基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法与流程

本技术涉及船舶导航领域，尤其涉及一种基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法。

背景技术：

1、目前，随着船舶数量的不断增长，同一片水域内的船只越来越多，导致船舶间碰撞的风险增加。若船舶在航行过程中遇到其他船只或障碍物时未及时避让，则有可能造成碰撞事故，轻则会使船体受损，重则造成船毁人亡。

2、船舶在航行过程中，驾驶员在观察发现来船或障碍物后要及时对当下的场景进行分析，根据分析的结果并结合长年的驾驶经验，判断两艘船舶是否能安全驶过或者船舶能否准确避让障碍物，以避免碰撞情况的发生。若两艘船舶能够安全驶过，则驾驶员无需采取任何操作，只需按照预先设定的航线和船速航行即可；若两艘船舶不能够安全驶过，则驾驶员应按照避碰规则，迅速分析两船相碰后会发生什么情形，并采取相应措施使得船舶碰撞后的损失最小化。随着人们对未知水域的不断探索，面对复杂多变的水域环境，即便是经验丰富的老驾驶员在发现对面来船或遇到障碍物时也会发生误判的情形，比如，在两船相遇一定距离时，驾驶员认为可以安全通过无需调整航向及航速，但是随着两船逐渐靠近，驾驶员发现之前的判断错误，但是此时再更变航向或降低船速已无济于事，最终导致在危机情形下船舶碰撞，对船体和船上的人员造成一定程度的损伤。

3、故，如何提供一种安全性强的船舶避碰方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术提供了一种基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法，其中定义了碰撞风险指数，可以依此判断船舶是否存在风险，制定避碰策略，使得船舶在遭遇风险时能够自动执行避碰操作，以使船舶避免风险，确保了船舶航行的安全性。

2、本技术第一方面提供了一种基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法，包括：

3、获取本船的第一航行信息和航行障碍物的第二航行信息；

4、根据第一航行信息和第二航行信息确定碰撞风险指数；

5、若碰撞风险指数符合预设阈值，则制定避碰策略，控制本船执行避碰决策、选择避碰路径并跟踪避碰路径。

6、优选地，根据第一航行信息和第二航行信息确定碰撞风险指数包括：

7、根据预设规则，以及第一航行信息和第二航行信息确定本船和航行障碍物的相遇场景；

8、根据第一航行信息、第二航行信息和相遇场景确定碰撞风险指数。

9、优选地，根据第一航行信息、第二航行信息和相遇场景确定碰撞风险指数包括：

10、根据第一航行信息、第二航行信息和相遇场景确定相对航行信息；相对航行信息包括本船和航行障碍物之间的最接近点、本船到达最接近点的时间、本船和航行障碍物之间的距离、本船和航行障碍物之间的速度比，以及本船的真实方位；

11、根据相遇场景、相对航行信息以及和相对航行信息对应的权重系数确定碰撞风险指数。

12、具体地，相遇场景包括对遇、追越、左舷交叉相遇和右舷交叉相遇中的任意一种。

13、具体地，碰撞风险指数的函数定义如下：

14、

15、其中，co是碰撞风险指数；dcpa是本船和航行障碍物之间的最接近点，tcpa是本船到达最接近点的时间，ρ是本船和航行障碍物之间的距离，k是本船和航行障碍物之间的速度比，q是本船的真实方位；udcpa根据dcpa确定，utcpa根据tcpa确定，ud根据ρ确定，uk根据k确定，uq根据q确定；αdcpa,αtcpa,αd,αk,αq是分别对应于udcpa,utcpa,ud,uk,uq的权重系数，范围为[0,1]，且αdcpa,αtcpa,αd,αk,αq的和为1。

