CN116612668B - 一种基于改进apf的分道通航制水域船舶自主避碰算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法，创新性的将APF引入分道通航制水域中，在构建数字化交通环境的基础上，添加通航分道中心线、航道边界、速度势能对船舶航行的影响，通过建立目标点的引力势场函数、障碍船舶的斥力函数、通航分道中心线的引力势场函数、船舶的速度函数和通航分道的边界斥力函数，来计算船舶航行过程中的合力值，以指导船舶的航行方向，对于船舶在成山角水域航行时，能够在遵守《国际海上避碰规则》的前提下实现避碰，不易出现驶出通航分道的情况，同时所规划的航行路径平滑，能够满足船舶航行的实际情况，对于船舶在成山角水域航行的适用性高。

Description

一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法

技术领域

本发明涉及船舶定位通航技术领域，尤其涉及一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法。

背景技术

成山角水域交通流密集，险情、事故多发，船舶因追越，交叉相遇而发生碰撞的可能性较大，同时水域情况较为复杂，航道狭窄，限制较多，与一般的开阔水域不同，传统的避碰决策算法在该水域的应用难度较大，且不能在遵守《国际海上避碰规则》的前提下实现避碰，极易出现驶出通航分道的情况，同时所规划的航行路径也不够平滑，不满足船舶航行的实际情况。

发明内容

本发明提供一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法，以克服上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法，包含以下步骤：

S1：基于MATLAB绘制成山角水域的数字化模型图；所述成山角水域的数字化模型图中包括目标点，船舶，通航分道，障碍船舶；

其中的目标点用于标记船舶航行的终点；

S2：建立所述目标点的引力势场函数，以获取船舶在航行过程中所受的目标点的引力值；

S3：建立所述障碍船舶的斥力函数，以获取船舶在航行过程中，由于障碍船舶所产生的障碍船舶斥力值；

S4：建立所述通航分道中心线的引力势场函数，以获取船舶在航行过程中的通航分道中心线引力值；

S5：建立船舶的速度函数，以获取在追越障碍船舶场景下的船舶速度值；

S6：建立通航分道的边界斥力函数，以获取船舶相对于航道边界的通航分道的边界斥力值，

S7：根据所述目标点的引力值、障碍船舶斥力值、通航分道中心线引力值、船舶速度值和通航分道的边界斥力值，获取船舶航行过程中的合力值，以指导船舶的航行方向。

进一步的，所述目标点的引力势场函数建立如下：

式中：U_att表示目标点的引力值；k_att为引力势场的正比例增益系数；ρ(P,P_goal)为船舶距目标点的距离。

进一步的，所述障碍船舶的斥力函数建立如下：

式中：U_rep为障碍船舶的斥力值；k_rep为船舶斥力函数的正比例增益系数，ρ(P,P_obs)为船舶距障碍船舶的距离，ρ₀为障碍船舶的影响范围。

进一步的，所述引力势场函数建立如下：

式中，U_lane为通航分道中心线引力值；k_lane为航道中心线引力势场正比例增益系数，x为船舶与船舶行驶方向的右侧通航分道边界线的距离，L为航道宽度。

进一步的，所述船舶的速度函数建立如下：

式中：U_v为船舶速度值；k_v为速度势场正比例增益系数，v_or为船舶关于障碍船舶的相对速度，θ为船舶相对于障碍船舶的相对速度与船舶相对于障碍船舶的位置矢量间的夹角；ρ(P,P_obs)为船舶距障碍船舶的距离，ρ₀为障碍船舶的影响范围。

进一步的，所述边界斥力函数建立如下：

式中：U_edge为通航分道的边界斥力值；k_edge为边界势场正比例增益系数。

进一步的，其特征在于，船舶航行过程中的合力值获取如下：

U_sum＝U_att+U_rep+U_lane+U_v+U_edge (6)。

有益效果：本发明的一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法，创新性的将APF引入分道通航制水域中，在构建数字化交通环境的基础上，添加通航分道中心线、航道边界、速度势能对船舶航行的影响，通过建立目标点的引力势场函数、障碍船舶的斥力函数、通航分道中心线的引力势场函数、船舶的速度函数和通航分道的边界斥力函数，来计算船舶航行过程中的合力值，以指导船舶的航行方向，对于船舶在成山角水域航行时，能够在遵守《国际海上避碰规则》的前提下实现避碰，不易出现驶出通航分道的情况，同时所规划的航行路径平滑，能够满足船舶航行的实际情况，对于船舶在成山角水域航行的适用性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的基于改进APF的分通道航制水域船舶自主避碰算法流程图；

