其他船舶发送的应答信息；控制装置130分别与感知装置110、应答装置120连接，用于根据周围环境信息生成问询信息、根据周围环境信息和应答信息生成第一避碰转向和第二避碰转向以及根据第一避碰转向和第二避碰转向的冲突处理结构生成保护指令或自主航行避碰指令。

感知装置110安装于船舶的相应位置，用于获取本船舶周围的图像信息、物体信息、距离信息等。

一般地，感知装置110包括但不限于光学传感器、激光雷达、毫米波雷达、X波段雷达和船舶自动识别系统（Automatic Identification System，AIS）。

应答装置120安装于船舶的相应位置，用于向外发射广播信号以及接收其他船舶传输的广播信号。

一般地，应答装置120包括专用VHF电台和防撞应答机。

控制装置130安装于船舶的相应位置，并分别与感知装置110、应答装置120通过通用总线连接。

一般地，控制装置130包括但不限于计算机、服务器等具备数据处理功能的设备。

以本船舶和障碍船均安装智能船舶主动防撞系统100进行协同避碰决策为例进行说明。

在本船舶和障碍船驶入到一定范围内的情况下，本船舶和障碍船均启动各自的防撞应答机进行周期性交互，实时沟通双方的位置和航行意图，同时互相推荐和协调避障决策，从而使得两船能在协同一致的情况下完成避障并继续自主航行。

防撞应答机一般仅在障碍船接近本船舶的情况下工作，且防撞应答机一般会以较高的频率进行本船舶与障碍船之间的协同通讯以满足本船舶与障碍船之间的实时协同避碰的需求。

一般地，防撞应答机应具备同时自主的问询和响应不少于5艘障碍船的通讯和实时计算处理能力，从而满足多船协同避碰需求。

在进行协同避障决策时，控制装置130一般会调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向。

以下对本发明涉及的基本避碰算法进行详细描述。

一个人工操船进行船舶避障的典型场景如下：当本船OS与障碍船TS逐渐驶近时（对遇交会），OS船船员发现了与TS船有碰撞危险，叫右舵，OS船向右转向。同时TS船船员发现了与OS船存在碰撞风险，也叫右舵，TS船也右转。经过一段时间后，OS船和TS船分别从对方右侧驶过，让清后再各自驶回原航路继续行驶。

在上述的船舶驾驶过程中，船员的避碰操作主要是控制了船舶的航向（左右转）和航速（加减速）。本发明的基本避碰算法也将模拟上述船员的操作，通过合理控制船舶下一计算时刻的航向和航速组合来实现动态避障的功能。

在本发明中，与上述人工操船场景类似，自主船避碰问题可以转化为如下的寻优问题：在自主避碰场景中自主船OS通过对监控区域内的障碍物/船进行碰撞威胁度评估，若发现该障碍物/船具有威胁，并且威胁度大于设定的安全阈值，此时需要及时采取避碰措施。进一步分析与其构成的会遇局面以及障碍物/船可能采取的避碰行为，并根据COLREGs规则在满足自身动力学约束的条件下进行合理有效的威胁规避（寻找下一时刻最佳的避碰速度，使得碰撞威胁度逐渐减小）。

COLREGs规则是于1972年由国际海事组织制定的海上交通规则，一共包括五个部分。其中第二部分是关于避碰行为约束的部分，所有船舶在任何能见度情况下均需遵守。该部分规定了几种常见的典型会遇局面（追越，对遇，左右交叉），并为各个会遇局面制定了相关避碰原则。

COLREGs规则主要根据相对方位角B来区分和定义各个会遇局面。以OS质心为原点建立直角坐标系，当TS的相对方位角位于A区域，即时，且TS与OS的速度方向夹角大于90°时，定义TS与OS构成对遇会遇局面；当TS与OS的速度方向夹角小于90°且OS速度的绝对值大于TS的速度绝对值时，定义TS与OS构成对遇会遇局面，且为OS追越TS。当TS的相对方位角位于B区域，即时，定义TS与OS构成右舷交叉会遇局面；当TS的相对方位角位于D区域，即时，定义TS与OS构成左舷交叉会遇局面。

对于海上（内河）航行船舶而言，当检测到碰撞威胁时，按照COLREGs规则相关规定，会遇双方的避让责任并不一致。即可能在某些会遇情况下，某一方若为被让路船舶，则其应保持当前航向航速不变，而会遇另一方应该承担威胁规避的全部责任，例如右侧交叉会遇局面。因此本发明的基本避碰算法在处理规避问题的时受到限制。当船舶为让行船，进行右侧避让时，寻优采样的可选航向角度范围就相应被限制在0-90°内。若本船为权利船，对航向角度的采样范围则与原始算法一致。

此外，由于船舶自身机动能力的限制，其离散时间段内船舶机动能达到的速度和舵角的范围可以采用下式定义：

其中，为t时刻的船舶速度，/>为本船的最大加速度，/>为本船的最大角加速度可以通过船舶实验测量。/>和/>为船舶航速的上下界，/>为舵角的变化范围。船舶的机动能力主要是限制寻优中真实的船舶速度的可选的采样范围。

引入时刻避碰速度优化的代价函数/>，如下所示：

其中，为优化因素的权重。代价函数的第一项代表/>时刻与/>时刻最危险障碍物的危险指数的变化，有表达式如下：

其中，为/>时刻最危险障碍物/船的危险度指数。引入该项代价的目的是使得最佳避碰速度向最危险障碍物/船的危险度降低的方向寻优。代价函数的第二项代表/>时刻与/>时刻总的障碍物危险度的差值，有表达式如下：

其中，为/>时刻单一障碍物的碰撞危险系数。算法限制每时刻最多计算5个威胁最大的障碍物，引入该项代价的目的是使得最佳避碰速度向障碍船总碰撞危险度减少的方向寻优。在船舶可选的机动范围内（考虑船舶机动和COLREGs规则限制）随机采样可选的航速和航向组合作为最终避碰速度/>的备选，满足/>最小/>就是t时刻最终的。

