TWI756647B - 基於人工勢場法的船舶避碰方法及系統 - Google Patents

基於人工勢場法的船舶避碰方法及系統 Download PDF

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朱俊翰
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陳霂華
穆凌吉
張理源
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Abstract

本發明提出一種基於人工勢場法的船舶避碰方法，包含以下步驟：（S1）取得一船舶的船舶資訊、至少一障礙物的障礙物資訊以及一目標點的目標點資訊；（S2）依據該船舶資訊、該障礙物資訊以及該目標點資訊，建立包含一目標點吸引力勢場以及至少一障礙物排斥力勢場的一人工勢場；（S3）合成該目標點吸引力勢場與該至少一障礙物排斥力勢場，取得一第一合力；（S4）依據該船舶資訊或該障礙物資訊加入一外部作用力；（S5）合成該第一合力與該外部作用力，取得一第二合力；以及（S6）該船舶依據該第二合力的方向航行，以迴避該至少一障礙物。

Description

基於人工勢場法的船舶避碰方法及系統
本發明提出一種船舶的避碰方法及系統，尤指一種基於人工勢場法的船舶避碰方法及系統。
船舶碰撞風險預測和避障研究作為船舶研究領域的熱點和難題，其中包含了透過多種數據感測和航道訊息，並基於多種演算法模擬不同態勢模型下船舶的特徵行為，再透過數據的融合來驅動船舶自身實現避碰。
近年來，人工勢場法因其模型簡潔且計算方便，已在陸上移動載具的路徑規劃中得到廣泛應用，其核心理論是將環境中目標點對路上移動載具產生的引力場和障礙物對其產生的斥力場相互疊加，形成對移動智能體的複合勢場。然而，在實際應用當中會出現許多缺點，例如在工廠中陸上移動載具常常會出現死循環的情況；或是若突然出現的障礙物極度靠近陸上移動載具的位置，而產生的斥力過於強大；或是障礙物與陸上移動載具靠近的方向恰好與合力方向相同，皆可能導致行駛中的陸上移動載具無法脫離障礙物的牽制，實用性較弱。
除此之外，海上載具還需考量到無煞車的問題，因此目前尚未發現人工勢場法純熟應用於船舶避碰的領域。
為解決先前技術中所提到的問題，本發明提出一種基於人工勢場法的船舶避碰方法，包含以下步驟：(S1)取得一船舶的船舶資訊、至少一障礙物的障礙物資訊以及一目標點的目標點資訊。(S2)依據該船舶資訊、該障礙物資訊以及該目標點資訊，建立一人工勢場，包含一目標點吸引力勢場以及至少一障礙物排斥力勢場。(S3)合成該目標點吸引力勢場與該至少一障礙物排斥力勢場，取得一第一合力。(S4)依據該船舶資訊或該障礙物資訊加入一外部作用力。(S5)合成該第一合力與該外部作用力，取得一第二合力。以及(S6)該船舶依據該第二合力的方向航行，以迴避該至少一障礙物。
進一步而言，本發明更提出另一種基於人工勢場法的船舶避碰方法，包含以下步驟：(S11)偵測是否有障礙物進入船舶的避碰範圍，若是，執行步驟(S12)；若否，則維持該船舶的航行路徑。(S12)判斷該障礙物為靜態障礙物或動態障礙物，若為靜態障礙物，執行步驟(S13)；若為動態障礙物，執行步驟(S14)。(S13)該船舶基於第一人工勢場法的船舶避碰方法，迴避該靜態障礙物。(S14)該船舶基於與該動態障礙物最接近點的時間(Time to the Closest Point of Approach,TCPA)，以及與該動態障礙物最接近點的距離(Distance to the Closest Point of Approach,DCPA)，判斷是否開始迴避該動態障礙物。以及(S15)該船舶基於第二人工勢場法的船舶避碰方法，迴避該動態障礙物。
除此之外，本發明還提出一種基於人工勢場法的船舶避碰系統，包含：一資訊取得模組，以取得一船舶資訊、至少一障礙物資訊以及一目標點資訊；一中央處理模組，與該資訊取得模組連接，該中央處理模組基於一人工 勢場法的船舶避碰方法，產生一航行控制指令；以及一航行控制模組，與該中央處理模組連接，該航行控制模組依據該航行控制指令控制船舶航行。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
1:船舶避碰系統
10:資訊取得模組
20:中央處理模組
30:航行控制模組
32:方向控制模組
34:動力推進模組
40:資訊安全模組
O:障礙物
V、V’:船舶
T:目標點
X:船舶位置
Xg:目標點位置
Xg’:暫時目標點位置
F att :目標點吸引力
F rep :障礙物排斥力
F ext :外部作用力
F 1 :第一合力
F 2 :第二合力
L1、L2:船長
θc:夾角
ρ:距離
ρ0:距離
A:第一區
