基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究钟碧良刘先杰（广州航海高等专科学校，广州510725）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，证明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：U675文献标识码：A1．前言当前船舶避碰系统是由“船舶驾驭员-会遇船舶-环境”组成的一个复杂系统，随着船舶自动避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-船舶-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，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[1]和英国利物浦理工大学[2]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[3-4]。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[5-7]。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,其主要原因是基于专家系统的各种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。2．人工势场法的原理人工势能场APF(artificialpotentialfield)对求解移动物体路径规划的基本方法是：移动物体在一个力场中运动，要达到的位置对移动物体来说是一个引力极，而障碍物是斥力面，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[8]。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()，随与移动物和目标点的距离增加而单调递增，且方向指向目标点；另一个是斥力场()，在移动物处在障碍物位置时有一极大值，并随与障碍距离的增大而单调减小，方向指向远离障碍物方向。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点的移动物在势场的作用下，所受的力是的负梯度，如式：(1)而在整个区域内所受的引力场被定义为[1]：(2)其中是正比例系数；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能的负梯度：(3)该力随移动物趋近于目标而呈线性趋近于零。一个经常被使用的斥力场公式如下[2]：(4)其中，为正比例系数，为移动物到障碍物的最小距离，为移动物到障碍物的最近点，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：(5)移动物所受的合力为引力和斥力的和：(6)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。三．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被转换成一个势能场。所有的障碍物都被视为有最高势能的地方。如图1中，几个凸起的柱状物体就代表障碍物。红色区域表示高势能，蓝色表示低势能。而船舶就好像一个球，从高势能的地方滚向低势能的地方。[9]从上面可以看出，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，需要结合船舶航行特点，对引力场函数和斥力场函数进行适当处理。可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：图1模拟势能场示意图图2人工势场算法的基本流程图=其中表示本船当前时刻的位置，为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：表示本船采取避让行动门限值，根据船舶操纵习惯，一般取5nmile。为本船到障碍物的距离。则本船所受的合力为：根据上面公式，在电子海图上可应用获取的参...