多船避碰的情况可以转化为两两会遇避碰的情况来处理。将监控区域内的障碍船按照其碰撞危险度CRI由大到小排列。第一步迭代先根据危险度最大的障碍物情况确定本船的避碰转向和避碰速度的大小。将危险度第二大的障碍物加入循环，若危险度第一高和第二高的两个障碍物所需的避碰转向不一致，则采用前面循环求取的避碰速度作为本船下一时刻最终的避碰速度（优先躲避最危险障碍物）。若其避碰转向一致，则按前述的寻优算法更新避碰速度的大小。依次循环，直至全部的障碍物被处理过或者出现了避碰转向不一致，即结束循环输出。

实施例2

本实施例涉及本发明的应用于实施例1所述的智能船舶主动防撞系统的避碰方法。

图2是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（一）。如图2所示，一种应用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法，包括：

步骤S202、在障碍船为威胁障碍船的情况下，获取第一避碰会遇情况，其中，第一避碰会遇情况为本船舶计算评估的本船舶与威胁障碍船的会遇情况；

步骤S204、根据第一避碰会遇情况，计算本船舶相对于威胁障碍船的第一避碰转向，其中，第一避碰转向为本船舶计算评估的相对于威胁障碍船的避碰转向；

步骤S206、判断第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突，其中，第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于威胁障碍船的避碰转向；

步骤S208、在第一避碰转向与第二避碰转向存在冲突的情况下，判断能否进行自动冲突处理；

步骤S210、在无法进行自动冲突处理且持续冲突次数达到预设次数阈值的情况下，生成保护指令；

步骤S212、在能够进行自动冲突处理或能够容忍冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

其中，步骤S210和步骤S212为并列的步骤。

在步骤S202中，判断障碍船是否为威胁障碍船的方法包括：

获取位于避碰监控区域的全部障碍船信息；

在避碰监控区域存在障碍船的情况下，判断障碍船的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，障碍船为威胁障碍船；

在障碍物威胁度小于威胁度阈值的情况下，障碍船为非威胁障碍船。

其中，障碍船包括静态障碍船、动态障碍船。

其中，避碰监控区域的障碍船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、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（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船的全部信息（航向、航速、位置、尺寸）。

其中，障碍物威胁度CRI的计算方法为现有技术，在此不再赘述。

在步骤S206中，判断第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突是指判断本船的第一避碰转向与第二避碰转向是否一致。其中，存在冲突是指第一避碰转向与第二避碰转向不一致；不存在冲突是指第一避碰转向与第二避碰转向一致。

在步骤S208中，判断是否进行自动处理是指防撞系统是否能够自行处理避碰冲突。

在步骤S210中，保护指令是指生成报警信息、并转为船员人工操纵。

在步骤S210中，持续冲突次数是指本船判断的连续出现的避碰冲突的计数。

在步骤S210中，持续冲突次数达到预设次数阈值是指持续冲突次数大于等于预设次数阈值。

在其中的一些实施例中，预设次数阈值≥30（实际预设值可以根据测试结果进行调整）。

在步骤S212中，容忍冲突是指在本计算周期内避碰转向冲突存在，按照当前最危险的障碍船的情况进行避碰转向决策。

进一步地，在步骤S206之后，还包括：

步骤S214、在第一避碰转向与第二避碰转向不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

其中，步骤S214与步骤S208为并列的步骤。

通过上述步骤，通过装备主动防撞系统，使得本船舶与障碍船进行自主的避碰决策协同处理，避免出现避碰冲突、无法有效避碰等问题。

图3是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（二）。如图3所示，避碰方法还包括：

步骤S302、在障碍船为威胁障碍船的情况下，向威胁障碍船发送问询信息；

步骤S304、在获取应答信息的情况下，将威胁障碍船分类为协同障碍船，其中，应答信息与问询信息相对应；

步骤S306、在未获取应答信息的情况下，将威胁障碍船分类为非协同障碍船。

其中，步骤S304和步骤S306为并列的步骤。

其中，在执行步骤S302~步骤S306之后，本船舶获取第一避碰会遇情况。

其中，协同障碍船是指装备主动防撞系统的威胁障碍船；非协同障碍船是指未装备主动防撞系统的威胁障碍船。

在步骤S302中，问询信息至少包括发送方ID（即本船舶ID）、接收方ID（即威胁障碍船ID）、位置（即本船舶位置）、航速（即本船舶航速）、航向（即本船舶航向）、尺寸（即本船舶尺寸）。

进一步地，问询信息还包括无冲突标志。其中，无冲突标志是指本船舶与其全部障碍物的避碰转向同本船舶与威胁障碍船的避碰转向不存在冲突。

进一步地，问询信息还包括有冲突标志和避碰建议RA。其中，有冲突标志是指本船舶与其全部障碍物的避碰转向同本船舶与威胁障碍船的避碰转向存在冲突；避碰建议RA是指本船舶建议威胁障碍船的避碰转向。

具体地，问询信息包括第一问询信息、第二问询信息和第三问询信息。其中，第一问询信息包括发送方ID、接收方ID、位置、航速、航向、尺寸；第二问询信息包括发送方ID、接收方ID、位置、航速、航向、尺寸、无冲突标志；第三问询信息包括发送方ID、接收方ID、位置、航速、航向、尺寸、有冲突标志、避碰建议RA。

在步骤S304中，应答信息至少包括发送方ID（即威胁障碍船ID）、接收方ID（即本船舶ID）、位置（即威胁障碍船位置）、航速（即威胁障碍船航速）、航向（即威胁障碍船航向）、尺寸（即威胁障碍船尺寸）。

进一步地，应答信息还包括无冲突标志。其中，无冲突标志是指威胁障碍船与其全部障碍物的避碰转向同威胁障碍船与本船舶的避碰转向不存在冲突。

进一步地，应答信息还包括有冲突标志和避碰建议RA。其中，有冲突标志是指威胁障碍船与其全部障碍物的避碰转向同威胁障碍船与本船舶的避碰转向存在冲突；避碰建议RA是指威胁障碍船建议本船舶的避碰转向。