B:第二區
C:第三區
D:第四區
(S1)-(S6):步驟
(S11)-(S15):步驟
第一圖為本發明第一實施例之基於人工勢場法的船舶避碰方法流程圖。
第二圖為本發明之基於人工勢場法的船舶避碰方法示意圖。
第三圖為本發明之基於人工勢場法的船舶避碰方法示意圖。
第四圖為本發明第二實施例之基於人工勢場法的船舶避碰方法流程圖。
第五圖為本發明之DCPA判斷船舶與動態障礙物可接受的最短範圍示意圖。
第六圖為本發明之國際海上避碰公約的障礙物分區示意圖。
第七圖為本發明較佳實施例之基於人工勢場法的船舶避碰系統示意圖。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
本發明提出了一種基於人工勢場法的船舶避碰方法，以及基於人工勢場法的船舶避碰系統；其目的在於，在船舶航行過程中引導船舶自動迴避障礙物。要特別強調的是，本發明所述之船舶除了是具有船員於船上控制其航行的一般船舶外，更可以是無人駕駛的船舶如自動駕駛船舶、自主航行船舶、海洋無人載具及水面自動載具等，以及國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)所規範之「海上水面自動船舶(Maritime Autonomous Surface Ships,MASS)」(在本文統稱為「無人船」)，凡涉及自動控制船舶或載具航行路線者，皆應屬於該範圍內。
請參照第一圖所示，其為本發明第一實施例之基於人工勢場法的船舶避碰方法流程圖。在本實施例中，是改良人工勢場(Artificial Potential Field Algorithm)法來模擬磁力的互斥及相吸，並依據船舶與障礙物的位置及相對速度等條件建構出船舶的避碰規則，以迴避船舶航行過程中所偵測的障礙物。
首先，如第一圖所示，本實施例之基於人工勢場法的船舶避碰方法包含以下步驟：(S1)取得一船舶的船舶資訊、至少一障礙物的障礙物資訊以及一目標點的目標點資訊。(S2)依據該船舶資訊、該障礙物資訊以及該目標點資訊，建立一人工勢場，包含一目標點吸引力勢場以及至少一障礙物排斥力勢場。(S3)合成該目標點吸引力勢場與該至少一障礙物排斥力勢場，取得一第一合力。(S4)依據該船舶資訊或該障礙物資訊加入一外部作用力。(S5)合成該第一合力與該外部作用力，取得一第二合力。以及(S6)該船舶依據該第二合力的方向航行，以迴避該至少一障礙物。
在步驟(S1)中，該船舶可透過船載的資訊取得模組以取得該船舶的船舶資訊、至少一障礙物的障礙物資訊以及一目標點的目標點資訊等數 據。具體而言，該資訊取得模組可以是圖像採集裝置、姿態感測裝置、雷達感測裝置、光達感測裝置、聲納感測裝置、無線定位裝置或自動辨識系統(Automatic Identification System,AIS)；該船舶資訊包含船舶的船速、位置、航行方向、船身長度，或稱垂標間距長(Length between perpendiculars,LPP)及船身寬度；該障礙物資訊包含障礙物的移動速度、位置、移動方向、障礙物大小及與該船舶的距離；該目標點資訊包含該目標點的位置及與該船舶的距離。
舉例而言，除了船身長度及船身寬度為船舶已知資訊外，該船舶可透過姿態感測裝置偵測船舶的船速、航行方向，以及該障礙物的移動速度、移動方向；也可透過圖像採集裝置、雷達感測裝置、光達感測裝置或聲納感測裝置偵測障礙物的移動速度、位置、移動方向、障礙物大小及與該船舶的距離，以及目標點的位置及與該船舶的距離；還可透過無線定位裝置取得船舶的位置、障礙物的位置以及目標點的位置。除此之外，若該障礙物為其他航行之船舶，則更可透過自動辨識系統取得他船的船舶資訊(包含船速、位置、航行方向及船身長度等)。
在步驟(S2)至(S6)中，可同時參照第二圖，該船舶的中央處理模組可透過一人工勢場演算法，引導船舶V迴避障礙物O，該演算法的概念是以人工建構勢場的吸引力F att 與排斥力F rep 來產生一條不會與障礙物碰撞的航行路徑，從而引導該船舶沿著該路徑行駛。具體而言，在步驟(S2)中是依據前述之該船舶資訊、該障礙物資訊以及該目標點資訊，建立一人工勢場，且該人工勢場包含一目標點所產生的吸引力勢場以及至少一障礙物所產生的排斥力勢場。
其中，該人工勢場U的定義如下：U=U att +Σ U rep ，其中U att 表示該目標點吸引力勢場，U rep 表示該目標點吸引力勢場。進一步而言，該目標點吸引力勢場U att 的定義如下：
Figure 109108858-A0305-02-0008-1
，其中k表示常數增益，X表示該船舶的位置，Xg表示該目標點的位置；該至少一障礙物排斥力勢場U rep 的定義如下：
Figure 109108858-A0305-02-0008-2
