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基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究

李光泽 俞万能 廖卫强 吴川博

李光泽, 俞万能, 廖卫强, 等. 基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究[J]. 中国舰船研究, 2024, 19(1): 1–8 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03240
引用本文: 李光泽, 俞万能, 廖卫强, 等. 基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究[J]. 中国舰船研究, 2024, 19(1): 1–8 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03240
LI G Z, YU W N, LIAO W Q, et al. Obstacle avoidance algorithm for ships in complex waters based on dynamic window approach[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2024, 19(1): 1–8 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03240
Citation: LI G Z, YU W N, LIAO W Q, et al. Obstacle avoidance algorithm for ships in complex waters based on dynamic window approach[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2024, 19(1): 1–8 doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03240

基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.03240
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(52171308);福建省科技厅重点项目资助(2021H0021);福建省自然科学基金面上基金资助项目(2022J01333)
详细信息
    作者简介:

    李光泽,男,1999年生,硕士生。研究方向:智能全电船避障控制,船舶电力推进及控制。E-mail:1553881592@qq.com

    俞万能,男,1970年生,博士,教授。研究方向:船舶电力推进及控制,多能源船舶微网系统,船舶智能控制。E-mail:wnyu2007@jmu.edu.cn

    廖卫强,男,1976年生,博士,副教授。研究方向:船舶微网能量优化技术,全电船自主航行技术。E-mail:wq_liao@jmu.edu.cn

    吴川博,男,1998年生,博士生。研究方向:智能全电船避障控制,船舶电力推进及控制。E-mail:449107440@qq.com

    通信作者:

    廖卫强

  • 中图分类号: U664.82

Obstacle avoidance algorithm for ships in complex waters based on dynamic window approach

知识共享许可协议
基于动态窗口法的近海水域船舶避障算法研究李光泽,等创作,采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。
  • 摘要:   目的  提出一种改进的动态窗口法,以解决近海水域智能船舶在面对夹击及动静混合会遇时无法有效避让的船舶避障问题。  方法  为得到在近海水域航行的船舶约束条件,针对近海水域对船舶避障的影响因素进行分析,同时提出近海水域船舶航行最低避障要求;然后对动态窗口法(DWA)的目标函数进行优化改进,并将其与船舶和障碍物的距离相关联,以提升船舶在航行图中的安全性,同时将目标函数中的航向权值引入船舶会遇态势判断,以使目标船舶可以有效判断船舶的避障责任;最后,通过仿真模拟验证改进算法的有效性。  结果  仿真结果表明,所提的改进算法在分别遭遇夹击以及复杂会遇的情况下,能够清晰地判断船舶的避障责任,降低航行过程中的速度变化陡峭度,且所规划的船舶航行路径可以有效提升船舶运行安全性。  结论  所提避障算法可为解决近海水域智能船舶遭遇复杂会遇情景的避碰失败问题提供参考。
  • 图  动态窗口法的搜索空间

    Figure  1.  Search space of DWA

    图  采用动态窗口法时遭遇夹击会遇场景避碰失败示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of encounter scenario avoidance failure when using the DWA

    图  船只会遇态势判断

    Figure  3.  Judgment of ship encounter situation

    图  改进动态窗口算法流程图

    Figure  4.  Flow chart of improved DWA

    图  仿真环境

    Figure  5.  Simulation environment

    图  采用3种算法所得仿真结果

    Figure  6.  Simulation results by using three algorithms

    图  仿真运行过程中的遭遇距离及对应时间对比图

    Figure  7.  Comparison of distance and corresponding time during the simulation run

    图  仿真运行时速度及运行时间对比图

    Figure  8.  Speed and running time comparison chart during simulation run

    表  初始参数设定

    Table  1.  Initial parameter setting

    参数数值参数数值
    vmin /(m·s−1)0$ {\omega }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $/rad$ {\text{π}}/6 $
    vmax /(m·s−1)5$ \dot{\omega } $/(rad·s−1)$ {\text{π}}/36 $
    $ \dot{v} $/(m·s−2)2T$ 0.2 $
    $ {\omega }_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}} $/rad$ -{\text{π}}/6 $Dx$ 0.2 $
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    表  3种算法在仿真运行时的步长及耗时对比

    Table  2.  Comparison of step size and time of three algorithms

    算法步长/步运行耗时/s
    39734.7
    34530.4
    29222.6
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    表  应用3种算法的仿真航行速度陡峭程度对比

    Table  3.  Comparison of the speed steepness of the three algorithms

    算法陡峭程度$ {\boldsymbol{\theta }}_{1} \left(\tan \left( \dfrac{{\Delta\boldsymbol{u}}_{1}}{{\Delta\boldsymbol{t}}_{1}} \right)\right)$陡峭程度$ {\boldsymbol{\theta }}_{2} \left(\tan \left( \dfrac{\Delta {\boldsymbol{u}}_{2}}{\Delta {\boldsymbol{t}}_{2}} \right)\right)$
    0.003 750.001 94
    0.001 850.000 92
    0.001 970.000 58
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-01-05
  • 修回日期:  2023-07-11
  • 网络出版日期:  2023-08-28

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