图2为本发明的成山角水域的数字化模型图；

图3为本发明的实施例中的改进人工市场(APF)算法流程图；

图4a为追越局面的传统APF的影响下的避碰路径仿真结果示意图；

图4b为追越局面的本发明的避碰路径仿真结果示意图；

图5a为小角度交叉相遇局面的传统APF的影响下的避碰路径仿真结果示意图；

图5b为小角度交叉相遇局面的本发明的避碰路径仿真结果示意图；

图6a为垂直交叉相遇局面的传统APF的影响下的避碰路径仿真结果示意图；

图6b为垂直交叉相遇局面的本发明的避碰路径仿真结果示意图；

图7a为大角度交叉相遇局面的传统APF的影响下的避碰路径仿真结果示意图；

图7b为大角度交叉相遇局面的本发明的避碰路径仿真结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法，如图1所示，包含以下步骤：

S1：基于MATLAB绘制成山角水域的数字化模型图，如图2所示；所述成山角水域的数字化模型图中包括目标点，船舶，通航分道，障碍船舶；

其中的目标点用于标记船舶航行的终点；

图2展示了根据成山角分道通航制水域的实际经纬度坐标所构建的数字化模型图。图中黑色区域代表分隔带及分割线，白色区域代表沿岸通航带，三角形区域代表警戒区，箭头代表推荐航向，代表内分道通航制水域中第m条航道边界(由西至东)的第n个点(由北至南)，/>代表外分道通航制水域中第s个分道通航中第m条航道边界(由西至东)的第n个点(由北至南)。

具体的，本发明的实施例在传统APF的基础上，引入目标点的引力势场函数和障碍船舶的斥力，同时设置通航分道中心线的引力势场，通航分道的边界斥力函数，速度函数，具体如下：

S2：建立所述目标点的引力势场函数，以获取船舶在航行过程中所受的目标点的引力值；

具体的，船舶在航行过程中，受目标点引力的作用，朝着预设的目标(即船舶航行的终点)航行。与传统的APF引力设置不同，这里对APF的引力设置进行了简化，改进后的引力势场函数为

式中：U_att表示目标点的引力值；k_att为引力势场的正比例增益系数；ρ(P,P_goal)为船舶距目标点的距离。

本实施例对目标点引力势场函数进行了简化，使得船舶在航行过程中所受目标点的引力不随距离的变化而变化，始终为一个常数，如图3所示。

S3：建立障碍船舶的斥力函数，以获取船舶在航行过程中，由于障碍船舶所产生的障碍船舶斥力值；

具体的，当船舶在航行过程中遇到障碍船舶，则在障碍船舶的斥力影响下，重新规划航行路线，避开障碍船舶航行。为解决传统APF目标不可达的问题，在斥力函数中增加船舶与目标点的距离对斥力场的影响，将船舶所受斥力分为两个方向，一个由障碍船指向船舶，一个由障碍船指向目标点，改进后的斥力势场函数为：

式中：U_rep为障碍船舶的斥力值；k_rep为船舶斥力函数的正比例增益系数，ρ(P,P_obs)为船舶距障碍船舶的距离，ρ₀为障碍船舶的影响范围。

具体的，首先获取船舶距障碍船舶的距离ρ(P,P_obs)，根据其与障碍船舶的影响范围ρ₀之间的关系，就能够得到障碍船舶的斥力值，当ρ(P,P_obs)≤ρ₀时，斥力值为当ρ(P,P_obs)>ρ₀时，斥力值为0。

具体的，根据船舶与障碍船舶的位置进行碰撞危险度计算，若所得数值大于设置的安全值，则表明此时没有碰撞危险，船舶所受斥力值1为0，否则，则表明船舶需要进行避碰行动，船舶此时所受斥力值为斥力值2，如图3所示。

S4：建立通航分道中心线的引力势场函数，以获取船舶在航行过程中的通航分道中心线引力值；

具体的，根据《国际海上避碰规则》，处于分道通航制的船舶应尽可能让开航道分割线或分隔带，因此船舶在航行过程中应以航道中心线或其附近为主要航行路径，本实施例以通航分道中心线为参考，构建航道中心线引力势能场，当船舶向航道中心线两侧运动时，引力势能逐渐增加，使船舶保持沿着中心线航行的趋势，添加的通航分道中心线引力势场函数表示为：