16、具体地，udcpa的函数定义如下：

17、

18、其中，d1表示本船和航行障碍物之间的最小安全相遇距离，d2表示本船和航行障碍物之间的最小距离；

19、和/或，

20、utcpa的函数定义如下：

21、

22、其中，t1表示本船从躲避动作点航行到最接近点的时间，t2表示本船从当前位置航行到所本船和航行障碍物之间的最小距离点的时间；

23、和/或，

24、ud的函数定义如下：

25、

26、和/或，

27、uk的函数定义如下：

28、

29、其中，ψt是航行障碍物的航向角；

30、和/或，

31、uq的函数定义如下：

32、

33、其中，0°≤q≤360°。

34、优选地，基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法还包括：

35、若碰撞风险指数不符合预设阈值，则制定规划航行策略，控制本船按预设轨迹航行、选择规划路径并跟踪规划路径。

36、优选地，避碰策略的制定方法包括：

37、根据相对航行信息和预先构建的辅助动态模型，利用辅助动态模型对本船进行输入约束，获取第一约束值；

38、根据相对航行信息和预先构建的扩张状态观测模型，利用扩张状态观测模型对本船进行扰动估计，获取第一扰动值；

39、根据第一约束值、第一扰动值和人工势函数确定避碰策略；

40、和/或，

41、规划航行策略的制定方法包括：

42、根据相对航行信息和预先构建的辅助动态模型，利用辅助动态模型对本船进行输入约束，获取第二约束值；

43、根据相对航行信息和预先构建的扩张状态观测模型，利用扩张状态观测模型对本船进行扰动估计，获取第二扰动值；

44、根据第二约束值、第二扰动值和误差约束函数确定规划航行策略。

45、优选地，扩张状态观测模型的预先构建方法包括：

46、解析第一航行信息以获取本船的位置信息、速度信息和受力信息；

47、根据本船的控制指令、位置信息、速度信息和受力信息确定本船的数学模型；

48、根据本船的控制指令、数学模型和本船周围的环境因素确定扩张状态观测模型。

49、具体地，数学模型的函数定义如下：

50、

51、

52、其中，η＝[x,y,ψ]t，x和y是表示本船的横向位置和纵向位置的变量，ψ是本船的艏向角，r是坐标变换矩阵；v＝[u,v,r]t是包含线速度和角速度的矢量，u是本船纵向线速度，v是本船横向线速度，r是本船的艏向角速度，τω表示环境干扰产生的力和力矩，c(υ)是向心力矩阵，d(υ)表示阻尼矩阵，m是惯性矩阵，τ是本船的控制指令；

53、具体地，扩张状态观测模型的函数定义如下：

54、

55、其中，是本船位姿的估计值和真实值的差值，是不确定项f的估计值，f表示为和表示扩张状态观测模型的正定对角增益矩阵。

56、本技术第二方面提供了一种基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰系统，包括：

57、信息获取单元，配置为获取本船的第一航行信息和航行障碍物的第二航行信息；

58、确定单元，配置为根据第一航行信息和第二航行信息确定碰撞风险指数；

59、避碰执行单元，配置为若碰撞风险指数符合预设阈值，则制定避碰策略，控制本船执行避碰决策、选择避碰路径并跟踪避碰路径。

60、本技术第三方面提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器；

61、存储器上存储有可在处理器上运行的计算机程序；

62、当计算机程序被处理器执行时，执行第一方面的基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法。

63、本技术第四方面提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序；

64、当计算机程序被执行时，实现第一方面的基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法。

65、根据本技术提供的具体实施例，公开了以下技术效果：

66、本技术的技术方案中，提供了一种基于实时风险评估及切换控制的船舶避碰方法，包括：获取本船的第一航行信息和航行障碍物的第二航行信息；根据第一航行信息和第二航行信息确定碰撞风险指数；若碰撞风险指数符合预设阈值，则制定避碰策略，控制本船执行避碰决策、选择避碰路径并跟踪避碰路径。定义碰撞风险指数，依此判断船舶航行过程中是否存在风险，制定避碰策略，使得船舶在遭遇风险时能够自动执行相关避碰操作，以使船舶避免风险，确保了船舶航行的安全性。