[科普中國]-船舶避障控制

必要性

不論是在開采海洋資源方面還是在海上運輸方面，船舶均需在海上航行才能完成任務(wù)。當(dāng)船舶在水面上航行時發(fā)生的與其他船舶、各種固定物體或者浮動物體之間都有可能發(fā)生碰撞，而這種碰撞將可能導(dǎo)致人身傷亡或者財產(chǎn)損失。因此，各個船舶之間的避碰以及對周圍障礙物的避障，已經(jīng)成為船舶完成任務(wù)過程中的一個極其重要的環(huán)節(jié)。

海上船舶碰撞事故的原因可以分為以下兩個方面1:

1.意外原因的碰撞

意外原因引起的碰撞是指船員己盡到謹慎責(zé)任、無違章，并充分運用了良好的駕駛技術(shù)，仍不可避免船舶碰撞的發(fā)生。例如:不可抗力的自然環(huán)境或者惡劣的自然天氣。

2.人為原因

由于人的自身原因而導(dǎo)致的船舶碰撞。比如:船員因持續(xù)性的工作造成身體和精神疲勞，以至于船舶航行時，駕駛員因精神不集中，而造成的船舶碰撞，或者駕駛員因不良習(xí)慣而違背嚴(yán)格且安全的避碰規(guī)則和船舶管理的規(guī)章制度等。

只有對障礙物或者其他船舶觀察清楚之后，然后選擇恰當(dāng)?shù)拇氨苷洗胧拍苡行У乇苷稀?/p>

避障方法在避障領(lǐng)域，由很多方法融合處理多種傳感器信息，讓船舶實現(xiàn)完美避障，比如人工勢場法避障控制法、模糊邏輯控制避障控制法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避障控制法、柵格法避障控制法以及聲波避障控制法等2。

1.人工勢場避障控制法人工勢場避障控制法，是一種比較簡單又新穎的做法，是另一種仿生學(xué)，仿照物理學(xué)中電勢和電場力的概念，建立船舶作空間中的虛擬勢場，按照虛擬勢場力方向，實現(xiàn)局部路徑規(guī)劃。通過構(gòu)造目標(biāo)位姿引力場和障礙物周圍斥力場共同作用的人工勢場，來搜索勢函數(shù)的下降方向，然后尋找無碰撞路徑。

人工勢場避障控制法對于簡單環(huán)境很有效，在動態(tài)避障控制中，人工勢場法避障控制不是很理想。因為在復(fù)雜的多障礙環(huán)境中，不合理的勢場數(shù)學(xué)方程容易產(chǎn)生局部極值點，導(dǎo)致船舶未到達目標(biāo)就停止運動，或者產(chǎn)生振蕩、擺動等現(xiàn)象。另外，傳統(tǒng)的人工勢場法著眼于得到一條能夠避障的可行路徑，還沒有研究出什么最優(yōu)路徑3。

2.模糊邏輯控制避障法模糊邏輯控制避障法出現(xiàn)得并不晚，1965年美國的一位教授就提出過模糊邏輯的概念。1974年，英國倫敦大學(xué)一位教授利用模糊控制語句組成的模糊控制器控制鍋爐和氣輪機的運行獲得成功，開始將模糊數(shù)學(xué)應(yīng)用于自動控制領(lǐng)域，包括船舶運動領(lǐng)域。

由于不必創(chuàng)建可分析的環(huán)境模型，目前模糊邏輯方法在解決船舶避開障礙物問題上己經(jīng)有了大量的研究工作。另一個獨特優(yōu)點也讓用專家知識調(diào)整規(guī)則成為可能，因為規(guī)則庫的每條規(guī)則具有明確的物理意義。

在模糊邏輯控制避障法中，模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心。當(dāng)前研究工作的新趨勢之一是它的漸增本質(zhì)，特別是在模糊控制規(guī)則的自動生成方面，即連同自動模糊數(shù)據(jù)獲取，給予算法在線模糊規(guī)則學(xué)習(xí)能力，數(shù)據(jù)獲取和規(guī)則生成均自動執(zhí)行。

3.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)避障控制法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由許多單元（又稱神經(jīng)元），按照一定的拓撲結(jié)構(gòu)相互連接而成的一種具有并行計算能力的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它具有較強的非線性擬合能力和多輸入多輸出同時處理的能力。用在船舶上，就是通過模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理信息的方式，從另一個研究角度來獲取具有人腦那樣的信息處理能力。

對于船舶來說，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行信息融合有一個最大優(yōu)勢，即可大規(guī)模地并行處理和分布式信息存儲，具有良好的自適應(yīng)、自組織性，以及很強的學(xué)習(xí)功能、聯(lián)想功能和容錯功能，接近人腦的信息處理模式。

4.柵格法避障控制法柵格法避障控制法屬于用啟發(fā)式算法在單元中搜索安全路徑。賦予每個柵格一個通行因子后，路徑規(guī)劃問題就變成在柵格網(wǎng)上尋求兩個柵格節(jié)點間的最優(yōu)路徑問題。搜索過程多采用四叉樹或八叉樹表示工作空間。

柵格法以基本元素為最小柵格粒度，將地圖進行柵格劃分，比如基本元素位于自由區(qū)取值為0，處在障礙物區(qū)或包含障礙物區(qū)為1，直到每個區(qū)域中所包含的基本單元全為0或全為1，這樣在計算機中就較容易建立一幅可用于路徑規(guī)劃的地圖。

柵格粒度越小，障礙物的表示會越精確，也就更好避障。但往往會占用大量的儲存空間，而且算法也將按指數(shù)增加。

5.激光雷達避障控制法近年來，激光雷達在船舶導(dǎo)航中的應(yīng)用日益增多。這主要是由于基于激光的距離測量技術(shù)具有很多優(yōu)點，特別是其具有較高的精度。

激光雷達與其它距離傳感器相比，能夠同時考慮精度要求和速度要求，這一點特別適用于船舶領(lǐng)域。此外，激光雷達不僅可以在有環(huán)境光的情況下工作，也可以在黑暗中工作，而且在黑暗中測量效果更好。不過，該傳感器也有一些相應(yīng)的缺點，比如安裝精度要求高、價格比較昂貴等。