在其中的一些实施例中，避碰建议RA包括：

1）对遇情况，参照COLREGs规则，本船舶和威胁障碍船均为责任船，本船舶向右避碰，威胁障碍船右转避碰；

2）追越情况，本船舶为责任船，威胁障碍船为权利船，本船舶右转避碰，威胁障碍船保持航向或左转避碰；

3）左交叉情况，本船舶为权利船，威胁障碍船为责任船，本船舶保持航向或右转避碰，威胁障碍船右转避碰；

4）右交叉情况，本船为责任船，威胁障碍船为权利船，本船舶右转避碰，威胁障碍船保持航向或右转避碰。

具体地，应答信息包括第一应答信息、第二应答信息和第三应答信息。其中，第一应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、航速、航向、尺寸；第二应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、航速、航向、尺寸、无冲突标志；第三应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、航速、航向、尺寸、有冲突标志、避碰建议RA。

进一步地，还包括：

步骤S308、在障碍船不是威胁障碍船的情况下，停止向障碍船发送问询信息。

其中，步骤S308与步骤S302为并列的步骤。

进一步地，在步骤S304之后，还包括：

步骤S310、在获取应答信息的情况下，向威胁障碍船发送问询信息，其中，问询信息与应答信息相对应。

在步骤S310中，问询信息为第二问询信息、第三问询信息。

通过上述步骤，对威胁障碍船进行分类，使得本船舶与协同障碍船可以进行避碰决策协同处理，从而减少避碰冲突等问题。

图4是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（三）。如图4所示，在对威胁障碍船进行分类之后，还包括：

步骤S402、在威胁障碍船为协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与协同障碍船的第三避碰转向；

步骤S404、在威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与非协同障碍船的第四避碰转向。

其中，步骤S402和步骤S404是并列的步骤。

其中，在执行步骤S304之后，执行步骤S402；在执行步骤S306之后，执行步骤S404。

其中，在执行步骤S204的同时，执行步骤S402和/或步骤S404。

在步骤S402中，第三避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的应答信息计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

进一步地，第三避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的第三应答信息计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

具体地，第三避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的避碰建议RA计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

在步骤S404中，第四避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

通过上述步骤，根据威胁障碍船的类型获取不同的避碰转向，从而便于后续的避碰转向冲突处理。

图5是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（四）。如图5所示，还包括：

步骤S502、在威胁障碍船为若干个、且若干威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

其中，步骤S502与步骤S212是相同的，在此不再赘述。

通过上述步骤，仅在存在多个非协同障碍船的情况下，可以通过基本避碰算法进行多船避碰机动。

图6是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（五）。如图6所示，还包括：

步骤S602、在威胁障碍船为若干个、且若干威胁障碍船均为协同障碍船的情况下，判断若干第三避碰转向是否存在冲突；

步骤S604、在若干第三避碰转向存在冲突的情况下，获取第一冲突数量，将若干协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；

步骤S606、计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的协同障碍船的第五避碰转向；

步骤S608、判断第一冲突数量是否达到预设阈值；

步骤S610、在第一冲突数量达到预设阈值的情况下，生成保护指令；

步骤S612、在第一冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第五避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

其中，步骤S610和步骤S612是并列的步骤。

在步骤S604中，第一冲突数量是指本计算周期内与本船舶的当前冲突计数器数值。若本计算周期存在冲突，则第一冲突数量为前一计算周期冲突计数器数值+1；若不存在冲突，则第一冲突数量清0。

在步骤S608中，判断第一冲突数量是否达到预设阈值是指判断第一冲突数量是否大于等于预设阈值。

在其中的一些实施例中，预设次数阈值≥30（实际预设值可以根据测试结果进行调整）。

在步骤S610中，第一冲突数量达到预设阈值是指第一冲突数量大于等于预设阈值。

在步骤S612中，第一冲突数量未达到预设阈值是指第一冲突数量小于预设阈值。

进一步地，在步骤S602之后，还包括：

步骤S614、在若干第三避碰转向均不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

其中，步骤S614与步骤S212是相同的，在此不再赘述。

通过上述步骤，在存在多个协同障碍船的情况下，通过设置针对障碍物威胁度最高的协同障碍船的第五避碰转向，从而优先躲避障碍物威胁度最高的协同障碍船，再协调其他协同障碍船进行避碰机动，从而满足多船避碰冲突处理机制。

图7是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（七）。如图7所示，还包括：

步骤S702、在威胁障碍船为若干个、且部分威胁障碍船为协同障碍船、部分威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，判断若干第四避碰转向是否存在冲突；

步骤S704、在若干第四避碰转向存在冲突的情况下，获取第二冲突数量，将若干非协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；

步骤S706、计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的非协同障碍船的第六避碰转向；

步骤S708、判断第二冲突数量是否达到预设阈值；

步骤S710、在第二冲突数量达到预设阈值的情况下，生成保护指令；

步骤S712、在第二冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第六避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

其中，步骤S710和步骤S712为并列的步骤。

在步骤S704中，第二冲突数量是指本计算周期内与本船舶的当前冲突计数器数值。若本计算周期存在冲突，则第二冲突数量为前一计算周期冲突计数器+1；若不存在冲突，则第二冲突数量清0。

在步骤S708中，判断第二冲突数量是否达到预设阈值是指判断第二冲突数量是否大于等于预设阈值。

在步骤S710中，第二冲突数量达到预设阈值是指第二冲突数量大于等于预设阈值。

在步骤S712中，第二冲突数量未达到预设阈值是指第二冲突数量小于预设阈值。

通过上述步骤，在存在协同障碍船与非协同障碍船组合的情况下，通过设置针对障碍物威胁度最高的非协同障碍船的第六避碰转向，从而优先躲避障碍物威胁度最高的非协同障碍船，再协调其他协同障碍船进行避碰激动，从而满足多船避碰冲突处理机制。

图8是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（八）。如图8所示，在判断若干第四避碰转向是否存在冲突之后，还包括：

步骤S802、在若干第四避碰转向均不存在冲突的情况下，判断协同障碍船与非协同障碍船是否存在冲突；

步骤S804、在至少一协同障碍船与至少一非协同障碍船存在冲突的情况下，获取第三冲突数量，计算本船舶相对于非协同障碍船的第七避碰方向；

步骤S806、判断第三冲突数量是否达到预设阈值；

步骤S808、在第三冲突数量达到预设阈值的情况下，生成保护指令；

步骤S810、在第三冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第七避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

