[发明专利]基于操纵性建模的船舶智能避碰系统及方法

摘要

本发明提供一种基于操纵性建模的船舶智能避碰系统，包括状态感知子系统，获取船舶自身的状态参数和障碍物的位置信息；操纵性建模模块将获得船舶自身的状态参数进行处理，构造成样本对，进行船舶操纵性在线建模，实时预测在所有可行的操纵下船舶下一时刻可能到达的位置；智能避碰模块结合障碍物的位置信息、二值化可航行区域信息和海上避碰规则进行动态路径规划，在路径规划中将操纵性建模模块所预测的船舶下一时刻可能到达的位置作为约束，输出合理的规划路径点序列，解耦成航向跟踪序列和航速跟踪序列；分别跟踪所规划的实时航向和航速。本发明从船舶自身操纵性在线预测的基础上实现船舶的智能避碰决策，实现船舶的安全自主航行。

主权项

1.利用基于操纵性建模的船舶智能避碰系统实现的智能避碰方法，其特征在于：基于操纵性建模的船舶智能避碰系统包括：安装在船端的状态感知子系统，包括船舶自身状态感知单元和障碍物状态感知单元，船舶自身状态感知单元用于获取船舶自身的状态参数，障碍物状态感知单元用于获取探测范围内的障碍物的位置信息；与状态感知子系统相连的处理服务器子系统，包括操纵性建模模块和智能避碰模块；操纵性建模模块用于将获得船舶自身的状态参数进行处理，构造成样本对，进行船舶操纵性在线建模，并根据建立的操纵性模型实时预测在所有可行的操纵下船舶下一时刻可能到达的位置；智能避碰模块用于结合障碍物的位置信息、二值化可航行区域信息和海上避碰规则进行动态路径规划，并在路径规划中将操纵性建模模块所预测的船舶下一时刻可能到达的位置作为约束，输出合理的规划路径点序列，然后使用视距导航解耦成航向跟踪序列和航速跟踪序列；执行机构控制子系统，用于实时接收航向跟踪序列和航速跟踪序列，并传递给自动舵和车中控制器，分别跟踪所规划的实时航向和航速；本方法包括：状态感知子系统实时感知获取船舶自身的状态参数，以及探测范围内的障碍物的位置信息；周期性的计算船舶实际状态与所预报的船舶运动状态之间的误差；当该误差小于或等于设定阈值时，采用训练好的操纵性模型实时预测在所有可行的操纵下船舶下一时刻可能到达的位置； 当该误差大于设定阈值时，认为船舶操纵性发生改变，对操纵性模型重新进行模型训练至预报精度达到预设要求，再实时预测在所有可行的操纵下船舶下一时刻可能到达的位置；结合障碍物的位置信息、二值化可航行区域信息和海上避碰规则进行动态路径规划，并在路径规划中将所预测的船舶下一时刻可能到达的位置作为约束，输出合理的规划路径点序列，然后使用视距导航解耦成航向跟踪序列和航速跟踪序列，传递给自动舵和车中控制器，分别跟踪所规划的实时航向和航速；在上述方法中，所述的操纵性模型通过以下方式训练：将船舶自身状态信息进行处理，构造样本对，当采集到的样本对达到预设数量之后，将样本对分为训练样本和验证样本两部分，使用机器学习算法对训练样本进行船舶操纵性建模，具体是建立船舶下一时刻状态量关于前一时刻状态量和控制量的函数关系模型，即为所述的操纵性模型；模型训练后使用验证样本进行操纵性预报和验证，当预报精度达到预设要求时，模型训练完毕。