基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究

第１６卷第１期　２　００　８年３月　广州航海高等专科学校学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ　ＭＡＲＩＴＩＭＥ　ＣＯＬＬＥＧＥ　Ｖ０１．１６　Ｎｏ．１　Ｍａｒ．２００８　文章编号：１００９—８５２６（２００８）０３—０００８—０４　基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究　钟碧良　，刘先杰　，吴建生　，邱建宁　，姜　华　（１．广州航海高等专科学校，广东广州５１０７２５；２．广州海事局，广东广州５１０７００）　摘　要：分析了现有船舶自动避碰系统的不足，提出了基于人工势场法的船舶自动避碰系统．根据　船舶的操纵特性，建立了引力场和斥力场函数，实现船舶自动避碰航行的合力和方向．在电子海图　所建立的仿真环境中，验证了人工势场法可用于船舶自动避碰系统中．　关键词：人工势场法；船舶避碰；自动导航　中图分类号：Ｕ６７５　文献标识码：Ａ　当前船舶避碰系统是由“船舶驾驭员一会遇船　舶一环境”组成的一个复杂系统，随着船舶自动避　１　人工势场法的原理　人工势能场ＡＰＦ（Ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　Ｆｉｅｌｄ）对求　解移动物体路径规划的基本方法是：移动物体在一个　碰关键技术的解决和应用，该系统将会变为“自动　避碰决策系统一驾驭员一船舶一环境”．为了实现　这个转变，很多学者从不同角度和不同方法进行了　研究，并取得了一定的成果．２０世纪８０年代，随着　计算机技术和专家系统应用技术的发展，日本东京　商船大学…和英国利物浦理工大学应用专家系统　解决自动避碰问题．随后，德国、美国和英国西南理　工大学先后推出各自研制的专家系统　．９０年代　起，大连海事大学、海军大连水面舰艇学院等高等院　校及科研机构也逐步开始了该方面的研究，并取得　了一定的成果Ｈ　．目前，国内外航海界专家学者普　遍采用人工智能技术或专家系统技术建立船舶智能　避碰决策与控制系统．然而可靠性高的船舶自动避　碰系统的开发仍然难度较大，其主要原因是：基于　力场中运动，要达到的位置对移动物体来说是一个引　力极，而障碍物是斥力极，按各个障碍物和目标位姿　产生人工势能的总和，取极小值决策运动路径…．人　工势场法在移动物的运动空间中创建了一个势场　（　），该势场由两部分组成：一个是引力场（　），它　随着移动物与目标点距离的增加而单调递增，且其方　向指向目标点；另一个是斥力场（　。），当移动物位在　障碍物位置时它有一极大值，并随着移动物与障碍物　距离的增大而单调减小，其方向指向远离障碍物的方　向．整个势场（　）是其引力部分和斥力部分的叠加．　一个处在运动空间中口点的移动物在势场的作用下，　Ｆ（　）＝　（　）＋　。。（　）：一△　（　）　（１）　专家系统的各项研究的基本思路都是先建立知识　库，在获取相遇船和本船的会遇态势和运动要素后，　通过查询知识库（或经推理机学习）得到避碰方案，　其中知识库是其核心，而目前开发的一些系统，基本　都存在知识库不完善的问题．　本文采用人工势场法来研究船舶自动无碰撞航　行，探导人工势场法在船舶自动避碰中应用的可行　性，为建立船舶自动避碰系统提供支持．　所受的力是　的负梯度，即　而在整个区域内所受的引力场被定义为…　１　（　）＝÷　（　，　，）　二　（２）　式中，　是正比例系数；ｐ（　，　…．）是移动物　到目标　…．的距离；取ｍ＝２．　由该引力场所生成的对移动物的引力为引力势　收稿日期：２００７一ｌ２一Ｏ６　基金项目：广东省自然科学基金项目（０４３００６１４）；广东省科技计划项目（２００６Ｂ３７２０２００７）．　作者简介：钟碧良（１９６３一），男，教授，主要从事计算机控制、多智能体系统和机电一体化的研究　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　钟碧良，等：基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究　９　能的负梯度，即　式中，町是正比例系数；Ｐ（　，　。）是移动物到障碍　（３）　物的最小距离；　。　是移动物到障碍物的最近点；ｐ。　是表示障碍物的影响范围的正常数．　所以该斥力场所对应的斥力为　Ｆ　。　（　）＝一７￡＝，　（　）＝　（９　。　．一９）　个经常被使用的斥力场公式为　该力随移动物趋近于目标而呈线性趋近于零．　