[发明专利]一种基于实船电子海图数据的环境势场建模方法

说明书

本发明公开了一种基于实船电子海图数据的环境势场建模方法，包括以下步骤：接收实船电子海图系统提供的点、线和面状结构的矢量电子海图数据；建立点、线和面状海图要素的环境势场模型，用以描述船舶航行环境中的可航区区域和不可航区域；对面状海图数据进行逆时针排序后，基于R‑函数理论建立复杂多边形的隐式方程，采用凸包递减技术实现任意复杂面状海图要素的环境势场自动建模。本发明解决了复杂几何图形的环境势场精确、高效和自动建模问题，对于基于人工势场法和矢量电子海图数据的无人船避碰研究及其工程化应用具有十分重要的意义。

技术领域

本发明涉及电子海图技术领域，尤其涉及一种基于实船电子海图数据的环境势场建模方法。

背景技术

在基于人工势场法和矢量电子海图数据的无人驾驶商船路径规划研究中，复杂几何图形的环境势场精确、高效和自动建模方法一直没有得到有效地解决，严重阻碍了该方法的工程化应用。

电子海图显示与信息系统(ECDIS)是现代化船桥系统中强制要求安装的重要导航设备，可以为智能避碰系统提供丰富和精确的环境信息，理想的智能航行环境模型应与电子海图中的数据结构相适应。ECDIS中符合S-57标准和S-101标准要求的空间矢量数据均采用点、线、面的形式表达。这些环境信息形状通常极其复杂，各自特征属性不同，船舶在受限水域中自主航行时必须考虑不同信息要素的不同属性，建立合适的环境模型进行自主避碰和路径规划。

近年来，研究者在船舶自动避碰和避障问题研究中提出了基于人工势场法的自动避碰控制方法。人工势场法在船舶的航行区域内构建虚拟势场，综合考虑目标点与船舶之间的吸引作用、障碍物与船舶之间的排斥作用，以及船舶与他船之间的相互排斥作用，最终实现船舶的自动避碰和避障控制。由于人工势场法的控制器设计简单且直观有效，在船舶的避碰和避障控制方面均有着较好的效果，近年来基于人工势场法的避碰和避障算法在开阔和受限水域船舶智能避碰系统研究中的应用越来越多。

尽管人工势场法方法在机器人路径规划和避碰领域中已经取得了广泛的应用，但在船舶的复杂避碰环境中仍然有诸多难题有待解决。目前基于人工势场法的船舶智能避碰领域的研究重点是通过对传统人工势场法的改进，解决目标不可达和局部最优解问题，通过环境势场建模实现动态和静态障碍物的避碰和避障控制，以及基于国际海上避碰规则进行的智能避碰问题研究。在矢量电子海图提供的数据中点状和线状要素的环境势场建模方法相对简单。然而，矢量电子海图提供的面状海图要素数据通常较多，如岛屿、闭合的等深区域、锚地、禁航区域等，凹凸形状也复杂多样。这些面状要素无法使用简单的“凸折线”或者曲线方程构建环境势场，必须采用一种严谨可靠的数值分析方法处理任意多边形环境势场建模问题，而R-函数理论恰好能够有效地解决复杂几何形体的隐函数构造和环境势场建模问题。

发明内容

本发明提供一种基于实船电子海图数据的环境势场建模方法，以克服目标不可达和局部最优解问题等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于实船电子海图数据的环境势场建模方法，包括以下步骤：

步骤1、采用JSON格式从实船电子海图系统获取点、线和面状海图要素采样点集和属性值；

步骤2、提取海图要素采样点集和属性值，根据属性值确定是否影响船舶安全航行，如果影响船舶安全航行则进行环境势场建模，执行步骤3；

步骤3、为环境势场建模构建各海图要素的避碰参数；

步骤4、建立各海图要素的环境势场；

步骤5、对所有海图要素环境势场累加计算，得到总体环境势场。

进一步的，所述步骤4包括：

步骤4.1、建立点状海图要素的环境势场；

步骤4.2、建立线状海图要素的环境势场；