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基于速度障碍法和势场法的无人船避碰研究
| 论文题名： | 基于速度障碍法和势场法的无人船避碰研究 |
| 关键词： | 自动避碰;船舶领域;人工势场法;速度障碍法;路径规划 |
| 摘要： | 随着人工智能技术的快速发展，无人驾驶船舶的研究已经成为了航运界关注的焦点。为了有效解决作为无人驾驶船舶技术研究重点问题之一的船舶自动避碰问题，研究人员已经开展了细致的研究并且成果颇丰，但是还有一些问题未能得到充分地解决。本文针对当前船舶自动避碰研究中存在的船舶领域模型未能充分考虑他船操纵性、未将局面辨识方法和路径规划算法结合、船舶采取转向避碰行动时转向幅度大、规划出的路径背离《国际海上避碰规则》且不利于船舶操纵等问题展开了研究，完成的重点研究工作如下： 针对传统的船舶领域模型未充分考虑他船操纵性的缺陷，将协同论船舶领域模型引入到碰撞危险的评估中。把协同论船舶领域半径Rc、DCPA和TCPA作为确定空间和时间碰撞危险度因子函数的参数，建立船舶碰撞危险度集并使用偏态分布方程建立其隶属度函数，通过设定碰撞危险度的临界阈值作为评判是否需要采取避碰行动的指标，再将空间和时间碰撞危险度合成来表示船舶间的时空临近性。该方法在度量船间的碰撞危险方面具有简单实用、准确性强等特点。 针对使用人工势场法规划船舶路径研究中存在单次转向角度大的问题，提出基于速度障碍法的允许航向范围（ACR）、航向障碍区域（COR）、安全航向区（SCR）以及最小可行航向角?F等船舶转向角度限制因素，在满足避碰安全性的同时，有效地减少单次转向幅度。 针对传统的人工势场法易陷入局部最小值、不能很好的满足航海实际应用等缺陷，改进了算法中的斥力函数并将船舶会遇辨识方法引入其中。改进的方法可以有效地避免陷入局部最小值，而且结合局面辨识的结果可以自动生成左转或右转的合理路径。 针对目前使用人工势场法结合DCPA和TCPA等碰撞危险评估指标规划船舶路径研究中普遍存在的一小段步数内航向小幅度振动问题，分析其原因并提出了基于数值分析法的预设时间步数概念，将其引入到算法中可以有效地避免了生成路径存在航向振动的问题。改进的方法在符合《国际海上避碰规则》的同时也会减小实际操船难度。 此外，本文还考虑了他船采取不协调避让行为时，为避免紧迫局面本船应采取的应急避碰措施。最后，通过对两船间三种会遇态势下算法改进前后的仿真效果进行对比分析以及对包含应急避碰行动的多船会遇局面下的仿真分析，证明了改进算法的有效性。 |
| 作者： | 黄登骏 |
| 专业： | 交通信息工程及控制 |
| 导师： | 刘江 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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