，其中k表示常數增益，n表示大於零的任意數，X表示該船舶的位置，X g 表示該目標點的位置，ρ表示該船舶至該至少一障礙物的最短距離，ρ 0表示該至少一障礙物產生排斥力的最遠距離。
由以上定義可明顯看出，在該目標點吸引力勢場U att 中，當船舶航V行進入目標點T的作用區域時，隨著與目標點T間的距離越來越小，其所受的吸引力也逐漸增大。
另外，當船舶V航行過程中偵測到障礙物O進入到船舶V的避碰範圍(在此為二至五倍船身為半徑所畫之圓周範圍)內，即受到障礙物O的排斥力勢場U rep 作用，而隨著船舶V與障礙物O間的距離越來越小，其所受到排斥力F rep 則逐漸增大，而當船舶V無限接近障礙物O時，船舶V所受的排斥力F rep 趨於無窮大，說明具有極大的碰撞風險；而對於動態障礙物O來說，還須考量到動態障礙物O的移動速度和移動方向，如障礙物O的速度在船舶V航行速度方向上的分量越大，船舶V受到來自障礙物O的排斥力也會隨之增加。另一方面，若該船舶V與該至少一障礙物O的最短距離大於該至少一障礙物產生排斥力的最遠距離，則表示船舶V不在障礙物排斥力勢場的作用範圍內，排斥力勢場U rep 為零。
接續，在步驟(S3)中，將前述之目標點吸引力勢場與至少一障礙物排斥力勢場合成形成複合勢場，並產生一第一合力F 1，而該第一合力F 1的定義如下：F 1=-▽(U att )-Σ▽(U rep )=F att +Σ F rep ，其中F att 表示該目標點的吸引力，F rep 表示該至少一障礙物的排斥力。至此，若該障礙物O為一般狀態之靜態障礙物，則船舶V即受到該第一合力F 1的引導以迴避該靜態障礙物，並持續朝向目標點航行。然而，若該障礙物O為動態障礙物且突然出現於極度靠近船舶V(如水中生物突然游出水面)，導致突然產生過大的排斥力勢場；或是障礙物O恰好位於船舶V及目標點T之間且與船舶和目標點於同一軸線上，以及動態障礙物O的移動方向剛好與第一合力F 1方向同向(造成第一合力F 1方向仍會朝向該障礙物)，導致船舶V始終無法脫離障礙物O的牽制。
有鑑於此，請參照步驟(S4)至(S6)，步驟(S4)至(S6)可用於避免合力方向與障礙物位置(或移動方向)相同、目標點太近吸引力不足，或是障礙太接近排斥力過強等造成船舶無法被正確導引至目標點位置的問題；其概念是在船舶受到障礙物所產生排斥力勢場的同時，增加一道自定義的作用力指向目標點(意即產生一方向朝目標點的作用力)，以維持朝向目標點的合力強度。
在步驟(S4)中，依據前述之船舶資訊或該障礙物資訊，於該人工勢場中加入外部作用力F ext 。具體而言，該外部作用力F ext 的大小權重值取決於船舶V的船速、船身長度或寬度，以及障礙物O的移動速度、障礙物大小以及障礙物與船舶的相對距離。在此可參照第三圖，當障礙物O的移動速度或船舶V的航行速度越快，或是當障礙物O與船舶V的相對距離越短，表示船舶V受到來自障礙物的排斥力也隨之增大；換言之，需要更大的外部作用力F ext 指向目標點 T以避免船舶V受到該障礙物O的排斥力F rep 牽引。反之，若障礙物O與船舶V的相對距離較遠，或障礙物O的移動速度與船舶V的航行速度緩慢，則表示有充裕的時間可進行緩衝，因此可添加的較弱的外部作用力F ext ，船舶即得以較為趨緩的角度繞行並迴避障礙物。
接續，在步驟(S5)中是將前述之吸引力勢場與至少一障礙物排斥力勢場合成所產生該第一合力F 1，與添加的該外部作用力F ext 進行合成已取得一第二合力F 2，該第二合力的定義如下：F 2=F 1+F ext ，其中F 1表示該第一合力，F ext 表示該外部作用力。最後，在步驟(S6)中，該船舶V即可透過該第二合力F 2的引導，迴避該至少一障礙物O並朝目標T航行，完成無人船的自主避碰航行。
本實施例除了考量到障礙物的靜止和運動狀態，透過人工場勢演算法迴避該等障礙物，還進一步解決障礙物移動方向與第一合力方向相同、目標點太近吸引力不足或是障礙物太接近排斥力過強等，造成船舶無法被正確導引至目標點位置的問題，可有效避免實務上船舶航行過程中與障礙物產生碰撞的機率。
除此之外，請參照第四圖所示，其為本發明第二實施例之基於人工勢場法的船舶避碰方法。如第四圖所示，本實施例所提出之另一種基於人工勢場的船舶避碰方法，包含以下步驟：(S11)偵測是否有障礙物進入船舶的避碰範圍，若是，執行步驟(S12)；若否，則維持該船舶的航行路徑。(S12)判斷該障礙物為靜態障礙物或動態障礙物，若為靜態障礙物，執行步驟(S13)；若為動態障礙物，執行步驟(S14)。(S13)該船舶基於第一人工勢場法的船舶避碰方法，迴避該靜態障礙物。(S14)該船舶基於與該動態障礙物最接近點 的時間(Time to the Closest Point of Approach,TCPA)，以及與該動態障礙物最接近點的距離(Distance to the Closest Point of Approach,DCPA)，判斷是否開始迴避該動態障礙物。以及(S15)該船舶基於第二人工勢場法的船舶避碰方法，迴避該動態障礙物。