一￡７唧　：　叩而【０　　ｂｇ）　叮。ｈ　ｐ０　（（４）　ｐ（　，　。　）＞ｐ。　，１　，　１　Ｆｒ．ｐ（　）：一ｖ￡＝，　（　）：Ｊ　【　Ｆ　ｌ＝Ｆ　＋Ｆ　（６）　３（）　（５）　移动物所受的合力为引力和斥力的和，即　红色　移动物体就可以根据所受合力大小和方向，确　定下一次运动．　２５　２０　１５　ｉ　１０　５　２基于人工势场的船舶避碰算法原理　利用人工势能场可将船舶的航行环境转换成一　个势能场．所有的障碍物都被视为有最高势能的地　Ｏ　方．如图１所示，几个凸起的柱状物体就代表障碍物，　像一个球，从高势能的地方滚向低势能的地方　．　声　０　图１　模拟势能场示薏图　红色区域表示高势能，蓝色表示低势能．而船舶就好　行适当处理．可以假设除本船以外其它船舶和碍航　物都认为是障碍物．则根据人工势场法则，本船的引　力场函数为　１　由上述内容可以看出：吸引力指向目标点（或　者中间目标），排斥力背向障碍物，合力会与原来船　首向形成一个偏移角，这个就是新的船首向，计算这　个偏移角是有效避障的关键．　为了量化船舶引力场函数和斥力场函数，需要　￡＝，　（９（ｆ））＝÷　（ｉ（ｆ），　．（ｆ＋１））　（７）　二　式中，　（ｔ）是表示本船当前时刻的位置；　…．（ｔ＋１）　是表示本船下一时刻要转向的位置．　障碍物产生的斥力场函数为　结合船舶航行特点，对引力场函数和斥力场函数进　（而　【一　）　０　（ｆ））ｐ（　（ｆ））＜ｐ。　Ｐ（　（ｔ），　。（ｔ））＞Ｐ。　（８）　式中，Ｐ。是表示本船采取避让行动门限值，根据船　舶操纵习惯，一般取５　ｎ　ｍｉｌｅ；ｐ（　（ｔ），　曲　（ｔ））是本　３　仿真实验　为了说明此避碰方法的有效性，仿真实验分为　有固定障碍物的静态环境避碰和有动态环境避实　船到障碍物的距离．　则本船所受的合力为　Ｆ　（ｔ）＝Ｆ　（ｔ）＋Ｆ　（ｔ）＝　一７￡＝，　。　（ｔ）＋（一７　。（ｔ））　（９）　验．在实验过程中，已知起航点经纬度、航向、航程，　求到达点的经纬度和航向．　在静态实验中，设置一条本船船和多个碍航物，　根据上面公式，在电子海图上可应用获取的参　数有：起点和终点的经纬度、船舶和障碍物的经纬　度、物体之间的距离等．利用这些的环境信息，去量　化吸引力、排斥力等这些虚拟的力．算法流程如图２　所示．　转向点采用等距离．本舶一直朝着目标前进（吸引　源），视野内发现有障碍物（排斥源）就会向右产生　一个偏移，如图３所示．　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌＯ　广州航海高等专科学校学报　第ｌ６卷　＿图２　人工势场算法的基本流程图　图３人工努场法避碰　以上的排斥源都是静态障碍物，如果把排斥源　改为动态障碍物，比如运动的船舶，就要解决动态障　碍物的避碰．人工势场的双船避让，当两船相距一定　距离时，就会产生一个排斥力，使之产生偏移角，按　规则向上的右偏移，向下的左偏移，如图４所示．　图４双船避让　４　结论　从仿真实验的结果来看．人工势场在船舶自动　导航中具有以下优点：一是算法执行速度快，计算不　复杂；二是能对局部地图信息作出实时的反应，如果　遇到障碍物就有偏转；三是由于不用预先载人全局　信息，所以节省了空间．　但也存在一些问题需要在研究中加以解决，一　是在障碍物前振荡，如图５所示；二是会出现局部极　小的现象，就是受力平衡，合力为零，吸引力与排斥　力相近；三是只能循着向左或向右的规则前进，不能　走一条比较近的路径，由于障碍物环境不可预测，路　径也是没有预测好的．　参考文献：　［１］　鹤田三郎，松村尚志，蹈石正明，等．船舶航行专家系　统的基础研究［Ｃ］／／日本航海学会论文集．东京：日本　航海学会，１９８７：１３３—１３９．　［２］　ＣＯＥＮＥＮ　Ｆ　Ｐ，ＳＮＥＡＴＯＮ　Ｇ　Ｐ，ＢＯＬＥ　Ａ　Ｇ．Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ－－　ｂａｓｅｄ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ［Ｊ］．Ｔｈｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，　１９８９，４２（１）：１０７—１１６．　［３］　ＩＮＡＩＳＨ　Ｍ．Ｂａｓｉｃ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｕｓｉｎｇ　ｎｅｕｒａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ［Ｒ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ＩＡＩＮ　９　１，１９９　１．　