在其中的一些实施例中，在步骤S802中，还包括：

在非协同障碍船的数量为一个的情况下，判断协同障碍船与非协同障碍船是否存在冲突。

在步骤S804中，第三冲突数量是指本计算周期内与本船舶的当前冲突计数器数值。若本计算周期存在冲突，则第三冲突数量为前一计算周期冲突计数器+1；若不存在冲突，则第三冲突数量清0。

在步骤S806中，判断第三冲突数量是否达到预设阈值是指判断第三冲突数量是否大于等于预设阈值。

在步骤S808中，第三冲突数量达到预设阈值是指第三冲突数量大于等于预设阈值。

在步骤S810中，第三冲突数量未达到预设阈值是指第三冲突数量小于预设阈值。

进一步地，还包括：

步骤S812、在协同障碍船与非协同障碍船不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

其中，步骤S812和步骤S212是相同的，在此不再赘述。

通过上述步骤，在存在协同障碍船与非协同障碍船组合、且协同障碍船与非协同障碍船存在避碰冲突的情况下，通过设置针对非协同障碍船的第七避碰转向，从而优先躲避非协同障碍船，再协调其他协同障碍船进行避碰激动，从而满足多船避碰冲突处理机制。

实施例3

本实施例涉及本发明的应用于实施例1所述的智能船舶主动防撞系统的避碰方法。

图9是根据本发明实施例的避碰方法的流程图（九）。如图9所示，一种应用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法，包括：

步骤S902、获取问询信息，其中，问询信息由协同船发送，问询信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸；

步骤S904、根据问询信息判断协同船是否为威胁障碍船；

步骤S906、在协同船不是威胁障碍船的情况下，向协同船发送第一应答信息，其中，第一应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸；

步骤S908、在协同船为威胁障碍船的情况下，生成第一避碰转向和第二避碰转向，其中，第一避碰转向为本船舶计算评估的本船舶相对于威胁障碍船的避碰转向，第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于威胁障碍船的避碰转向；

步骤S910、判断第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突；

步骤S912、在不存在冲突的情况下，向协同船发送第二应答信息，其中，第二应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸、无冲突标志；

步骤S914、在存在冲突的情况下，向协同船发送第三应答信息，其中，第三应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸、有冲突标志、避碰建议RA。

其中，步骤S906和步骤S908为并列的步骤，步骤S912和步骤S914为并列的步骤。

在步骤S908中，第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的问询信息计算评估的相对于威胁障碍船的避碰转向。

进一步地，第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的第三问询信息计算评估的相对于威胁障碍船的避碰转向。

具体地，第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的避碰建议RA计算评估的相对于威胁障碍船的避碰转向。

本实施例与实施例2的区别在于：本实施例的执行主体为实施例2的协同障碍船。

以A船和B船为例进行说明。其中，A船为实施例2的本船舶（即实施例3的协同船），B船为实施例2的协同障碍船（即实施例3的本船舶）。具体如下：

在B船进入A船的避碰监控区域的情况下，A船向B船发送第一问询信息；

B船接收到第一问询信息，并判断A船是否进入B船的避碰监控区域；

在A船未进入B船的避碰监控区域的情况下，B船向A船发送第一应答信息；

在A船进入B船的避碰监控区域的情况下，B船根据其避碰监控区域的全障碍物信息生成第二避碰转向，并根据第一问询信息计算B船相对于A船的第一避碰转向；

B船判断第二避碰转向与第一避碰转向是否存在冲突；

在第二避碰转向与第一避碰转向不存在冲突的情况下，B船向A船发送第二应答信息；

在第二避碰转向与第一避碰转向存在冲突的情况下，B船向A船发送第三应答信息。

在步骤S908中，第一避碰转向与实施例2的第一避碰转向不是同一避碰转向。

在步骤S908中，第二避碰转向与实施例2的第二避碰转向不是同一避碰转向。

通过上述步骤，通过装备主动防撞系统，使得本船舶与协同船进行自主的避碰决策协同处理，避免出现避碰冲突、无法有效避碰等问题。

实施例4

本实施例涉及本发明的应用于实施例2所述的避碰方法的避碰系统。

本发明的一个示意性实施例，如图10所示，一种避碰系统1000，包括避碰会遇计算单元1010、避碰转向计算单元1020、冲突判断单元1030和处理单元1040。其中，避碰会遇计算单元1010用于在障碍船为威胁障碍船的情况下，获取第一避碰会遇情况，其中，第一避碰会遇情况为本船舶计算评估的本船舶与威胁障碍船的会遇情况；避碰转向计算单元1020用于根据第一避碰会遇情况，计算本船舶相对于威胁障碍船的第一避碰转向，其中，第一避碰转向为本船舶计算评估的相对于威胁障碍船的避碰转向；冲突判断单元1030用于判断第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突，其中，第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算生成的相对于威胁障碍船的避碰转向；处理单元1040用于在第一避碰转向与第二避碰转向存在冲突的情况下判断能否进行自动冲突处理、在无法进行自动冲突处理且持续冲突次数达到预设冲突次数阈值的情况下生成保护指令、以及在能够进行自动冲突处理或能够容忍冲突的情况下调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向以使本船舶自主航行避碰。

进一步地，避碰系统1000还包括问询应答单元1050和分类单元1060。其中，问询应答单元1050用于在障碍船为威胁障碍船的情况下，向威胁障碍船发送问询信息；分类单元1060用于在获取应答信息的情况下将威胁障碍船分类为协同障碍船、以及在未获取应答信息的情况下将威胁障碍船分类为非协同障碍船。

进一步地，问询应答单元1050还用于在障碍船不是威胁障碍船的情况下，停止向障碍船发送问询信息。

进一步地，问询应答单元1050还用于在获取应答信息的情况下，向威胁障碍船发送问询信息。

进一步地，避碰系统1000还包括避碰转向获取单元1070。其中，避碰转向获取单元1070用于在威胁障碍船为协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与协同障碍船的第三避碰转向；以及在威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与非协同障碍船的第四避碰转向。

其中，第三避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的应答信息计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

进一步地，第三避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的第三应答信息计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

具体地，第三避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息以及协同障碍船发送的避碰建议RA计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

