【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及交通运输，具体而言，尤其涉及一种基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法。
技术介绍
1、人工势场法(artificial potential field,apf)是一种结构简单、计算速度快的路径规划算法，在船舶避碰领域中应用较为广泛。然而，传统的apf存在容易陷入局部最优、忽略《国际海上避碰规则》(colregs)对船舶避碰行动的约束等缺点，不适用于较为复杂的船舶会遇场景。值得注意的是，多年来国内外学者相继在apf的改进方面进行了卓有成效的研究，但是绝大多数的研究工作都倾向于使用目标间的实时距离构建人工势场，缺乏对目标间最小通过距离的预测。并且在避碰中忽略了船舶操纵性的影响。
2、然而，当船舶避碰时船舶操纵性是影响避碰行动效果的重要因素，不能被轻易忽略。近年来，有研究结合非线性模型预测控制(nonlinear model predictive control,nmpc)和人工势场法提出了一种船舶运动规划方法，不仅克服了传统apf容易陷入局部最优的缺点，而且所规划的路径符合船舶操纵运动特性。然而，该方法采用了较为简单的响应型船舶操纵运动数学模型，该模型更适合描述小舵角的船舶动力学特性，而在描述大舵角下的船舶动力学特性时，精度上稍显不足。此外，该方法所需要的计算时间也较长。
技术实现思路
1、根据上述提出的技术问题，本专利技术运用动态避碰要素数学模型计算本船与目标船的避碰要素，并以此为主要指标提出改进的人工势场法。引入事件触发机制，并将
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，当触发条件满足时，执行非线性模型预测控制过程，否则，保持控制输入，其中，所述非线性模型预测控制过程，包括：
4、s1、根据船舶当前状态预测未来一段时间内的船舶状态，根据目标点信息计算每一时刻的引力势场；
5、s2、采用避碰要素动态数学模型，计算每一时刻两船间的dcpa和tcpa；
6、s3、由iapf计算出对应的斥力势场；
7、s4、将所有时刻的势场总和作为nmpc的目标函数，在考虑系统约束情况下求解最优输入序列使目标函数值最优，将最优输入序列的第一个输入量作用到船舶操纵运动数学模型计算下一时刻的船舶状态，并判断本船是否抵达目标点；
8、s5、重复执行步骤s1至步骤s4，得到整个避碰过程中本船的操舵方案。
9、进一步地，所述步骤s1中，引力势场uatt(p)采用以下函数表示：
10、
11、式中，katt表示引力势场系数，pos和pg分别表示本船的位置和目标点的位置，ρ(pos,pg)表示本船与目标点之间的距离。
12、进一步地，所述步骤s2，具体包括：
13、s21、定义在空间固定坐标系o0-x0y0z0中，x0o0y0平面是水面，x0和y0分别指向地球的正东和正北方向，在x0o0y0平面中，坐标点o(xo,yo)和t(xt,yt)分别是本船和它船实时船中位置，ψo、ro、δo、uo、vmo和uo分别是本船实时的船首向、转首角速度、舵角、前进速度、船中横向速度和合速度，ψt、rt、δt、ut、vmt和ut分别是它船实时运动参数；
14、s22、设本船船中初始位置为o0(xo0,yo0)，初始船首向为ψo0，两船初始会遇距离为r0，它船相对于本船的初始相对方位角为αr0，则它船的初始位置t0(xt0,yt0)为：
15、
16、s23、避碰时，在采取转向行动后时刻t，计算本船和它船的位置：
17、
18、
19、s24、基于本船视角，沿着x0和y0轴方向，计算它船相较于本船的距离：
20、δx(t)＝xt(t)-xo(t)，δy(t)＝yt(t)-yo(t)
21、s25、计算它船相对于本船的相对速度：
22、
23、s26、计算两船的距离：
24、
25、同时它船相对于本船的相对速度、方位和船首向分别为：
26、
27、
28、
29、其中，
30、s27、在以上步骤的基础上，计算每一时刻两船间的最小会遇距离dcpa和最短会遇时间tcpa：
31、
32、进一步地，所述步骤s3，具体包括：
33、s31、当最近会遇点在本船左舷时两船间的dcpa为负值，在右舷时两船间的dcpa为正值，则对遇和交叉相遇两种会遇场景下的斥力势场urep(p)表示为：
34、
35、其中，krep表示引力势场系数，ρdcpa和ρtcpa表示提前设定的正值；
36、s32、当最近会遇点在本船左舷时两船间的dcpa为负值，在右舷时两船间的dcpa为正值，则追越场景下的斥力势场urep(p)表示为：
37、
38、s33、假设本船在i时刻受到nt个目标船的斥力势场影响，并且仅受到一个目标点的引力势场影响，则在i时刻本船所在位置的总势场uf,i为：
39、
40、其中，ug,i表示在i时刻目标点产生的引力势场，ut,i,n表示i时刻第n个目标船产生的斥力势场。
41、进一步地，所述步骤s4，具体包括：
42、s41、构建自由度分离型船舶操纵运动数学模型；
43、s42、设计非线性模型预测控制的目标函数。
44、进一步地，所述步骤s41，具体包括：
45、s411、将船舶的位置(x,y)在空间固定坐标系的变化表示为：
46、
47、其中，ψ、u、r分别表示船舶的船首向、前进速度、转首角速度；
48、s412、计算船舶重心横向速度v、船中处漂角β和船舶合速度u，计算公式如下：
49、
50、其中，vm表示船中横向速度，xg表示船舶重心位置；
51、s413、构建标准化3自由度mmg模型，如下：
52、
53、其中，m表示船舶质量，mx和my分别表示船舶纵向附加质量和船舶横向附加质量，x、y和n分别表示船中纵向力、横向力和转首力矩，下标h、r和p分别表示作用于船体、螺旋桨和舵的水动力；xh、yh和nh分别表示船体水动力，xp表示螺旋桨推进力，xr、yr和nr分别表示操舵时舵力，如下：
54、
55、
56、
57、其中，ρ表示水密度，lpp表示船舶两柱间长，d表示船舶吃水，v′m和r′表示无量纲值，tp表示推力减额系数，np表示螺旋桨转速，dp表示螺旋桨直径，kt0、kt1和kt2表示螺旋桨敞水试验系数，jp表示进速系数，wp0表示船舶直航时本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，当触发条件满足时，执行非线性模型预测控制过程，否则，保持控制输入，其中，所述非线性模型预测控制过程，包括：
2.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述步骤S1中，引力势场Uatt(p)采用以下函数表示：
3.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述步骤S2，具体包括：
4.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述步骤S3，具体包括：
5.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述步骤S4，具体包括：
6.根据权利要求5所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述步骤S41，具体包括：
7.根据权利要求5所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的
8.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述触发条件定义为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，当触发条件满足时，执行非线性模型预测控制过程，否则，保持控制输入，其中，所述非线性模型预测控制过程，包括：
2.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述步骤s1中，引力势场uatt(p)采用以下函数表示：
3.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策方法，其特征在于，所述步骤s2，具体包括：
4.根据权利要求1所述的基于改进人工势场法和事件触发模型预测控制的船舶避碰辅助决策...
【专利技术属性】
技术研发人员：王欣，李海滨，吴天昊，刘达培，杨天宇，倪生科，刘正江，李铁山，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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