在步驟(S11)中，船舶的資訊取得模組可偵測是否有障礙物進入船舶的避碰範圍；具體而言，資訊取得模組可取得該船舶的船舶資訊、一目標點的目標點資訊等數據，以及偵測至少一障礙物的障礙物資訊。其中，該資訊取得模組可以是圖像採集裝置、姿態感測裝置、雷達感測裝置、光達感測裝置、聲納感測裝置、無線定位裝置或自動辨識系統(Automatic Identification System,AIS)；該船舶資訊包含船舶的船速、位置、航行方向、船身長度，或稱垂標間距長(Length between perpendiculars,LPP)及船身寬度；該障礙物資訊包含障礙物的移動速度、位置、移動方向、障礙物大小及與該船舶的距離；該目標點資訊包含該目標點的位置及與該船舶的距離。
在該步驟中，資訊取得模組偵測到一障礙物後，即可得知出該障礙物的位置以及與該船舶的距離，並依據該該障礙物的位置以及與該船舶的距離判斷障礙物是否進入該船舶的避碰範圍內。若是，執行步驟(S12)繼續進入避碰步驟；若否，則維持該船舶的航行路徑，並持續朝向目標點行進。其中，該避碰範圍一般情況設定為半徑一至三海浬所畫之圓周範圍，但在其他情況下可視船舶大小、船舶速度或障礙物速度(即船舶與障礙物)。
接續，在步驟(S12)中，同樣透過資訊取得模組偵測到的障礙物資訊中，得知該障礙物的大小以及運動方式(為動態或靜態)。若該障礙物為靜態障礙物如礁石、橋墩或浮木等，執行靜態障礙物的避碰步驟；若該障礙 物為動態障礙物如水中生物或其他航行中的船隻等，則執行動態障礙物的避碰步驟。
在步驟(S13)中，該船舶的中央處理模組可基於第一人工場勢法計算出迴避該靜態障礙物的路徑，並引導該船舶迴避該靜態障礙物。具體而言，該第一人工場勢法是依據前述之該船舶資訊、該障礙物資訊以及該目標點資訊，建立一人工勢場，且該人工勢場包含一目標點所產生的吸引力勢場以及至少一障礙物所產生的排斥力勢場。
其中，該人工勢場U的定義如下：U=U att +Σ U rep ，其中U att 表示該目標點吸引力勢場，U rep 表示該至少一障礙物的排斥力勢場。進一步而言，該目標點吸引力勢場U att 的定義如下：
Figure 109108858-A0305-02-0012-3
，其中k表示常數增益，X表示該船舶的位置，Xg表示該目標點的位置；該至少一障礙物排斥力勢場U rep 的定義如下：
Figure 109108858-A0305-02-0012-4
，其中k表示常數增益，n表示大於零的任意數，X表示該船舶的位置，X g 表示該目標點的位置，ρ表示該船舶至該至少一障礙物的最短距離，ρ 0表示該至少一障礙物產生排斥力的最遠距離。
由以上定義可明顯看出，在該目標點吸引力勢場U att 中，當船舶航行進入目標點的作用區域時，隨著與目標點間的距離越來越小，其所受的吸引力也逐漸減少。
另外，當船舶航行過程中偵測到障礙物進入到船舶的避碰範圍(在此為二至五倍船身為半徑所畫之圓周範圍)內，即受到障礙物的排斥力勢場U rep 作用，而隨著船舶與障礙物間的距離越來越小，其所受到排斥力則逐漸 增大，而當船舶無限接近障礙物時，船舶所受的排斥力趨於無窮大，說明具有極大的碰撞風險；而對於動態障礙物來說，還須考量到動態障礙物的移動速度和移動方向，如障礙物的速度在船舶航行速度方向上的分量越大，船舶受到來自障礙物的排斥力也會隨之增加。另一方面，若該船舶與該至少一障礙物的最短距離大於該至少一障礙物產生排斥力的最遠距離，則表示船舶不在障礙物排斥力勢場的作用範圍內，排斥力勢場U rep 為零。
接續，將前述之目標點吸引力勢場與至少一障礙物排斥力勢場合成形成複合勢場，並產生一第一合力F 1，而該第一合力的定義如下：F 1=-▽(U att )-Σ▽(U rep )=F att +Σ F rep ，其中F att 表示該目標點的吸引力，F rep 表示該至少一障礙物的排斥力。至此，若該障礙物為一般狀態之靜態障礙物，則船舶即受到該第一合力F 1的引導以迴避該靜態障礙物，並持續朝向目標點航行。
而在步驟(S14)中，該船舶的中央處理模組基於多少時間後與該動態障礙物到達最接近點(Time to the Closest Point of Approach,TCPA)，以及該船舶與該動態障礙物離最接近點的距離(Distance to the Closest Point of Approach,DCPA)，來判斷是否開始迴避該動態障礙物。其中，當TCPA大於等於零時，表示船舶與動態障礙物在接近中且有相撞的可能性；TCPA小於零表示船舶與動態障礙物正在互相遠離。另一方面，可同時參照第五圖，DCPA則用以判斷船舶與動態障礙物可接受的最短範圍，當該DCPA小於安全範圍閥值則啟動避碰模式；該安全範圍閥值ρ0的定義如下：ρ 0=L C +L=d cri
