基于模型预测人工势场的船舶运动规划方法，考虑复杂遭遇场景下的COLREG附Matlab代码

最新推荐文章于 2025-06-26 10:46:42 发布

matlab科研助手

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🔥 内容介绍

在全球化的浪潮下，全球航运业迎来了前所未有的繁荣。随着国际贸易的蓬勃发展，海上运输作为货物运输的重要方式，承载着全球 90% 以上的贸易量，船舶交通密度与日俱增。在一些繁忙的航道，如马六甲海峡、苏伊士运河以及欧洲北海海域，每天都有大量不同类型、不同吨位的船舶穿梭往来，船舶之间的距离被不断压缩，航行环境变得异常复杂。

然而，繁荣背后也隐藏着危机。近年来，海上交通事故频发，给生命财产安全和海洋环境带来了巨大的损失。从船只碰撞到触礁搁浅，每一起事故都敲响了海上安全的警钟。据国际海事组织（IMO）的统计数据显示，每年全球范围内发生的海上事故多达数千起，其中不乏造成重大人员伤亡和巨额经济损失的恶性事件。2024 年，在某重要航道发生的一起多船连环碰撞事故，涉及 5 艘大型商船，事故不仅导致船舶严重受损，货物大量损失，还造成了周边海域的交通瘫痪，救援和清理工作耗费了巨大的人力、物力和时间成本。

传统的船舶运动规划方法在应对这种复杂场景时显得力不从心。这些方法大多基于静态环境假设，依赖预先设定的航线和简单的避碰规则，难以适应动态变化的海洋环境和复杂的船舶交互情况。在多船相遇的场景中，当多艘船舶的航向、速度和位置不断变化时，传统方法往往无法及时准确地计算出最佳的避让策略，容易导致船舶之间的冲突加剧。在狭水道航行时，狭窄的水域空间和复杂的水流条件，也对船舶的操控和路径规划提出了极高的要求，传统方法难以在保障安全的同时兼顾航行效率。而在恶劣气候条件下，如暴雨、大雾、强风等，船舶的视线受阻，运动状态受到严重影响，传统的运动规划方法更是难以发挥作用，使得船舶面临更高的风险。

在这样的背景下，如何提高船舶在复杂场景下的运动规划能力，确保航行安全和效率，成为了航海领域亟待解决的关键问题。基于模型预测人工势场（MPAPF）的船舶运动规划方法应运而生，为解决这一难题提供了新的思路和方向。

船舶运动规划 “智囊团”：相关理论速览

在深入探讨基于模型预测人工势场的船舶运动规划方法之前，有必要先对其涉及的关键理论进行梳理，这些理论如同船舶航行的 “智囊团”，为船舶在复杂海洋环境中的安全、高效航行提供了重要的支撑。它们相互协作，从不同角度为船舶运动规划提供了规则、预测和引导，共同构成了船舶运动规划的理论基础。

（一）COLREGs：船舶航行的 “安全宝典”

COLREGs，即《国际海上避碰规则》（International Regulations for Preventing Collisions at Sea），由国际海事组织（IMO）精心制定，是船舶在公海和连接公海可供海船航行的一切水域中必须遵循的行为准则。其内容涵盖了船舶在各种会遇情况下的行动准则，对船舶的瞭望、安全航速、避碰行动、信号显示等方面都做出了详细而明确的规定。在对遇局面中，两船应各自向右转向，以避免正面碰撞；在交叉相遇局面中，规定了让路船和直航船的责任和行动，让路船应及早采取大幅度的转向行动，宽裕地让清他船。

这些规则就像海上交通的 “交通规则”，为船舶的安全航行提供了基本的保障，有效减少了船舶碰撞事故的发生概率。据相关统计数据显示，在严格遵守 COLREGs 的情况下，船舶碰撞事故的发生率明显降低。在某些繁忙航道实施严格的 COLREGs 监管后，船舶碰撞事故发生率降低了 30% 以上。然而，COLREGs 在实际应用中也面临着一些挑战。由于规则的描述较为笼统，在复杂遭遇场景下，如多船相遇、狭水道航行、恶劣海况等，单纯依靠航海人员对 COLREGs 的理解和人工判断执行，难以保证航行的安全性和效率，甚至可能导致误判和碰撞事故。在多船相遇的复杂场景中，航海人员可能会因为局面过于复杂，难以准确判断各船的避让责任和行动时机，从而增加碰撞的风险。

（二）MPC：预测未来的航行 “军师”

模型预测控制（Model Predictive Control，MPC），其核心思想是利用预测模型对系统未来一段时间内的状态进行精准预测，并依据预测结果对控制策略进行优化，从而使系统能够达到期望的目标。在船舶运动规划领域，MPC 通过船舶的运动学或动力学模型，充分考虑船舶的运动方程、控制输入（如舵角、推进力）以及环境干扰（如风浪流）等因素，对船舶在未来一段时间内的运动轨迹进行预测。然后，基于预测结果，MPC 计算出相应的控制输入（u, v, r），这些控制输入能够使船舶沿着预定的航行目标前进。

MPC 的优势在于其强大的处理非线性和不确定性的能力。船舶在海上航行时，会受到各种复杂因素的影响，其运动呈现出明显的非线性和不确定性。MPC 能够在每个控制周期内，根据当前的船舶状态和环境信息，实时调整控制策略，以适应这些变化，从而确保船舶的航行安全和效率。在面对风浪流等环境干扰时，MPC 可以及时调整舵角和推进力，使船舶保持在预定的航线上，避免偏离航线或发生危险。