式中，U_lane为通航分道中心线引力值；k_lane为航道中心线引力势场正比例增益系数，x为船舶与船舶行驶方向的右侧通航分道边界线的距离，L为航道宽度。

具体的，根据船舶的当前位置计算与通航分道中心线的距离，若该距离大于航道宽度的一半，则船舶所受通航分道中心线的引力值为引力值1，否则所受引力值为引力值2，如图3所示。

S5：建立船舶的速度函数，以获取在追越障碍船舶场景下的船舶速度值；

具体的，为适应实际船舶的航行环境，改善传统人工势场法中动态规划能力差的问题，在改进人工势场模型中加入速度势能场，在追越障碍船舶时，追越船所受合力加大，进而加速以增大两船的速度差，尽可能减小两船并行时间，避免产生激烈的船间效应而发生碰撞事故，其函数为

式中：U_v为船舶速度值；k_v为速度势场正比例增益系数，v_or为船舶关于障碍船舶的相对速度，θ为船舶相对于障碍船舶的相对速度与船舶相对于障碍船舶的位置矢量间的夹角，ρ(P,P_obs)为船舶距障碍船舶的距离，ρ₀为障碍船舶的影响范围。

具体的，根据船舶的当前位置计算与障碍船舶的距离，若该距离大于障碍船舶的影响范围，则船舶的速度函数值为0，船舶的速度不发生改变；若该距离小与障碍船舶的影响范围，则船舶在追越场景中，通过加速追越障碍船舶，以减小两船并行时间，防止发生碰撞事故，如图3所示。

S6：建立通航分道的边界斥力函数，以获取船舶相对于航道边界的通航分道的边界斥力值，

具体的，由于当船舶距航道边界越近，船舶受到航道边界的斥力作用越大，航道中心所受边界斥力越小。因此，根据不同危险情况构建不同的势场函数，当船舶航行在航道中心线时，选用较为平缓的正弦函数构建边界斥力势场，当船舶航行在航道边界时，选用增长幅度较大的幂函数构建斥力势场，如此在一定程度上可以防止船舶驶出航道，边界斥力函数表示为：

式中：U_edge为通航分道的边界斥力值；k_edge为边界势场正比例增益系数。

具体的为，根据船舶的当前位置计算与通航分道右边界的距离，根据距离的不同，确定边界斥力值。

S7：根据所述目标点的引力值、障碍船舶斥力值、通航分道中心线引力值、船舶速度值和通航分道的边界斥力值，获取船舶航行过程中的合力值，以指导船舶的航行方向。

具体的，船舶在分道通航制水域内航行时，船舶所受合势能场为目标点的引力场，障碍船舶斥力场，航道中心线的引力场，速度势能场，通航分道边界斥力场，在合势能场(船舶的合力值)的作用下，船舶规划下一步的航行方向，实现躲避动态障碍船舶到达预设目标点的航行要求，其表达式为

U_sum＝U_att+U_rep+U_lane+U_v+U_edge (6)

具体的，将目标点引力值，速度值，中心线引力值，障碍船舶斥力值，边界斥力值相加，即为船舶在航行过程中所受的合力值，进而确定船舶下一时刻的位置，指导船舶的航行方向。

在本发明的实施例中，船舶在航行过程中，在合力的作用下对出现的障碍船舶进行避碰，使用MATLAB进行仿真实验，通过设置后方追越船、小角度交叉相遇船、垂直交叉相遇船、大角度交叉船四种避碰情景，验证船舶在面对起始点与航向角不同的障碍船舶时，该算法与传统APF相比，其具有的优越性与可行性。

图4a和图4b展示了在处于追越局面时，追越船舶避碰被追越船舶的仿真结果图，其中，图中路径o为追越船舶的航行路径，路径t为被追越船舶的航行路径，五角星为目标点。当本船位于他船正横后大于22.5°的某一方向追赶他船时，认为两船处于追越场景中且本船为让路船，经过左右两图对比，可以较为明显的看出传统APF的避碰路径在仅受障碍物船舶斥力与目标点引力的情况下极易驶出通航分道，不符合《国际海上避碰规则》的要求，而右图显示，在改进后APF的影响下的避碰路径，船舶可以按照《国际海上避碰规则》要求，适当改变航向，且在通航分道内从被追越船的船尾驶过。