Figure 109108858-A0305-02-0013-5
其中，碰撞長度LC(Collision Length)為兩船V、V’碰撞時中點的連線長，L1為做為動態障礙物船舶V’的長度，L2為本船船舶V的長度(此處不考慮寬度)，Xc為本船船舶V與動態障礙物船舶V’間的夾角θc，L為關鍵避碰長度(為一可變之參數值)，該關鍵避碰長度應考慮船舶V的操縱性，至少為船舶V的三倍船長以上。其中，ρ0又稱危急避碰長度，為人工勢場法中斥力場開始作用之距離，該參數ρ0是影響避碰成功與否的重要關鍵；計算是否TCPA>0和DCPA<ρ0，若條件成立即啟用人工勢場法進行避碰。最後，在步驟(S15)中，該船舶的中央處理模組可基於第二人工場勢法計算出迴避該動態障礙物的路徑，並引導該船舶迴避該靜態障礙物。有鑑於該動態障礙物突然出現於極度靠近船舶的位置(如水中生物突然游出水面)，導致突然產生過大的排斥力勢場；或是動態障礙物的移動方向剛好與第一合力方向相同(造成第一合力方向仍會朝向該障礙物)，導致船舶始終無法脫離動態障礙物的牽制，本實施例所提第二人工場勢法可依據前述之船舶資訊或該動態障礙物資訊，於該人工勢場中加入外部作用力F ext ，以維持朝向目標點的合力強度。
具體而言，該外部作用力F ext 的大小權重值取決於船舶的船速、船身長度或寬度，以及動態障礙物的移動速度、動態障礙物大小以及動態障礙物與船舶的相對距離。當動態障礙物的移動速度或船舶的航行速度越快，或是當動態障礙物與船舶的相對距離越短，表示船舶受到來自動態障礙物的排斥力也隨之增大；換言之，需要更大的外部作用力F ext 指向目標點以避免船舶受到該動態障礙物的排斥力牽引。反之，若動態障礙物與船舶的相對距離較遠，或動態障礙物的移動速度與船舶的航行速度緩慢，則表示有充裕的時間可進行緩 衝，因此可添加的較弱的外部作用力F ext ，船舶即得以較為趨緩的角度繞行並迴避該動態障礙物。
接續，將第一人工場勢法中吸引力勢場與動態障礙物排斥力勢場合成所產生該第一合力F 1，與另外添加的該外部作用力F ext 進行合成已取得一第二合力F 2，該第二合力的定義如下：F 2=F 1+F ext ，其中F 1表示該第一合力，F ext 表示該外部作用力。最後，該船舶即可透過該第二合力的引導，迴避該動態障礙物並朝目標點航行，完成無人船的自主避碰航行。
值得注意的是，在步驟(S14)後還包含一步驟(S14a)依據國際海上避碰公約(Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea,COLREGS)將該動態障礙物與該船舶的相對位置劃分為第一、第二、第三及第四區(可參照第六圖)；其中，該第一區為該避碰範圍圓周345°至15°，該第二區為該避碰範圍圓周15°至112.5°，該第三區為該避碰範圍圓周112.5°至247.5°，該第四區為該避碰範圍圓周112.5°至247.5°。其中，國際海上避碰公約特別是指該動態障礙物為其他航行之船舶的實施方式。
而在步驟(S14a)後還包含一(S14b)若該動態障礙物位於第一或第二區，執行步驟(S15)；若該動態障礙物位於第三或第四區，則維持該船舶的航行路徑。具體而言，可參照第三圖，若該動態障礙物位於第一區，表示船舶前方出現障礙物，故需於人工勢場中加入依據船體前進方向右偏移且距離船體一倍船長處建立一暫時吸引力勢場，以此滿足COLREGs之規範。若該動態障礙物位於第二區，表示船舶右側出現障礙物，故同樣需於人工勢場中加入依據船體前進方向右偏移且距離船體一倍船長處建立一暫時吸引力勢場。若該動態障礙物位於第三、四區，表示船舶後方、左側出現障礙物，則不須理會該障 礙物；其原因在於，在該動態障礙物為其他航行之船舶的前提下，依據國際海上避碰公約應由他船向右迴避我船(因相對而言，我船位於他船之前方、右側)，而我船可維持原先之路徑航行。
在本實施例中，改良了人工勢場演算法來模擬磁力相吸互斥，同時結合COLREGS國際海上避碰公約，以建立船舶避碰方法，且該方法更依據船舶位置與速度、障礙物位置與速度、DCPA可接受之範圍與偵測距離等條件，來引導自主航行船舶自動迴避障礙物。
除此之外，請參照第七圖所示，其為本發明較佳實施例之基於人工勢場法的船舶避碰系統。如第七圖所示，本實施例之基於人工勢場法的船舶避碰系統1包含：一資訊取得模組10，以取得一船舶資訊、至少一障礙物資訊以及一目標點資訊；一中央處理模組20，與該資訊取得模組10連接，該中央處理模組20基於一人工勢場法的船舶避碰方法，產生一航行控制指令；以及一航行控制模組30，與該中央處理模組連接，該航行控制模組30依據該航行控制指令控制船舶航行。