（三）APF：船舶路径的 “引力向导”

人工势场法（Artificial Potential Field，APF），将船舶周围的环境巧妙地视为一个势场。在这个势场中，目标点会产生引力势场，就像一个强大的磁石，吸引着船舶朝着目标点不断移动；而障碍物和其他船舶则会产生斥力势场，如同无形的盾牌，阻止船舶靠近。船舶在航行过程中，会受到引力和斥力的共同作用，其合力决定了船舶的运动方向。当船舶靠近障碍物时，斥力势场会增强，使船舶改变航向，避开障碍物；而引力势场则始终引导船舶朝着目标点前进。

这种方法具有计算效率高、路径平滑等优点，能够直观地表示船舶周围环境的风险，为船舶的避碰和路径规划提供了有效的手段。然而，APF 也存在一些缺点，其中最突出的问题是在复杂环境中容易陷入局部最优。当目标点被障碍物包围时，船舶可能会在局部区域内徘徊，无法找到通向目标点的最佳路径，导致规划失败。这就需要对 APF 进行改进，或者与其他方法相结合，以提高其在复杂环境下的性能。

MPAPF：船舶运动规划的 “智慧大脑”

基于模型预测人工势场（MPAPF）的船舶运动规划方法，犹如船舶航行的 “智慧大脑”，为船舶在复杂海洋环境中的安全、高效航行提供了有力的支持。它巧妙地融合了模型预测控制和人工势场法的优势，通过建立精确的船舶运动学模型，对船舶的运动进行精准预测和优化，同时构建虚拟力场，引导船舶避开障碍物，朝着目标点前进，并充分考虑 COLREGs 规则，确保船舶在复杂遭遇场景下的航行安全。下面将详细介绍其核心构成。

（一）搭建船舶运动的 “数字骨架”：运动学模型

建立精确的船舶运动学模型是 MPAPF 方法的基础，它如同搭建船舶运动的 “数字骨架”，为后续的运动规划提供了关键的支撑。船舶在海洋中航行时，会同时进行纵向、横向和首摇运动，这些运动相互关联，受到船舶自身的物理特性、操纵输入以及外界环境因素的综合影响。为了准确描述船舶的运动状态，通常采用非线性船舶运动学模型。

以常见的三自由度船舶运动学模型为例，它通过三个方向的运动方程，分别描述了船舶在纵向（前进或后退）、横向（左右移动）和首摇（绕垂直轴旋转）方向上的运动变化。这些方程不仅考虑了船舶的速度、加速度等运动参数，还纳入了船舶的质量、惯性矩等物理参数，以及舵角、推进力等操纵输入参数。通过对这些参数的精确测量和合理设置，模型能够较为准确地模拟船舶在不同工况下的运动特性。在船舶加速前进时，模型可以根据推进力的大小和方向，计算出船舶的纵向加速度和速度变化；当船舶进行转向操作时，模型能够根据舵角的变化，预测船舶的首摇角度和横向位移。

这样的非线性模型能够更真实地反映船舶运动的复杂性，为船舶运动规划提供了更准确的基础数据。与简单的线性模型相比，它能够更好地处理船舶在高速航行、大幅度转向等情况下的非线性运动特性，提高了运动规划的精度和可靠性。在船舶高速行驶时，线性模型可能无法准确描述船舶的运动状态，导致规划出的路径与实际情况偏差较大；而非线性模型则能够充分考虑船舶的惯性、水动力等因素，更准确地预测船舶的运动轨迹，从而为船舶的安全航行提供更可靠的保障。

（二）构建虚拟力场：目标与障碍物势场

在 MPAPF 方法中，构建目标势场和障碍物势场是实现船舶避碰和路径规划的关键环节。这就像是为船舶打造了一个虚拟的 “导航系统”，通过虚拟力的作用，引导船舶安全地驶向目标点，同时避开周围的障碍物。

目标势场的构建旨在产生一个引力，吸引船舶朝着目标点移动。通常采用一种与船舶到目标点距离相关的函数来表示目标势场，距离越远，引力越大，促使船舶尽快向目标靠近；随着船舶逐渐接近目标点，引力逐渐减小，使船舶能够平稳地到达目标位置。这种引力的作用就如同地球对物体的引力一样，始终引导着船舶朝着目标前进。当船舶远离目标点时，强大的引力会推动船舶加速前进；而当船舶接近目标点时，引力会逐渐减弱，防止船舶因速度过快而错过目标。

障碍物势场则是为了产生斥力，使船舶远离障碍物。在构建障碍物势场时，需要充分考虑障碍物的形状、大小以及安全距离等因素。对于不同形状和大小的障碍物，采用不同的势场函数来描述其斥力分布。对于圆形障碍物，可以采用基于距离的简单斥力函数；而对于不规则形状的障碍物，则需要通过复杂的数学方法来计算其斥力场。安全距离的设定也至关重要，它确保船舶在足够远的距离外就开始受到斥力的作用，从而有足够的时间和空间来调整航向，避免碰撞。

在实际应用中，势场函数的设计需要精心考虑，以避免产生局部极小值的问题。局部极小值会导致船舶陷入某个区域，无法找到通向目标点的最佳路径。为了解决这个问题，可以采用一些改进的势场函数，或者结合其他优化算法，如模拟退火算法、遗传算法等，来提高势场函数的性能，确保船舶能够顺利地避开障碍物，找到最优的航行路径。通过合理构建目标势场和障碍物势场，MPAPF 方法能够有效地引导船舶在复杂的海洋环境中安全航行。