图5a和5b展示了处于小角度交叉相遇局面时，船舶避碰障碍船舶的仿真结果图。其中，当本船的航向与他船的航向的反方向的夹角为锐角时，认为两船处于小角度的交差相遇局面中，可以较为明显的看出传统APF的避碰路径并不能适应路径的变化，而在改进后APF的影响下的避碰路径，船舶可以很好的沿着航道方向行驶，并且可以按照《国际海上避碰规则》采取向右转向，从他船船尾后方驶过。

图6a和图6b展示了处于垂直交叉相遇局面时，船舶避碰障碍船舶的仿真结果图。当本船的航向与他船的航向的反方向的夹角为直角时，认为两船处于垂直交差相遇局面中，经过对比，可以较为明显的看出左图在传统APF的避碰路径不能按照《国际海上避碰规则》要求航行，反而从他船船首驶过，这样极易发生碰撞事故，而改进后APF的影响下的避碰路径，船舶可以采取向右转向，从他船船尾后方驶过。

图7a和7b展示了处于大角度交叉相遇局面时，船舶避碰障碍船舶的仿真结果图。当本船的航向与他船的航向的反方向的夹角为钝角时，认为两船处于大角度的交差相遇局面中，经过对比，可以较为明显的看出左图,传统APF的避碰路径并不能适应路径的变化，且船舶转向角度较为尖锐，而改进后APF的影响下的避碰路径，船舶可以很平滑的采取向左转向，从他船船尾后方驶过。

本发明提出的一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法，通过设置多组对比实验，在面对后方追越船、小角度交叉相遇船、垂直交叉相遇船、大角度交叉船四种情景时，船舶可以按《国际海上避碰规则》与良好船艺的要求进行避碰，且始终保持在通航分道内航行，验证了本方法的适应性、可行性和优越性，填补了在分道通航制水域基于APF研究的空白，为分道通航制水域船舶安全航行提供基础理论依据和技术支持。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于改进APF的分道通航制水域船舶自主避碰算法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：基于MATLAB绘制成山角水域的数字化模型图；所述成山角水域的数字化模型图中包括目标点，船舶，通航分道，障碍船舶；

其中的目标点用于标记船舶航行的终点；

S2：建立所述目标点的引力势场函数，以获取船舶在航行过程中所受的目标点的引力值；

S3：建立所述障碍船舶的斥力函数，以获取船舶在航行过程中，由于障碍船舶所产生的障碍船舶斥力值；

S4：建立所述通航分道中心线的引力势场函数，以获取船舶在航行过程中的通航分道中心线引力值；

S5：建立船舶的速度函数，以获取在追越障碍船舶场景下的船舶速度值；

S6：建立通航分道的边界斥力函数，以获取船舶相对于航道边界的通航分道的边界斥力值，

S7：根据所述目标点的引力值、障碍船舶斥力值、通航分道中心线引力值、船舶速度值和通航分道的边界斥力值，获取船舶航行过程中的合力值，以指导船舶的航行方向；

所述目标点的引力势场函数建立如下：

式中：U_att表示目标点的引力值；k_att为引力势场的正比例增益系数；ρ(P,P_goal)为船舶距目标点的距离；

所述障碍船舶的斥力函数建立如下：

式中：U_rep为障碍船舶的斥力值；k_rep为船舶斥力函数的正比例增益系数，ρ(P,P_obs)为船舶距障碍船舶的距离，ρ₀为障碍船舶的影响范围；

所述引力势场函数建立如下：

式中，U_lane为通航分道中心线引力值；k_lane为航道中心线引力势场正比例增益系数，x为船舶与船舶行驶方向的右侧通航分道边界线的距离，L为航道宽度；

所述船舶的速度函数建立如下：

式中：U_v为船舶速度值；k_v为速度势场正比例增益系数，v_or为船舶关于障碍船舶的相对速度，θ为船舶相对于障碍船舶的相对速度与船舶相对于障碍船舶的位置矢量间的夹角；ρ(P,P_obs)为船舶距障碍船舶的距离，ρ₀为障碍船舶的影响范围；

所述边界斥力函数建立如下：

式中：U_edge为通航分道的边界斥力值；k_edge为边界势场正比例增益系数；

船舶航行过程中的合力值获取如下：

U_sum＝U_att+U_rep+U_lane+U_v+U_edge (6)。