要特別強調的是，本實施例之船舶除了是一般具有船員駕駛的船隻外，更指國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)所規範之「海上水面自動船舶(Maritime Autonomous Surface Ships,MASS)」，而在本文內皆統稱為「無人船」。
以下將針對本發明之基於人工勢場法的船舶避碰系統做進一步說明。首先，該資訊取得模組10可取得一船舶資訊、至少一障礙物資訊以及一目標點資訊；具體而言，該資訊取得模組10可以是圖像採集裝置、姿態感測裝置、雷達感測裝置、光達感測裝置、聲納感測裝置、無線定位裝置或自動辨識 系統(Automatic Identification System,AIS)；該船舶資訊包含船舶的船速、位置、航行方向、船身長度，或稱垂標間距長(Length between perpendiculars,LPP)及船身寬度；該障礙物資訊包含障礙物的移動速度、位置、移動方向、障礙物大小及與該船舶的距離；該目標點資訊包含該目標點的位置及與該船舶的距離。
舉例而言，除了船身長度及船身寬度為船舶已知資訊外，該船舶可透過姿態感測裝置偵測船舶的船速、航行方向，以及該障礙物的移動速度、移動方向；也可透過圖像採集裝置、雷達感測裝置、光達感測裝置或聲納感測裝置偵測障礙物的移動速度、位置、移動方向、障礙物大小及與該船舶的距離，以及目標點的位置及與該船舶的距離；還可透過無線定位裝置取得船舶的位置、障礙物的位置以及目標點的位置。除此之外，若該障礙物為其他航行之船舶，則更可透過自動辨識系統取得他船的船舶資訊(包含船速、位置、航行方向、船身長度等)。
與該資訊取得模組10連接的該中央處理模組20可依據前述之船舶資訊、至少一障礙物資訊以及目標點資訊，並基於一人工勢場法的船舶避碰方法，產生一航行控制指令；在此人工勢場法的船舶避碰方法可以是第一圖所述之人工勢場法的船舶避碰方法，也可以是第四圖所述之人工勢場法的船舶避碰方法。其中，該航行控制指令包含一航向控制命令以及一航速控制命令。
與該中央處理模組20連接的航行控制模組30則可依據該航行控制指令控制船舶航行。具體而言，該航行控制模組30包含一方向控制模組32以及一動力推進模組34；且該方向控制模組32接收前述之航向控制命令，該動力推進模組34接收前述之航速控制命令。換言之，與該中央處理模組20連接的方向控制模組32，可依據該航向控制命令控制(改變舵角的方向)該船舶的航行 方向；另一方面，與該中央處理模組20連接的動力推進模組34，則可依據航速控制命令控制該船舶的航行速度。據此，該船舶可依循所設定避碰路徑的迴避障礙物。
在本實施例中，該中央處理模組20包含可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、微控制器(Microcontroller Unit,MCU)或其組合等，舉凡能接受各系統模組間資訊之傳遞並進行運算處理後發送控制命令之裝置皆屬於該保護範圍內，本發明不應依此為限。
在本實施例中，該方向控制模組32包含方向舵、電子轉向系統或其組合等，其目的在於接收該中央處模組20的命令後調整方向舵的角度，藉以控制船舶的航行方向。該動力推進模組34包含發電機、引擎、側推器(側向推進器)、油門、電池、馬達或其組合等，其目的在於接收該中央處理模組20的命令後調整輸出動力之大小，藉以控制船舶航行的速度。進一步而言，該電池可以是鋰離子電池、鋰聚合物電池、磷酸鋰鐵電池、燃料電池或其組合等，可依據動力推進模組的需求設計；該動力推進模組還可以是混合動力系統，透過配置於船舶上的太陽能板、風帆或波浪能驅動裝置來收集太陽能、風能及波浪能等自主能源，並將該些自主能源轉化成電能儲存於蓄電池中，藉以輔助動力推進模組的動力來源。
進一步而言，本發明之基於人工勢場法的船舶避碰系統還可包含有一資訊安全模組40與該中央處理模組20及/或資訊取得模組10連接，該資訊安全模組40負責當該中央處理模組20接收的資訊有誤，或資訊取得模組10與外部連線(包含感測資訊的取得以及與岸台的通訊)出現問題時，提供該船舶的安全防護機制。當出現資訊取得模組10連線異常導致外部或感測資訊無法送 達、資訊取得模組10進行通訊時受到干擾或出現第三方使用者(如惡意程式或病毒等)不當控制中央處理模組20之運作時，將會自動將該船舶打至空檔；同時禁止該船舶的資訊取得模組10再接收外部感測資訊或命令，以避免發生碰撞意外，也能讓工作人員安全的登上該船舶進行維修作業。
