英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
船舶航行自动仿真程序
首页--期刊主要分类--期刊细介绍--期刊题录与文摘--期刊详细文摘内容
文章信息
文章历史：2011年3月22日收到2011年10月16日受理主编：A.I.Incecik
关键词：自动船舶导航系统 势场方法寻路避碰
船舶航行自动仿真程序可以作为航道运行规划和设计研究的有力工具.在这样的仿真系统中，自动发现航路和避碰等关键任务都由仿真程序自己完成，不需要或最少由导航员进行干预.这在许多方面与自动导航系统相似，因为它们被设计成在不需要人工干预的情况下安全和有效地执行自动导航，或者向导航员提供关于在某些情况下采取的最佳行动方案的建议.船舶自动导航系统的关键任务有两个：航路规划和避碰.本文提出了一种基于潜在领域规划的船舶在可能碰撞情况下安全通领域的有效实用方法.介绍了应用于船舶自动导航的潜在领域方案实施的一般步骤.该算法实现起来相当简单，对于复杂航行情况下的船舶自动操控是有效的.
1. 介绍
在正常的海上航行情况和驾驶员控制的导航模拟系统中，人工驾驶员有责任评估交通情况，确定到达目的地的最安全和最直接的路线，并发布必要的船舶控制命令，根据不断变化的交通和环境情况，在必要时对其进行调整.在内河航道、港湾航道、狭窄航道等航道的设计和运行规划中，船舶航行仿真是一个非常有用的工具.目前的仿真系统大多依靠经验丰富的人类导航员来控制船舶.快速跟踪仿真很难在这些系统中使用，因此它们需要耗费大量的时间和资源.另一方面，船舶导航的自动仿真将能够克服这些问题.由于现代船舶的交通、速度和尺寸的增加，今天的水道和港口变得更加繁忙，航行环境也变得更加复杂.尽管在助航设备和设备方面取得了相当大的进步，但航道日益拥挤，导致海上事故的发生率仍然高得令人无法忍受.毫无疑问，碰撞是最严重的海洋事件之一,具有潜在灾难性后果的事故.船舶避碰的操作程序并不复杂，但需要航海家的充分关注和良好判断.在交通繁忙的地区尤其如此，如沿海地区和狭窄的海上通道.在这些地区，避免碰撞的可能性显著增加，可能发生碰撞的威胁增加，给导航员带来了更大的压力和工作负荷.一个自动船舶导航系统，可能作为一个咨询工具开始使用，将是一个有效的帮助船员作出很大贡献的安全和有效的导航.它将能够指导领航员确定船舶的安全和接近最佳的轨道.在未来，很有可能开发出值得信赖的“智能”机器，在没有人监督的情况下在水道和港口内驾驶船舶.本文仅涉及船舶航行的自动仿真.然而，无论是船舶导航自动仿真系统还是船舶导航自动系统，其关键因素之一就是智能决策能力.智能决策问题与船舶避碰操纵和航线规划有关.近年来，随着计算机硬件和软件算法的发展，船舶自动导航技术得到了深入的研究.Iijima和Hagiwara（1994）将专家系统应用于船舶自主导航中，以评估碰撞情况并做出决策.Smierzchalski（1996）采用进化算法为可能的碰撞场景开发船舶导航系统，伊藤等人（1999）采用遗传算法计算避碰导航路径，Harris等人（1999）提出了一种基于神经模糊网络模型的船舶避障智能制导控制系统，Hwang等人（2001）开发了一个采用模糊逻辑的避碰和航迹保持系统，Liu和Shi（2005）建立了船舶避碰的模糊神经网络模型，Yang等人（2007）开发了基于人工智能方法的船舶智能避碰决策系统，该系统结合了专家系统、解析几何和模糊逻辑的原理.总的来说，过去曾多次尝试使用不同的方法来开发自动导航系统，已有的研究大多能为船舶生成无碰撞路径，但工作还远未完成.例如，有些方法比较复杂和耗时，有些系统要么忽略国际海上避碰（COLREGS），要么无法详细描述复杂的碰撞情况.在现有的研究工作中，有三个重要问题没有得到有效的解决（Xue等人，2009年）：
- 航行规则，包括防止海上碰撞的规则和海员的正常做法，通常在航线规划中不考虑.
（b） 大多数拟议的方法只考虑在公海环境中（即路线规划过程中不涉及陆地）与其他船只（陌生船只）的相遇，并假定目标船只不会改变航线.
（c） 大多数研究工作能够模拟自己的船舶的运动，但假设所有其他交通在整个模拟过程中保持已知的行驶方向和速度.为了解决上述问题并模拟实际情况，例如当许多船舶同时使用固定水道时，需要一种新的方法.理想情况下，该方法应简单有效，同时利用该研究领域的最新技术，使用的操纵模型准确和安全的航行要求对船舶的操纵行为有准确的了解，为了在空间中完整地表示操纵船舶，需要一个六自由度的数学模型.为了简化这个问题，我们假设船舶的操纵可以被看作是在水平面上的刚体运动，这是惯例.因此，数学模型被简化为三个自由度.