其中，第四避碰转向是本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于协同障碍船的避碰转向。

进一步地，处理单元1040还用于在威胁障碍船为若干个、且若干威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

进一步地，避碰系统1000还包括威胁度单元1080。其中，威胁度单元1080用于障碍船的障碍威胁度进行计算并按障碍物威胁度从高至低对威胁障碍物进行排列。

此外，冲突判断单元1030还用于在威胁障碍船为若干个、且若干威胁障碍船均为协同障碍船的情况下，判断若干第三避碰转向是否存在冲突；威胁度单元1080用于在若干第三避碰转向存在冲突的情况下，获取第一冲突数量，将若干协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；避碰转向计算单元1020还用于计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的协同障碍船的第五避碰转向；冲突判断单元1030还用于判断第一冲突数量是否达到预设阈值；处理单元1040还用于在第一冲突数量达到预设阈值的情况下生成保护指令、以及在第一冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第五避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

进一步地，冲突判断单元1030还用于在威胁障碍船为若干个、且部分威胁障碍船为协同障碍船、部分威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，判断若干第四避碰转向是否存在冲突；威胁度单元1080用于在若干第四避碰转向存在冲突的情况下，获取第二冲突数量，将若干非协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；避碰转向计算单元1020还用于计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的非协同障碍船的第六避碰转向；冲突判断单元1030还用于判断第二冲突数量是否达到预设阈值；处理单元1040还用于在第二冲突数量达到预设阈值的情况下生成保护指令、以及在第二冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第六避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

进一步地，冲突判断单元1030还用于在若干第四避碰转向均不存在冲突的情况下，判断协同障碍船与非协同障碍船是否存在冲突；避碰转向计算单元1020还用于在至少一协同障碍船与至少一非协同障碍船存在冲突的情况下，获取第三冲突数量，计算本船舶相对于非协同障碍船的第七避碰方向；冲突判断单元1030还用于判断第三冲突数量是否达到预设阈值；处理单元1040还用于、在第三冲突数量达到预设阈值的情况下生成保护指令、以及在第三冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第七避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

进一步地，冲突判断单元1030还用于在非协同障碍船的数量为一个的情况下，判断协同障碍船与非协同障碍船是否存在冲突。

实施例5

本实施例为本发明的一个具体实施方式。

如图11所示，智能船舶主动防撞系统包括感知和航行控制器、感知设备、防撞应答机和专用VHF电台。其中，感知和航行控制器负责处理感知信息和进行避障决策，通过通用总线与感知设备、防撞应答机相连接。

其中，感知设备包括光学传感器、激光雷达、毫米波雷达、X波段雷达和AIS。

障碍船和本船在驶入到一定范围内启动应答机进行周期性的交互，沟通双方的位置和航行意图，同时互相推荐和协调避障决策，从而使得两船能在协同一致的情况下完成避障继续自主航行。

防撞系统的应答机仅当有障碍船距离本船接近时才工作，且应答机将会以一个较高的频率进行双船间的协同通讯以满足两船之间实时避碰协同的需求。应答机应能具备同时自主的询问和响应不少于5艘障碍船的通讯和实时计算处理能力，以满足多船避碰的协同需求。

如图12所示，智能船舶主动防撞系统的工作原理如下：

本船和障碍船正常航行，当一方（记为A）的感知系统探测到对方船只已经进入了自身的障碍物监控区域之后，会将自己的信息（位置，速度，航向，大小等，本次信息不含避碰协同信息）发给对方船只（记为B）。这是AB两船之间的第一次问询。

B船收到询问信息后，首先判断A船是否在自身的障碍物监控区域内。如果在监控区域内，B船根据监控区域内全部障碍物的信息进行自身的避碰决策。然后B船根据询问信息中A船的信息，进行AB船之间会遇情况分析，再计算AB两船之间的避碰决策。如果两次避碰决策的结果（避碰转向）一致，B船向A船发送应答信息，该信息包含B船当前的信息（位置，速度，航向，大小以及冲突标志位（无冲突））。若两次避碰决策的结果不一致，B船向A船发送的应答信息就除了也包含B船当前的信息，还将包含冲突标志位（有冲突）和避碰建议RA（RA，Resolution Advisory为B船建议A船的避碰转向）。

如果A船不在B船的障碍物监控区域内，B船也将响应A船的信息，不过该响应信息中不包含冲突标志信息和避碰建议RA的内容。以上就是B船对A船的问询的第一次响应。

之后，AB船之间将周期性的交换信息，进行双船避碰的协同。直到AB船完全脱离对方的障碍物监控区域之后，双方之间的问询和应答自动终止，完成了避碰的协同。

如果障碍船未装备该防撞系统，则无法响应本船应答机的问询。那么本船对障碍船的避碰机动则依赖于船载的感知系统获取障碍船的相关信息，然后基于这些信息进行避障机动决策计算。在这个过程中，无法对本船和障碍船之间的避碰决策进行协同。相对应的，障碍船对本船的避碰同样将基于自身的船员操作或者其装备的自主系统的感知决策来执行。

其中，应答机进行交互时，其发射和接收的报文需要包括以下内容：

A1内容为发送方船舶ID；

A2内容为接收方船舶ID（可以从本船AIS系统获取）；

B1内容为发送方船舶位置；

B2内容为发送方船舶的速度；

B3内容为发送方船舶的航向；

B4内容为发送方船舶的大小；

C1内容为发送方评估的是否与接收方船存在避碰冲突标志；

C2内容为发送方评估的避免冲突的接受方船的转向建议RA（ResolutionAdvisory），通常的取值为枚举型（左转/右转/保持航向）。其中，RA代表避碰协同时，本船根据本方的机动选择，向障碍船提出的协同避碰建议。

如图13所示，各种会遇情况下RA的取值情况如下：

1）对遇情况，参照COLREGs规则，本船和障碍船均为责任船，本船和责任船均需要右转避碰。障碍船RA为右转机动。

2）追越情况，本船为责任船需要右向避碰，障碍船为权利船。障碍船的RA可以为保持航向或左转机动。

3）左交叉情况，本船为权利船，本船可以保持航向或右转机动。障碍船RA为右转避碰。

4）右交叉情况，本船为责任船，障碍船为权利船。本船需要右转机动，障碍船的RA可以为保持航向或右转机动。

如图14所示，一种避碰方法，包括：

步骤S1401、启动航行计划跟随；

步骤S1402、判断是否避碰监控区域内存在的障碍物；在不避碰监控区域内存在的障碍物的情况下，执行步骤S1401；在避碰监控区域内存在的障碍物的情况下，执行步骤S1403；