其中，該資訊安全模組40可以是透過入侵檢測系統(Intrusion-detection system,IDS)監控無線通訊傳輸，檢查是否有可疑活動或者違反船舶航行規章，偵測到時發出警報或者採取主動反應措施；身分驗證系統(Authentication)，僅授權通過身分驗證(如共用金鑰或生物學特徵驗證)的使用者與船船進行通訊；防火牆系統(Firewall)建立於外部裝置與無線通訊模組之間，可依據船舶預設保護內容的來監控往來的傳輸，並攔截不當的外部資訊；或是透過白名單(Whitelisting)系統或應用系統白名單(Application Whitelisting)來執行正面表列的模組或應用程式，而不允許執行名單以外的應用程式。換言之，資訊安全模組40僅允許避碰系統內部所有模組或應用程式彼此資訊的傳遞與執行，一旦出現名單以外的模組或應用程式，避碰系統不會執行並且立刻發出警示提醒，透過白名單在第一線做隔離，以確保抵禦惡意程式入侵而干擾船舶的航行。
本發明考慮了障礙物的靜止和運動狀態，並依據船舶在坐標系中與障礙物的絕對最短距離作為檢測距離的依據，判斷是否遇到存在碰撞危險的障礙物並加以迴避，使船舶能夠在航道中平穩順暢地避開障礙物並維持駛向目標點的路徑，為自主航行避碰領域提供可靠安全的方法。除此之外，在避障過程中對船舶的速度、航向進行控制，同時對於靜態的障礙物如浮標、橋墩等，以及動態障礙物如航道中其他船舶，本發明之基於人工勢場法的船舶避碰方法 及系統能夠大幅減少與障礙物碰撞的機率，也因其易於及時控制及計算量小而能夠在自主船舶避障領域發揮較大作用。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
（S1）-（S6）　…　步驟

Claims (23)

  1. 一種基於人工勢場法的船舶避碰系統，包含：一資訊取得模組，以取得一船舶資訊、至少一障礙物資訊以及一目標點資訊；一中央處理模組，與該資訊取得模組連接，該中央處理模組基於一人工勢場的船舶避碰方法，產生一航行控制指令；以及一航行控制模組，與該中央處理模組連接，該航行控制模組依據該航行控制指令控制船舶航行；其中，由該船舶資訊或該至少一障礙物資訊得出一外部作用力；其中，該船舶資訊包含船舶的船速、船身長度、船身寬度或其組合；其中，該至少一障礙物資訊包含障礙物的移動速度、障礙物大小、障礙物與船舶的相對距離或其組合。
  2. 如請求項1所述之基於人工勢場法的船舶避碰系統，其中該資訊取得模組包含圖像採集裝置、姿態感測裝置、雷達感測裝置、光達感測裝置、聲納感測裝置、無線定位裝置、自動辨識系統(Automatic Identification System,AIS)或其組合。
  3. 如請求項1所述之基於人工勢場法的船舶避碰系統，其中該中央處理模組包含可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)、微控制器(Microcontroller Unit,MCU)或其組合。
  4. 如請求項1所述之基於人工勢場法的船舶避碰系統，其中該航行控制模組包含一方向控制模組以及一動力推進模組。
  5. 如請求項4所述之基於人工勢場法的船舶避碰系統，其中該方向控制模組包含方向舵、電子轉向系統或其組合。
  6. 如請求項4所述之基於人工勢場法的船舶避碰系統，其中該動力推進模組包含發電機、引擎、側推器、油門、電池、馬達或其組合。
  7. 如請求項1所述之基於人工勢場法的船舶避碰系統，更包含一資訊安全模組，該資訊安全模組與該中央處理模組及該資訊取得模組連接。
  8. 如請求項1所述之基於人工勢場法的船舶避碰系統，其中該資訊安全模組包含入侵檢測系統(Intrusion-detection system,IDS)、身分驗證系統(Authentication)、授權與加密系統、防火牆系統(Firewall)、白名單系統(Whitelisting)或其組合。
  9. 一種基於人工勢場法的船舶避碰方法，包含：(S1)取得一船舶的船舶資訊、至少一障礙物的障礙物資訊以及一目標點的目標點資訊；(S2)依據該船舶資訊、該障礙物資訊以及該目標點資訊，建立一人工勢場，該人工勢場包含一目標點吸引力勢場以及至少一障礙物排斥力勢場；(S3)合成該目標點吸引力勢場與該至少一障礙物排斥力勢場，取得一第一合力；(S4)依據該船舶資訊或該障礙物資訊加入一外部作用力； (S5)合成該第一合力與該外部作用力，取得一第二合力；以及(S6)該船舶依據該第二合力的方向航行，以迴避該至少一障礙物；其中，由該船舶資訊或該至少一障礙物資訊得出一外部作用力；其中，該船舶資訊包含船舶的船速、船身長度、船身寬度或其組合；其中，該至少一障礙物資訊包含障礙物的移動速度、障礙物大小、障礙物與船舶的相對距離或其組合。
  10. 如請求項9所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該船舶資訊包含該船舶的船速、位置、航行方向、船身長度及船身寬度。
  11. 如請求項9所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該障礙物資訊包含該障礙物的移動速度、位置、移動方向、障礙物大小及與該船舶的距離。
