船舶避障控制

必要性

不論是在開採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。當船舶在水面上航行時發生的與其他船舶、各種固定物體或者浮動物體之間都有可能發生碰撞，而這種碰撞將可能導致人身傷亡或者財產損失。因此，各個船舶之間的避碰以及對周圍障礙物的避障，已經成為船舶完成任務過程中的一個極其重要的環節。

海上船舶碰撞事故的原因可以分為以下兩個方面:

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任、無違章，並充分運用了良好的駕駛技術，仍不可避免船舶碰撞的發生。例如:不可抗力的自然環境或者惡劣的自然天氣。

2.人為原因

由於人的自身原因而導致的船舶碰撞。比如:船員因持續性的工作造成身體和精神疲勞，以至於船舶航行時，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慣而違背嚴格且安全的避碰規則和船舶管理的規章制度等。

只有對障礙物或者其他船舶觀察清楚之後，然後選擇恰當的船舶避障措施，才能有效地避障。

在避障領域，由很多方法融合處理多種感測器信息，讓船舶實現完美避障，比如人工勢場法避障控制法、模糊邏輯控制避障控制法、人工神經網路避障控制法、柵格法避障控制法以及聲波避障控制法等。

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，仿照物理學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，實現局部路徑規劃。通過構造目標位姿引力場和障礙物周圍斥力場共同作用的人工勢場，來搜尋勢函式的下降方向，然後尋找無碰撞路徑。

人工勢場避障控制法對於簡單環境很有效，在動態避障控制中，人工勢場法避障控制不是很理想。因為在複雜的多障礙環境中，不合理的勢場數學方程容易產生局部極值點，導致船舶未到達目標就停止運動，或者產生振盪、擺動等現象。另外，傳統的人工勢場法著眼於得到一條能夠避障的可行路徑，還沒有研究出什麼最優路徑。

模糊邏輯控制避障法出現得並不晚，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，開始將模糊數學套用於自動控制領域，包括船舶運動領域。

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

在模糊邏輯控制避障法中，模糊控制規則是模糊控制的核心。當前研究工作的新趨勢之一是它的漸增本質，特別是在模糊控制規則的自動生成方面，即連同自動模糊數據獲取，給予算法線上模糊規則學習能力，數據獲取和規則生成均自動執行。