步骤S1403、对障碍物的障碍物威胁度进行评估；

步骤S1404、判断是否存在有威胁的障碍物；在不存在有威胁的障碍物的情况下，执行步骤S1401；在存在有威胁的障碍物的情况下，执行步骤S1405；

步骤S1405、判断障碍船是否能响应本船问询；

步骤S1406、在障碍船无法响应本船问询的情况下，对障碍船与本船进行会遇情况分析，并执行步骤S1408；

步骤S1407、在障碍船响应本船问询的情况下，获取障碍船传输的其与本船的会遇情况下分析；

步骤S1408、本船计算本船相对于障碍船的避碰转向；

步骤S1409、判断避碰转向是否存在冲突；在不存在冲突的情况下，执行步骤S1413；在避碰转向存在冲突的情况下，执行步骤S1410；

步骤S1410、进行避碰转向冲突处理；

步骤S1411、判断能否处理冲突；在无法处理冲突的情况下，执行步骤S1412；在可以处理冲突的情况下，执行步骤S1413

步骤S1412、系统告警并转人工操纵；

步骤S1413、调用基本避碰算法求解下一时刻的避碰速度。

进一步地，对于多船避碰情况，其包括如下三种处理方式：

（一）全部障碍船为非协同障碍船

由于障碍船均为非协同障碍船，本船与障碍船无法进行避碰决策的协同。在这种情况下，本船的避碰决策仅依赖于本船的感知系统对障碍船运动的观测信息。基于这些观测信息，调用本文所述的基本的避碰算法即可求解本船下一时刻机动的避碰速度的航速和航向。

如图15所示，本实施方式的具体步骤如下：

步骤S1501、判断障碍船是否均为非协同障碍船；

步骤S1502、在障碍船均为非协同障碍船的情况下，调用基本避碰算法求解下一时刻的避碰速度。

（二）全部障碍船为协同障碍船

本船与障碍船全部可以进行避碰决策的协同。避碰算法首先基于应答机获取的障碍船的航行信息计算本船与任意障碍船之间的避碰转向决策。然后判断这些转向决策是否与障碍船推荐的避碰转向决策以及基于感知障碍物计算的转向决策是否一致。如果一致，说明本船和障碍船之间的避碰决策无冲突，这时将本船的全局冲突计数器清零，同时调用基本避碰算法，求取在该避碰转向决策下的避碰速度大小。下一时刻本船按照该避碰速度和避碰转向航行机动。

如果本船与障碍船之间的避碰转向决策与应答机推荐的避碰转向决策不一致时，首先计算每个障碍物的危险度CRI并且把障碍物按照危险度从大到小排列。将本船与碰撞危险度最高的障碍物之间的避碰转向决策作为该周期内本船的避碰转向结果（优先选择躲避危险度最高的障碍物，再协调其它有冲突的障碍物进行避碰机动）。控制器将RA与该决策结果冲突的障碍物的冲突标志位致1并且向其发送对应会遇情况下推荐的RA，同时全局冲突计算器加1，其它障碍物的冲突标志位致0。然后将信息通过应答机反馈给协同障碍物等待与其下一周期的协同。

如果本船冲突计数器的值超过其初始设定的阈值，则认为冲突无法通过防撞系统自主处理，可以通过报警转人工操纵进行避碰机动。如果计数器值小于阈值，则在本避碰周期容忍这些冲突，看一段时间后冲突是否因为本船和障碍船的航行机动而得到解除。

如图16所示，本实施方式的具体步骤如下：

步骤S1601、判断障碍船是否均为协同障碍船；

步骤S1602、在障碍船均为协同障碍船的情况下，计算协同障碍船的避碰转向；

步骤S1603、判断协同障碍船避碰转向是否冲突；在不冲突的情况下，执行步骤S1604；在冲突的情况下，执行步骤S1606；

步骤S1604、冲突计数器清零；

步骤S1605、调用基本避碰算法求解下一时刻的避碰速度；

步骤S1606、按障碍物威胁度从大到小对协同障碍船进行排列；

步骤S1607、按威胁度最高的障碍物避碰方向选择；

步骤S1608、向冲突的障碍船发送推荐的避碰建议（RA，Resolution Advisory）；

步骤S1609、冲突计数器+1；

步骤S1610、判断冲突计数器是否大于阈值；在小于阈值的情况下，执行步骤S1605；在大于阈值的情况下，执行步骤S1611；

步骤S1611、系统告警并转人工操纵。

（三）协同障碍船与非协同障碍船组合存在

本船仅能与协同障碍船进行避碰决策的协同。该情况下，首先计算非协同障碍船与本船的避碰转向决策。若非协同障碍船与本船的避碰转向决策不一致，则下一步计算其与本船的碰撞危险度。本船的避碰决策按危险度最高的障碍船情况选择（优先躲避最危险的障碍物，并且其行为无法预知）。然后将避碰决策结果与协同障碍船的避碰结果进行比较。将协同障碍船应答机响应信息更新（存在冲突障碍船标志位致1，冲突推荐RA更新，不存在冲突障碍船标志位致0）。

若非协同障碍船与本船的避碰转向决策一致或仅存在一艘非协同障碍船，则接下来计算本船与各协同障碍船的避碰转向决策。若这些结果不存在冲突，则本船全局冲突计数器清0，同时调用基本避碰算法，求取在该避碰转向决策下的避碰速度大小。下一时刻本船按照该避碰速度和避碰转向航行机动。

若非协同障碍船与协同障碍船避障决策存在冲突，则此时将非协同障碍船避碰决策作为本船此时刻的避碰转向决策。然后将避碰决策结果与协同障碍船的避碰结果进行比较。将协同障碍船应答机响应信息更新（存在冲突障碍船标志位致1，冲突推荐RA更新，不存在冲突障碍船标志位致0），同时本船的全局冲突计数器值加1。

