[科普中国]-船舶避障控制

必要性

不论是在开采海洋资源方面还是在海上运输方面，船舶均需在海上航行才能完成任务。当船舶在水面上航行时发生的与其他船舶、各种固定物体或者浮动物体之间都有可能发生碰撞，而这种碰撞将可能导致人身伤亡或者财产损失。因此，各个船舶之间的避碰以及对周围障碍物的避障，已经成为船舶完成任务过程中的一个极其重要的环节。

海上船舶碰撞事故的原因可以分为以下两个方面1:

1.意外原因的碰撞

意外原因引起的碰撞是指船员己尽到谨慎责任、无违章，并充分运用了良好的驾驶技术，仍不可避免船舶碰撞的发生。例如:不可抗力的自然环境或者恶劣的自然天气。

2.人为原因

由于人的自身原因而导致的船舶碰撞。比如:船员因持续性的工作造成身体和精神疲劳，以至于船舶航行时，驾驶员因精神不集中，而造成的船舶碰撞，或者驾驶员因不良习惯而违背严格且安全的避碰规则和船舶管理的规章制度等。

只有对障碍物或者其他船舶观察清楚之后，然后选择恰当的船舶避障措施，才能有效地避障。

避障方法在避障领域，由很多方法融合处理多种传感器信息，让船舶实现完美避障，比如人工势场法避障控制法、模糊逻辑控制避障控制法、人工神经网络避障控制法、栅格法避障控制法以及声波避障控制法等2。

1.人工势场避障控制法人工势场避障控制法，是一种比较简单又新颖的做法，是另一种仿生学，仿照物理学中电势和电场力的概念，建立船舶作空间中的虚拟势场，按照虚拟势场力方向，实现局部路径规划。通过构造目标位姿引力场和障碍物周围斥力场共同作用的人工势场，来搜索势函数的下降方向，然后寻找无碰撞路径。

人工势场避障控制法对于简单环境很有效，在动态避障控制中，人工势场法避障控制不是很理想。因为在复杂的多障碍环境中，不合理的势场数学方程容易产生局部极值点，导致船舶未到达目标就停止运动，或者产生振荡、摆动等现象。另外，传统的人工势场法着眼于得到一条能够避障的可行路径，还没有研究出什么最优路径3。

2.模糊逻辑控制避障法模糊逻辑控制避障法出现得并不晚，1965年美国的一位教授就提出过模糊逻辑的概念。1974年，英国伦敦大学一位教授利用模糊控制语句组成的模糊控制器控制锅炉和气轮机的运行获得成功，开始将模糊数学应用于自动控制领域，包括船舶运动领域。

由于不必创建可分析的环境模型，目前模糊逻辑方法在解决船舶避开障碍物问题上己经有了大量的研究工作。另一个独特优点也让用专家知识调整规则成为可能，因为规则库的每条规则具有明确的物理意义。

在模糊逻辑控制避障法中，模糊控制规则是模糊控制的核心。当前研究工作的新趋势之一是它的渐增本质，特别是在模糊控制规则的自动生成方面，即连同自动模糊数据获取，给予算法在线模糊规则学习能力，数据获取和规则生成均自动执行。

3.人工神经网络避障控制法人工神经网络是由许多单元（又称神经元），按照一定的拓扑结构相互连接而成的一种具有并行计算能力的网络系统，它具有较强的非线性拟合能力和多输入多输出同时处理的能力。用在船舶上，就是通过模拟人脑神经网络处理信息的方式，从另一个研究角度来获取具有人脑那样的信息处理能力。

对于船舶来说，采用人工神经网络进行信息融合有一个最大优势，即可大规模地并行处理和分布式信息存储，具有良好的自适应、自组织性，以及很强的学习功能、联想功能和容错功能，接近人脑的信息处理模式。

4.栅格法避障控制法栅格法避障控制法属于用启发式算法在单元中搜索安全路径。赋予每个栅格一个通行因子后，路径规划问题就变成在栅格网上寻求两个栅格节点间的最优路径问题。搜索过程多采用四叉树或八叉树表示工作空间。

栅格法以基本元素为最小栅格粒度，将地图进行栅格划分，比如基本元素位于自由区取值为0，处在障碍物区或包含障碍物区为1，直到每个区域中所包含的基本单元全为0或全为1，这样在计算机中就较容易建立一幅可用于路径规划的地图。

栅格粒度越小，障碍物的表示会越精确，也就更好避障。但往往会占用大量的储存空间，而且算法也将按指数增加。

5.激光雷达避障控制法近年来，激光雷达在船舶导航中的应用日益增多。这主要是由于基于激光的距离测量技术具有很多优点，特别是其具有较高的精度。

激光雷达与其它距离传感器相比，能够同时考虑精度要求和速度要求，这一点特别适用于船舶领域。此外，激光雷达不仅可以在有环境光的情况下工作，也可以在黑暗中工作，而且在黑暗中测量效果更好。不过，该传感器也有一些相应的缺点，比如安装精度要求高、价格比较昂贵等。