  12. 如請求項9所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該目標點資訊包含該目標點的位置及與該船舶的距離。
  13. 如請求項9所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該人工勢場的定義如下：U=U att +Σ U rep ，其中U att 表示該目標點吸引力勢場，U rep 表示該至少一障礙物排斥力勢場。
  14. 如請求項13所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該目標點吸引力勢場U att 的定義如下：
    Figure 109108858-A0305-02-0025-6
    ，其中k表示常數增益，X表示該船舶的位置，X g 表示該目標點的位置。
  15. 如請求項14所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該至少一障礙物排斥力勢場U rep 的定義如下：U rep =
    Figure 109108858-A0305-02-0025-7
     ，其中k表示常數增益，n表示大於零的任意數，X表示該船舶的位置，X g 表示該目標點的位置，ρ表示該船舶至該至少一障礙物的最短距離，ρ 0表示該至少一障礙物產生排斥力的最遠距離。
  16. 如請求項15所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該第一合力的定義如下：F 1=-▽(U att )-Σ▽(U rep )=F att +Σ F rep ，其中F att 表示該目標點的吸引力，F rep 表示該至少一障礙物的排斥力。
  17. 如請求項16所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該第二合力的定義如下：F 2=F 1+F ext ，其中F 1表示該第一合力，F ext 表示該外部作用力。
  18. 一種基於人工勢場法的船舶避碰方法，包含：(S11)偵測是否有障礙物進入船舶的避碰範圍，若是，執行步驟(S12)；若否，則維持該船舶的航行路徑； (S12)判斷該障礙物為靜態障礙物或動態障礙物，若為靜態障礙物，執行步驟(S13)；若為動態障礙物，執行步驟(S14)；(S13)該船舶基於第一人工勢場法，迴避該靜態障礙物；(S14)該船舶基於與該動態障礙物最接近點的時間(Time to the Closest Point of Approach,TCPA)，以及與該動態障礙物最接近點的距離(Distance to the Closest Point of Approach,DCPA)，判斷是否開始迴避該動態障礙物；以及(S15)該船舶基於請求項9所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，迴避該動態障礙物。
  19. 如請求項18所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中步驟(S14)後還包含一步驟(S14a)，依據國際海上避碰公約(COLREGS)將該動態障礙物與該船舶的相對位置劃分為第一、第二、第三及第四區。
  20. 如請求項19所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中步驟(S14a)後還包含一步驟(S14b)，若該動態障礙物位於第一或第二區，執行步驟(S15)；若該動態障礙物位於第三或第四區，則維持該船舶的航行路徑。
  21. 如請求項20所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該第一區為該避碰範圍圓周345°至15°，該第二區為該避碰範圍圓周15° 至112.5°，該第三區為該避碰範圍圓周112.5°至247.5°，該第四區為該避碰範圍圓周112.5°至247.5°。
  22. 如請求項18所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該動態障礙物最接近點的距離小於安全範圍閾值則開始迴避該動態障礙物，其中該安全範圍閾值取決於船舶長度、船舶速度或障礙物速度。
  23. 如請求項22所述之基於人工勢場法的船舶避碰方法，其中該閾值受一外部參數影響，該外部參數包含船身大小或船舶與動態障礙物的相對速度。
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