如果本船冲突计数器的值超过其初始设定的阈值，则认为冲突无法通过防撞系统自主处理，可以通过报警转人工操纵进行避碰机动。如果计数器值小于阈值，则在本避碰周期容忍这些冲突，看一段时间后冲突是否因为本船和障碍船的航行机动而得到解除。

如图17所示，本实施方式的具体步骤如下：

步骤S1701、是否存在非协同障碍船和协同障碍船的组合；

步骤S1702、在存在非协同障碍船和协同障碍船的组合的情况下，计算非协同障碍船的避碰转向；

步骤S1703、判断非协同障碍船避碰转向是否冲突；在冲突的情况下，执行步骤S1704；在不冲突的情况下，执行步骤S1711；

步骤S1704、按障碍物威胁度从大到小对非协同障碍船进行排列；

步骤S1705、按威胁度最高的障碍物避碰方向选择；

步骤S1706、向冲突的障碍船发送推荐的避碰RA；

步骤S1707、冲突计数器+1；

步骤S1708、判断冲突计数器是否大于阈值；在大于阈值的情况下，执行步骤S1709；在小于阈值的情况下，执行步骤S1710；

步骤S1709、系统告警并转人工操纵；

步骤S1710、调用基本避碰算法求解下一时刻的避碰速度；

步骤S1711、计算协同障碍船的避碰转向；

步骤S1712、判断非协同障碍船与协同障碍船的避碰转向是否冲突；在不冲突的情况下，执行步骤S1713；在冲突的情况下，执行步骤S1714；

步骤S1713、冲突计数器清零，执行步骤S1710；

步骤S1714、按非协同障碍船的避碰方向选择，执行步骤S1706。

通过上述步骤，可以解决自主船之间的协同避碰以及避碰冲突处理问题；可以进行自主船与障碍船之间的自动避碰决策协同；通过特定格式的报文收发和应答交换本船和障碍船的准确运动信息和避碰决策，配合特定的避碰决策算法一起，完成自主船和协同障碍船之间的协同避碰；通过自主船与障碍船之间的两两避碰决策冲突处理机制，保证各种情况下能进行避碰决策的冲突处理。

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 (17)

1.一种应用于智能船舶主动防撞系统的避碰方法，其特征在于，包括：

在障碍船为威胁障碍船的情况下，获取第一避碰会遇情况，其中，所述第一避碰会遇情况为本船舶计算评估的本船舶与所述威胁障碍船的会遇情况；

根据所述第一避碰会遇情况，计算本船舶相对于所述威胁障碍船的第一避碰转向，其中，所述第一避碰转向为本船舶计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

判断所述第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突，其中，所述第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

在所述第一避碰转向与所述第二避碰转向存在冲突的情况下，判断能否进行自动冲突处理；

在无法进行自动冲突处理且持续冲突次数达到预设次数阈值的情况下，生成保护指令；

在能够进行自动冲突处理或能够容忍冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰；

其中，所述避碰方法还包括：

在障碍船为威胁障碍船的情况下，向所述威胁障碍船发送问询信息；

在获取应答信息的情况下，将所述威胁障碍船分类为协同障碍船，其中，所述应答信息与所述问询信息相对应；

在未获取应答信息的情况下，将所述威胁障碍船分类为非协同障碍船；

其中，所述避碰方法还包括：

在所述威胁障碍船为协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与所述协同障碍船的第三避碰转向；

在威胁障碍船为若干个、且若干所述威胁障碍船均为协同障碍船的情况下，判断若干所述第三避碰转向是否存在冲突；

在若干所述第三避碰转向存在冲突的情况下，获取第一冲突数量，将若干所述协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；

计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的所述协同障碍船的第五避碰转向；

判断所述第一冲突数量是否达到预设阈值；

在所述第一冲突数量达到所述预设阈值的情况下，生成保护指令；

在所述第一冲突数量未达到所述预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第五避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰；和/或

在所述威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与所述非协同障碍船的第四避碰转向；

在威胁障碍船为若干个、且部分所述威胁障碍船为协同障碍船、部分所述威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，判断若干所述第四避碰转向是否存在冲突；

在若干所述第四避碰转向存在冲突的情况下，获取第二冲突数量，将若干所述非协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；

计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的所述非协同障碍船的第六避碰转向；

判断所述第二冲突数量是否达到预设阈值；

在所述第二冲突数量达到所述预设阈值的情况下，生成保护指令；

在所述第二冲突数量未达到所述预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第六避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

2.根据权利要求1所述的避碰方法，其特征在于，在判断所述第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突之后，还包括：

在所述第一避碰转向与所述第二避碰转向不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

3.根据权利要求1所述的避碰方法，其特征在于，还包括；

在障碍船不是威胁障碍船的情况下，停止向障碍船发送问询信息。

4.根据权利要求1所述的避碰方法，其特征在于，在获取应答信息的情况下，将所述威胁障碍船分类为协同障碍船之后，还包括：

在获取应答信息的情况下，向威胁障碍船发送问询信息，其中，问询信息与应答信息相对应。

5.根据权利要求1所述的避碰方法，其特征在于，还包括：

在威胁障碍船为若干个、且若干威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

6.根据权利要求1所述的避碰方法，其特征在于，在判断若干所述第三避碰转向是否存在冲突之后，还包括：

在若干第三避碰转向均不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

7.根据权利要求1~6任一所述的避碰方法，其特征在于，在判断若干所述第四避碰转向是否存在冲突之后，还包括：

在若干所述第四避碰转向均不存在冲突的情况下，判断所述协同障碍船与所述非协同障碍船是否存在冲突；

在至少一所述协同障碍船与至少一所述非协同障碍船存在冲突的情况下，获取第三冲突数量，计算本船舶相对于非协同障碍船的第七避碰方向；

判断所述第三冲突数量是否达到预设阈值；

在所述第三冲突数量达到所述预设阈值的情况下，生成保护指令；

在所述第三冲突数量未达到所述预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第七避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

