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原文传递基于三维速度障碍法的无人船避碰决策研究

论文题名：	基于三维速度障碍法的无人船避碰决策研究
关键词：	无人船;避碰决策;三维速度障碍法;船舶操纵性;路径规划
摘要：	近年来，人工智能、物联网等技术领域不断快速发展，船舶智能化水平也不断有着显著提升，整体逐步迈入智能化无人驾驶方向。无人船作为新型智能自主航行船舶，不但能够解除传统航运发展中对船员的相关限制，同时在一定程度上能够降低因人为原因导致的船舶事故。对于海上船舶来说，自动避碰决策在其发展进程中起着较为重要的推进作用，同样也是保障无人船整体航行安全的重中之重。本文针对如今船舶避碰决策研究中存在的诸多问题进行研究，以速度障碍法为基础，提出了一种基于三维广义速度障碍法、多阶段优化决策模型和优先级分析的分布式协调路径规划算法，通过对传统速度障碍法进行优化，使其更符合船舶航行及操纵的实际情况，具体工作如下：　　1.分析了避碰过程中的四个阶段及船舶领域模型，基于会遇局面的定性规定类型和四阶段避碰理论，提出了一个量化的标准，以帮助确定具体的会遇局面类型及采取行动的具体方式；针对传统船舶领域模型未充分考虑协同性及操纵性的情况提出了协同论船舶领域模型。通过举例及图示说明了船舶决策系统的精确性与船舶操纵性有关联，然后根据船舶运动数学模型和船舶操纵运动的控制机理，确定了船舶的动力学特性。最后通过简单仿真实例说明了在避碰过程中考虑船舶操纵性的重要性和必要性。　　2.以传统非线性速度障碍法原理为基础，为解决目前大多数运用于船舶避碰的速度障碍法局限性并考虑到船舶操纵性和大幅度避让行动约束的影响，本文结合四阶段避碰过程并基于非对称高斯函数提出了一种新的碰撞风险度量方法，主要通过采用比例因子和协调性船舶领域来确定采取避让行为的时间碰撞危险度，提出了一种三维广义速度障碍法，不仅消除了传统速度障碍法仅通过空间碰撞风险来判断碰撞危险的不足，而且提高了避碰措施计算的准确性，使得整体判断更加直观、准确。同时通过引入船舶运动数学模型和船舶运动控制机制，提出一种数值算法来确定采取动作时间和可行航向区域。　　3.综合采用单船完全避让方案、三维广义速度障碍算法、动作优先级分析模型以及数值算法建立了不同会遇局面下的决策程序，提出了避碰系统框架，主要对行动优先级分析的过程及避碰行动的决策程序进行详细说明。　　4.仿真实验：在考虑船舶操纵因素时，通过两船会遇的仿真实验证明了操纵性对船舶避碰的影响，仿真结果显示船舶操纵性对避碰性能有明显影响，因此，在采用速度障碍法进行避碰路径规划时，需要考虑船舶的操纵性。针对基于三维广义速度障碍法的避碰方案对两船及多船进行仿真实验，通过仿真试验证明了算法的合理有效性。这种改进表明基于三维广义速度障碍法的优化避碰决策系统性能良好，能够做出符合航海实践的避碰决策。
作者：	历志
专业：	交通信息工程及控制
导师：	李伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2022