基于势场理论的受限水域中船舶自动避碰模型研究

Due to the complexity of restricted waters environment, the possibility of the accidents of ship collision is increasing. The more in-depth research in ship automatic collision avoidance in restricted waters has important scientific value and practical significance for improving the safety of ship navigation. However, the most research in ship automatic collision avoidance mainly concentrates on wide waters, there is still a lack of more in-depth research on restricted waters. This research analyses the character of collision avoidance in restricted waters. According to the ship maneuvering theory, the ship maneuvering mathematical model considering the outside environmental impact is built. The potential field theory is adopted and integrated with ship domain theory and LOSCAN algorithm, the calculation model of collision risk index considering multi-factor effects is developed. The dynamic route planning method and Cubic Spline algorithm are combined with ship maneuvering mathematical model and the calculation model of collision risk index to study the process of making decision in different encounter situation and simulate the ship navigation using PID autopilot. This research will provide basic theory supports for solving the safety of ship navigation in restricted waters and developing practical ship intelligent bridge system.

由于受限水域船舶航行环境非常复杂，导致发生碰撞事故的可能性增大。对受限水域内船舶自动避碰问题开展深入的研究对提高受限水域中船舶的航行安全具有重要的科学价值和现实意义。然而长期以来对船舶自动避碰的研究主要集中在宽水域内，对受限水域的自动避碰研究还不够深入，没有较成熟的研究结果。本项目针对受限水域船舶避碰操纵的特点，根据船舶操纵理论，建立考虑外界环境影响的受限水域船舶避碰操纵运动数学模型；将势场理论与LOSCAN算法、船舶避碰领域理论、船舶动界理论相结合，建立考虑多因素的受限水域中船舶碰撞危险判定模型；采用动态路径规划方法和Cubic Spline算法与建立的船舶碰撞危险判定模型和避碰操纵运动数学模型相结合，利用PID自动舵，对不同会遇态势的避碰决策进行研究，模拟船舶在受限水域中自动航行的过程。课题的研究成果将为解决受限水域中船舶避碰问题，开发具有实用性的船舶智能舰桥系统提供基础性理论支撑。

随着船舶的数量日益增多，越来越多船舶航行于航道宽度狭窄、操纵受到限制的受限水域中。由于受限水域中船舶航行环境复杂，船舶发生碰撞事故的危险性大大增加。然而，国内外对船舶自动避碰开展的研究主要集中在宽阔水域中，对受限水域的船舶自动避碰研究尚少。.本研究针对受限水域中船舶避碰操纵的特点，从船舶避碰的角度，考虑浅底、岸壁、风和流等外界环境对船舶操纵的影响，建立了受限水域中船舶操纵运动模型；研究分析了受限水域中影响船舶碰撞危险的各种因素，以应用于船舶避碰的船舶领域模型为基础，提出了从本船驾驶员视角出发的船舶与碍航物的领域概念，结合受限水域中的航行条件和《国际海上避碰规则》要求以及动界理论，建立了受限水域中静态碍航物的领域模型和船舶动态领域模型，根据势场理论建立受限水域中考虑多方面因素的船舶碰撞危险度评估模型；结合航行环境特点和《国际海上避碰规则》中对避碰操纵的要求，对传统势场法模型进行针对性改进，进而建立了考虑浅底、岸壁、风和流等多因素联合影响的受限水域中的本船和目标船的船舶动态领域模型和船舶碰撞危险度量化模型，通过仿真实时给出未来时间段内的航行路线规划，并给出了相应参数取值方法；基于改进势场法建立了船舶自动避碰模型，解决了传统势场模型在船舶自动避碰应用中目标不可达、局部陷阱、动态环境下的不适应等几个局限性问题，为开发船舶自动驾驶系统提供了理论支撑。通过模型和仿真验证，在复杂环境下本研究建立的自动航行避碰模型能够有效避开静态、动态碍航物，完成自动避碰航行。