8.根据权利要求7所述的避碰方法，其特征在于，在若干所述第四避碰转向均不存在冲突的情况下，判断所述协同障碍船与所述非协同障碍船是否存在冲突包括：

在非协同障碍船的数量为一个的情况下，判断协同障碍船与非协同障碍船是否存在冲突。

9.根据权利要求7所述的避碰方法，其特征在于，还包括：

在协同障碍船与非协同障碍船不存在冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

10.根据权利要求1所述的避碰方法，其特征在于，还包括：

获取问询信息，其中，所述问询信息由协同船发送，所述问询信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸；

根据所述问询信息判断所述协同船是否为威胁障碍船；

在所述协同船不是威胁障碍船的情况下，向所述协同船发送第一应答信息，其中，所述第一应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸；

在所述协同船为威胁障碍船的情况下，生成第一避碰转向和第二避碰转向，其中，所述第一避碰转向为本船舶计算评估的本船舶相对于所述威胁障碍船的避碰转向，所述第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

判断所述第一避碰转向与所述第二避碰转向是否存在冲突；

在不存在冲突的情况下，向所述协同船发送第二应答信息，其中，所述第二应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸、无冲突标志；

在存在冲突的情况下，向所述协同船发送第三应答信息，其中，所述第三应答信息包括发送方ID、接收方ID、位置、速度、航向、尺寸、有冲突标志、避碰建议RA。

11.一种用于智能船舶的避碰系统，用于执行如权利要求1~10任一所述的避碰方法，其特征在于，包括：

避碰会遇计算单元，用于在障碍船为威胁障碍船的情况下，获取第一避碰会遇情况，其中，所述第一避碰会遇情况为本船舶计算评估的本船舶与所述威胁障碍船的会遇情况；

避碰转向计算单元，用于根据所述第一避碰会遇情况，计算本船舶相对于所述威胁障碍船的第一避碰转向，其中，所述第一避碰转向为本船舶计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

冲突判断单元，用于判断所述第一避碰转向与第二避碰转向是否存在冲突，其中，所述第二避碰转向为本船舶根据避碰监控区域的障碍物信息计算评估的相对于所述威胁障碍船的避碰转向；

处理单元，用于在所述第一避碰转向与所述第二避碰转向存在冲突的情况下，判断能否进行自动冲突处理；在无法进行自动冲突处理且持续冲突次数达到预设冲突次数阈值的情况下，生成保护指令；以及在能够进行自动冲突处理或能够容忍冲突的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰；

问询应答单元，用于在障碍船为威胁障碍船的情况下，向威胁障碍船发送问询信息；

分类单元，用于在获取应答信息的情况下将威胁障碍船分类为协同障碍船、以及在未获取应答信息的情况下将威胁障碍船分类为非协同障碍船；

避碰转向获取单元，用于在威胁障碍船为协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与协同障碍船的第三避碰转向，和/或，用于在威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，本船舶计算本船舶与非协同障碍船的第四避碰转向；

威胁度单元，用于障碍船的障碍威胁度进行计算并按障碍物威胁度从高至低对威胁障碍物进行排列；

其中，所述冲突判断单元还用于在威胁障碍船为若干个、且若干威胁障碍船均为协同障碍船的情况下，判断若干第三避碰转向是否存在冲突；所述威胁度单元用于在若干第三避碰转向存在冲突的情况下，获取第一冲突数量，将若干协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；所述避碰转向计算单元还用于计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的协同障碍船的第五避碰转向；所述冲突判断单元还用于判断第一冲突数量是否达到预设阈值；所述处理单元还用于在第一冲突数量达到预设阈值的情况下生成保护指令、以及在第一冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第五避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰；

其中，所述冲突判断单元还用于在威胁障碍船为若干个、且部分威胁障碍船为协同障碍船、部分威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，判断若干第四避碰转向是否存在冲突；所述威胁度单元用于在若干第四避碰转向存在冲突的情况下，获取第二冲突数量，将若干非协同障碍船按障碍物威胁度从高至低进行排列；所述避碰转向计算单元还用于计算本船舶相对于障碍物威胁度最高的非协同障碍船的第六避碰转向；所述冲突判断单元还用于判断第二冲突数量是否达到预设阈值；所述处理单元还用于在第二冲突数量达到预设阈值的情况下生成保护指令、以及在第二冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第六避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航。

12.根据权利要求11所述的避碰系统，其特征在于，还包括：

所述处理单元还用于在威胁障碍船为若干个、且若干威胁障碍船为非协同障碍船的情况下，调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行避碰。

13.根据权利要求11所述的避碰系统，其特征在于，还包括：

所述问询应答单元还用于在障碍船不是威胁障碍船的情况下，停止向障碍船发送问询信息。

14.根据权利要求11所述的避碰系统，其特征在于，还包括：

所述问询应答单元还用于在获取应答信息的情况下，向威胁障碍船发送问询信息。

15.根据权利要求11所述的避碰系统，其特征在于，还包括：

所述冲突判断单元还用于在若干第四避碰转向均不存在冲突的情况下，判断协同障碍船与非协同障碍船是否存在冲突；

所述避碰转向计算单元还用于在至少一协同障碍船与至少一非协同障碍船存在冲突的情况下，获取第三冲突数量，计算本船舶相对于非协同障碍船的第七避碰方向；

所述冲突判断单元还用于判断第三冲突数量是否达到预设阈值；所述处理单元还用于在第三冲突数量达到预设阈值的情况下生成保护指令、以及在第三冲突数量未达到预设阈值的情况下，本计算周期容忍冲突并根据第七避碰转向调用基本避碰算法计算下一时刻的航速和航向，以使本船舶自主航行。

16.根据权利要求15所述的避碰系统，其特征在于，还包括：

所述冲突判断单元还用于在非协同障碍船的数量为一个的情况下，判断协同障碍船与非协同障碍船是否存在冲突。

17.一种智能船舶主动防撞系统，用于执行如权利要求1~10任一所述的避碰方法，其特征在于，包括：

感知装置，用于获取本船舶的周围环境信息；

应答装置，用于发送问询信息至其他船舶以及接收其他船舶发送的应答信息；

控制装置，所述控制装置分别与所述感知装置、所述应答装置连接，用于根据所述周围环境信息生成问询信息、根据所述周围环境信息和所述应答信息生成第一避碰转向和第二避碰转向以及根据所述第一避碰转向和所述第二避碰转向的冲突处理结果生成保护指令或自主航行避碰指令。