[发明专利]一种基于虚拟力的船舶导航方法

权利要求书

1.一种基于虚拟力的船舶导航方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过虚拟力场法确定所有虚拟力的方向；

S2、定性分析虚拟力的大小和定量计算虚拟力的大小；

定性分析虚拟力的大小具体是将目标船与本船会遇过程分为四个阶段：阶段一、最初没有碰撞危险阶段；阶段二、碰撞危险形成阶段；阶段三、紧迫局面形成阶段；阶段四、紧迫危险形成至最后碰撞阶段；设目标点对本船的引力为1，方向由本船指向目标点；

当两船处于阶段一时，本船驾驶人员能够通过瞭望观测到目标船，心中会留意该船的情况，此时目标船对本船存在很小的虚拟力，且随两船距离的减小而增加；

当两船处于阶段二时，目标船已经对本船构成了一定的碰撞危险，因而对本船存在一定的虚拟斥力，大小为0至1之间，但本船所受最大的虚拟力仍为目标点对船舶的引力；

当两船处于阶段三时，紧迫局面已经形成，此时本船的目标已经从到达目标点变为如何摆脱紧迫危险，因而目标点对本船的虚拟引力为0，本船只受到目标船的虚拟斥力，且此时的虚拟斥力为最大值1；

当两船处于阶段四时，无论采取何种措施都无法避免船舶碰撞，但驾驶人员仍处于尽量想避开目标船的行为中，此时本船所受到的虚拟力与阶段三一致；

定量计算虚拟力的大小分为两种情况：不考虑风和流的实际荷载的影响；考虑风和流的实际荷载的影响；

不考虑风和流的实际荷载的影响的情况下，定量计算目标船对本船虚拟力的大小具体包括如下：

S21、设本船O的坐标为(x₀，y₀)，航速为v₀、航向为根据几何关系得，本船的船速在x轴和y轴的分量为：

S22、设目标船T的坐标为(x_T，y_T)、航速为V_T、航向为根据几何关系得，目标船的船速在x轴和y轴的分量为：

S23、计算本船与目标船之间的距离：

目标船在x轴和y轴的相对速度如下：

两船的相对速度大小如下：

两船的船速比如下：

两船之间的距离如下：

S24、计算本船与目标船的相对方位：

以本船O为中心，目标船T的真方位如下：

其中，a₁代表目标船T的初始方位，a₁由(x_T-x₀)项确定正负；

目标船T与本船的相对方位如下：

S25、目标船T与本船O的航向交角：

S26、目标船T与本船O沿当前航向航行时的会遇距离：

其中，代表两船的相对速度的航向；

S27、目标船T与本船O的会遇时间：

S28、确定目标船对本船虚拟力的大小：

参数组成的目标因素集：

U＝[D,T,R_T,θ'_T,K]                    (12)

目标船的评语集：

V＝[r₁,r₂]                       (13)

其中，r₁表示目标危险，r₂表示目标安全；

目标因素的具体权重分配：

其中，a_D+a_T+a_RT+a_θ’T+a_K＝1；

目标评判矩阵为：

其中，r_D、r_T、r_RT、r_θ’T、r_K均属于[0，1]，r_D、r_T、r_RT、r_θ’T、r_K表示目标船的危险隶属度，为目标船的各个参数对本船危险程度的大小；目标综合评判结果写为E＝A×R；

得出：

E满足归一化条件，目标船碰撞危险度为：

其中，e指“目标危险”的评判结果，即为目标船碰撞危险度；1-e指目标船安全度；

综上，目标船对本船虚拟力的大小为：

考虑风和流的实际荷载的影响，具体是指：在本船上只进行虚拟力的分析和合成，把风和流的实际荷载对本船的影响转移到目标船上，使得目标船除了自身受到风和流的实际荷载影响外，还受到本船的风和流的实际荷载叠加带来的影响，即，通过风和流的实际荷载对目标船的两次影响来得到目标船的新位置，再分析目标船对本船虚拟力的大小和方向；

S3、通过矢量三角形合成法将已知方向和大小的所有虚拟力进行合成，得到虚拟力合力；

当目标船大于1艘时，将多船会遇设为多个本船与目标船会遇过程的叠加，将本船与静态障碍物会遇设为目标船速度为0的情况，将虚拟障碍物设为位于船舶在两侧航道上垂直投影点上的静态障碍物；

通过矢量三角形合成法将已知方向和大小的所有虚拟力进行合成，合力大小如下：

其中，F_合为本船虚拟力合力，I为障碍物总数，F_i为第i个障碍物对本船的虚拟力，F_T为船舶最终或阶段性目标驱动力，虚拟力合力的方向为各个虚拟力经矢量三角形方法合成后所得到的最终方向；

S4、船舶按照虚拟力合力的方向进行航行。