在图1所示的全球坐标系和船舶坐标系下，运动方程可以写成（Fossen，1994）
其中m是船舶的质量；u，v分别代表纵荡速度和横荡速度；u，v分别代表纵荡和横荡加速度；r，r分别是横摆角速度和横摆加速度；X是在X方向施加在船舶上的力；Y是在Y方向施加在船舶上的力；IZ是船舶的横摆惯性矩；N是横摆力矩.力X，Y和力矩N可以表示为状态变量u，v，r及其时间导数u，v，r和舵角d：
这种包括纵荡、横荡和偏航的船舶模型提供足够的信息来显示船舶的操纵性能.
3. 势场法
在船舶寻线中的应用势场法是哈提卜（1986）在20世纪80年代首次用于双体船路径规划的.在这种方法中，在配置空间中定义的势场，使其在目标配置中具有最小的势场.当目标处于理想的最小值时，所有障碍物或墙壁都被视为高电位，在这样的电位场中，机器人被吸引到目标位置，并受到任何障碍物的冲击.这种方法特别吸引人，因为它的数学优雅和简单.此外，从计算的角度来看，不需要预先处理，并且该方法能够自动指示避免所有障碍所必需的动态行为.它允许在复杂环境中进行实时机器人操作，目前广泛应用于移动机器人的路径规划.当这种类型的航路规划在每一个时间点上使用时，例如在一个动态环境中，这个过程可以称为航路搜索船舶自主导航，Lee等人（2004）引入了基于虚拟场力（VFF）的模糊逻辑自主导航算法，该算法是从势场方法的概念出发的.Shi等人（2007）采用势场法中的流函数算法求解船舶自动导航问题
图2 势场路径查找
从某种意义上说，船舶寻路与移动机器人的路径规划类似.考虑在船的起点和终点之间的直接航线上的障碍物.在图2中，船要遵循的最短路线用蓝线（desiredtrack）表示.然而，实际的安全航线将被显示为实际航线，这条实际航线可以通过应用势场法来确定，因为船舶被拉向目的地，所以导致它的势能以重力势能的方式作用.任一点的总势能是由目标点引起的吸引势和由障碍物引起的排斥势之和
式中，U（B）是总势能；U（E）是由于对目的地的吸引而产生的势能；Urep（p）是由于障碍物的排斥而产生的势能；p表示水面上的最高点然后船舶受到由该势能场导出的力，如下所示
其中gd）.Fo=-梯度（U（p）.因为当它把船拉向目的地时，可能被称为吸引力：Frep是把船从障碍物中推开的排斥力.现在可以通过在任何给定位置上遵循总力的方向来找到可行的路径.通过将所有由障碍物引起的冲击力相加，可以计算出一个以上的障碍物
3.1吸引势函数
吸引势是船舶与目的地之间相对距离的函数.这个函数的主要特点应该是，当它们相距很远时，它的值会很高，但随后会逐渐减小，直到到达目的地时变为零.因此，吸引势函数可以写成如下
在时间t的船和目的地之间；o是一个标度正参数m 1s是一个正常数.相应的虚拟吸引力被定义为吸引势的负梯度
将（9）带入（10）
3.2. 排斥势函数
与目的地的吸引潜力不同，障碍物的排斥潜力是“局部的”，因为障碍物的影响区域仅限于其附近.此外，可以合理地假设，场地强度将从影响边界的0增加到障碍物本身的最大值（单位）.当潜在场方法用于移动机器人的路径规划时，在某些情况下发现了一个称为GNRON（）的问题.在船舶导航中应用潜在的航路搜索方法时，可能会经常遇到GNRON问题，必须对这种情况作出规定.例如，目标点（“target”）可以靠近其他结构（例如目标附近有障碍物无法到达，因此，具有全局最小电位的点可能不在目的地位置.因此，船不能到达正确的目标点.为了缓解这一问题，使用了以下形式的排斥势函数，并发现在这方面是令人满意的
式中，Ure（B）表示吸力产生的排斥势；n和n是常数；ps是船舶和障碍物表面之间的最短欧氏距离；po是描述障碍物影响范围的正切常数.与吸引力的定义类似，对应的“g”排斥力定义为脉冲电位在位置上的负梯度.
吸引势函数的形状可以用m的值来修改，吸引势场的强度可以通过改变a的值来修改
3.3总势函数
总势和总虚力可以从方程中得到.(7)和(8)
在有多个障碍物的情况下，排斥力由下式给出
其中nobs是障碍物的个数，是唯一的表示是第i个障碍物产生的排斥力.
以上各节描述的势场法流程图如图3所示.