［４］　ＩＮＡＩＳＨ　Ｍ．Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎｅｕｒａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ［Ｒ］．Ｌａｔｅｒａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｆ　Ｓｉｎｏ—Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，１９９２．　［５］　杨宝璋，石爱国，蔡　烽，等．舰船避碰自动化系统　［Ｊ］．海军工程大学学报，２００１，ｌ３（４）：５７—６２．　［６］　李丽娜，熊振南，高岩松，等．单船避碰智能决策的生　成与优化方法［Ｊ］．中国航海，２００２（２）：４９—５２．　［７］　郑中义，吴兆麟．船舶避碰决策论［Ｍ］．大连：大连海　事大学出版社，２０００：１３０—１８８．　［８］　钟碧良．张祺，杨宜民．基于改进势场法的足球机器　人避障路径规划［Ｊ］．控制理论与应用，２００３，２０（４）：　６２３—６２６．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　钟碧良．等：基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究　亲醢哩）查署　）海固管理蛏）海圈工曼嗵）船糖管理篷）船舶曼示兢汁管理｜ｌ警勋ｑ）　末经１１３　５１　２８　４Ｅ　北纬　】９　５４叫　当前用户：＾　ｊｎｊ　ｓｔｒａｔｏｒ蓉蛀运行息口，闫　０扫０小时　｝钟　ｏ５／１ｅ．／０７　０ｌ　１ｏ‘２　图５局部极小现象　ＳＴＵＤＹ　ｏＮ　ＳＨＩＰ　ＡＵＴｏ．ＣｏＬＬＩＳＩＯＮ　ＡＶＯＩＤＡＮＣＥ　ＳＹＳＴＥＭ　ＢＡＳＥＤ　ｏＮ　ＡＲＴＩＦＩＣＩＡＬ　ＰｏＴＥＮＴＩＡＬ　ＦＩＥＬＤ　ＺＨＯＮＧ　Ｂｉ—ｌｉａｎｇ，ＬＩＵ　Ｘｉａｎ—ｊｉｅ，ｗｕ　Ｊｉａｎ—ｓｈｅｎｇ，ＱＩＵ　Ｊｉａｎ—ｎｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ　Ｈｕａ　（１．Ｄｅｐａ￣ｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０７２５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｓａｆｅｔｙ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０７００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ａ　ｓｈｉｐ’Ｓ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｆｉｅｌｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ’Ｓ　ｍａｎｏｅｕｖｒｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅ，ａ　ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｒｅ—　ｐｕｌｓｉｏｎ　ｆｉｅｌｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｏｔａｌ—ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｈａ￣ｓ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ａｒｔｉｉｆｃｉａｌ　ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｓｈｉｐ’Ｓ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　Ｆｉｅｌｄ；ｓｈｉｐ　ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ａｖｏｉｄａｎｃｅ；ｓｈｉｐ　ａｕｔｏ—ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