[发明专利]一种不确定环境下的船舶动态避障优化方法及系统

说明书

本发明提供一种不确定环境下的船舶动态避障优化方法及系统，方法包括判断船舶当前所处位置是否陷入局部极小值；确定船舶当前所处位置陷入局部极小值后，将原目标点更新为临时目标点，并引导船舶前进，所述临时目标点根据与船舶位置距离最近的两个障碍物位置获取；船舶行驶到新的位置后，撤销临时目标点，恢复原目标点，并引导船舶前进。本发明能够在船舶行驶过程中考虑实时动态不确定的环境影响，通过获取实时数据来更新势场，达到了实时避障的效果。采用本发明方法进行船舶动态避障，能够提高船舶行驶的安全性，降低海上船舶与障碍物碰撞事故发生的概率。

技术领域

本发明涉及船舶动态避障领域，具体而言，尤其涉及一种不确定环境下的船舶动态避障优化方法及系统。

背景技术

当今全球贸易蓬勃发展，逐渐形成了以海上运输为主导的交通运输模式。随之而来的是航行范围的扩大、新航线的增多，海上航行不确定环境造成的船舶航行安全事故频发。大量事故案例显示，造成船舶海上航行安全事故的主要原因，是船舶与障碍物的碰撞。究其原因，一方面存在船舶在航行过程中未检测到突发障碍物的情况。另一方面即使检测到突发障碍物，但由于其运动方向和速度处在不断变化中，因此造成环境不确定性增强。

不确定环境下的船舶动态避障，即船舶通过传感器检测到突发障碍物时，能够快速响应并完成躲避突发障碍物的过程，并在成功避障后复航到原航线。

人工势场法虽适用于船舶避障场景，但随着该算法的广泛应用，其在解决船舶动态避障问题时，存在的诸多缺陷愈发突出。其中最典型的问题是算法计算实现过程中容易陷入局部极小值，导致最终动态避障失败。对于船舶动态避障算法而言，必须能够实时处理突发障碍物信息，解决陷入局部极小值的问题，并生成新的航线。

目前，传统人工势场法在船舶避障过程中只考虑了躲避大型的静态障碍物，仅对全局路径进行优化，没有考虑船舶安全航行范围内出现突发障碍物的场景，无法实现实时动态避障，在实际应用中存在缺陷。

为了解决上述问题，国内外学者对人工势场算法进行了大量的研究与改进，包括修改该算法中涉及到的函数模型、优化函数模型涉及的增益因子、改进力的作用方向等。然而，这些改进过于复杂，导致算法运行效率较低。同时，仍以静态障碍物的避障为目标，没有考虑不确定环境中船舶实际航行的复杂动态场景。此外，无法衡量改进算法中对函数模型的修改是否达到最优，也没有解决算法陷入局部极小值的问题。

发明内容

根据上述提出的传统人工势场法在不确定环境下船舶动态避障过程中陷入局部极小值而导致避障失败的技术问题，提供一种不确定环境下的船舶动态避障优化方法。本发明在人工势场算法陷入局部极小值时，基于离本船最近的两障碍物生成逆向半圆，且在该半圆上随机产生临时目标点，引导船舶继续前进。

本发明采用的技术手段如下：

一种不确定环境下的船舶动态避障优化方法，包括：判断船舶当前所处位置是否陷入局部极小值；确定船舶当前所处位置陷入局部极小值后，将原目标点更新为临时目标点，并引导船舶前进，所述临时目标点根据与船舶位置距离最近的两个障碍物位置获取；船舶行驶到新的位置后，撤销临时目标点，恢复原目标点，并引导船舶前进。

进一步地，所述临时目标点的获取，包括：以与船舶位置距离最近的两个障碍物的中点作为圆心，以船舶到最近障碍物的距离作为半径，获取逆向半圆；在所述逆向半圆上随机选取一点作为临时目标点。

进一步地，撤销临时目标点之后，进行至少一次船舶当前所处位置是否陷入局部极小值的判断。

进一步地，撤销临时目标点之后，如果判断船舶当前所处位置陷入局部极小值，则以原起始位置为基准，重新获取临时目标点。

进一步地，判断船舶当前所处位置没有陷入局部极小值时，根据人工势场算法引导船舶前进。