3.4. 障碍物的表示
应用潜在现场法确定船舶航线的主要任务之一是障碍物的表示.它们可以由许多基本体表示，包括点、线和弧.主要是为了简单性和灵活性，本文选择了点基元.更大的障碍物，如海岸线和岛屿，可以表示为一系列的点障碍物明智地放置在边界上，如图4所示.开发了半自动生成点障碍物的实用程序，程序输出的屏幕截图示例如图5所示.
3.5. 潜在现场法的局限性
当势场法应用于船舶定线时，势场法固有的一些局限性在某些条件下显露出来，而这些局部极小问题和狭窄通道中的振荡是两个主要的缺陷（Koren和Borenstein，1991）.
作为局部最小限制的一个例子，考虑图6所示的情况，其中船舶正朝其目的地前进，并且与目的地完全一致的点障碍物存在.排斥力FREP和吸引力FATT将在直线上，没有垂直于船首的分量.在这种情况下，找不到安全的路线，船只会“卡住”在“局部最小值”的底部.如果船的初始航速不为零，这个问题很容易解决，只要在航向上给它一个小的初始偏差，就能使它脱离陷阱.如果由于任何原因，初始航速为零，并且出现局部极小问题，则在不改变航向的情况下，给船一个小的侧向位移.
对于狭窄航道的摆动限制，考虑图7所示的情况，船舶起点位置为(0，0)(Km)，目的地为(50，45)(Km)，航速为6.2m/s，Po的值设定为3 km.
在这种特殊的情况下，人们发现船在几次摆动后被困住了.这一限制可以通过以下两种方法克服：
- 如图8所示修改障碍点.在这种情况下，一个障碍点被移除，这似乎解决了这种特殊情况下的问题.
- (B)在图9中，排斥的领域的强度被修改，这似乎也解决了问题.
尽管在船舶航行中确实存在这些限制，但它们并不常见，因为大多数水道都有良好的fi内河航线，通常受到当地法律的严格管制.如果由于任何原因，这些情况确实发生在模拟中，则可以进行一些调整，尽管这意味着操作员的干预.
- 自动避碰
如前所述，许多避碰方法要么没有考虑到国际避碰规则，要么无法描述图1.5.生成障碍点的程序示例屏幕截图.(A)构建的地图和(B)具有由程序自动放置的障碍点的地图.
详细介绍复杂的海上遭遇情况.有时，这些系统推荐的航线与良好的航海或避碰规则所规定的背道而驰.此外，许多方法都与优化算法相关联，优化算法的目标是在预先确定的所提供的路点之间识别最优或接近最优的路线.然而，在某些情况下，如繁忙的航道和港口，除了静态障碍物外，移动障碍物的数量可能相当多，这使得预先确定的航路点在微导航情况下几乎毫无用处.在这种情况下，提前指定航点或在指定时严格遵守可能没有意义.因此，本研究的目的不是解决路线点集的优化问题，而是实时实现避碰.毕竟，这就是船长的操作方式.
对于海上船舶，也必须遵守航行规则，如碰撞规则(COLREGS).
4.1.确定可能发生碰撞的情况.
COLREGS 规定了航行和避碰规则.它们是海上的公路规则，对于避免碰撞是必不可少的，因此在整篇文章中都引用了这些规则.关于这些规则和其他规则的更多细节可以在Crockcroft和Lameijer(1996)中找到.
根据COLREGS的说法，导航员必须决定是否存在碰撞风险，如果存在，则确定为避免碰撞而进行的操作.类似地，自动导航系统fi必须自己决定是否存在这样的风险，如果存在，则采取措施避免它.由于没有明确的标准来确定何时碰撞风险高到足以引起关注，因此必须将碰撞检测算法形式化.为此，需要删除一些参数(定义的).
(A)避碰距离：避碰距离CA用于确定航行边界.这是两艘过往船只之间为避免碰撞而必须保持的可能的最小距离，定义在此表示.
其中LOW和LTA分别是自己船和陌生船的长度.这一判据也可以解释为自己船的中心点不与陌生船舶中心点的圆心相交半径的圆周，这一准则也可以被解释为本船的中心点不与陌生船舶的中心点相交.
(B)安全通过距离：在实际航行中，通常的做法是考虑到天气情况和水流等不确定因素，在谨慎的情况下尽可能宽地停泊任何障碍物.这可以简单地用安全系数、两艘船的相对速度容限和位置修正的可能误差容限来表示，如下所示：
其中CS是位置评估误差，f是安全系数，VR是两艘船的相对进场速度，T是操作员做出决定所需的时间.f的不同值可能是障碍.然而，情况变得更加严峻.
(C)碰撞检查范围：在某些情况下，多艘船舶可能在自己的船只附近.然而，并不是所有的人都可能处于潜在的碰撞情况.因此，避碰的一个重要问题是确定在什么情况下需要对碰撞危险进行评估，以便对完全不受碰撞危险的船舶进行fi评估.可以合理地假设，决定这一点的最关键因素
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[241291]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
