虛擬力場法

虛擬力場法 (Virtual Force Field)，是人工勢場法原理和柵格法原理結合得到的移動機器人實時避障算法。其基本思想是構造目標方位的引力場和障礙物周圍的斥力場共同作用的虛擬人工力場，搜尋勢函式的下降方向來尋找無碰撞路徑，使船舶沿虛擬排斥力和虛擬引力的合力方向運動。

基本介紹

• 中文名：虛擬力場法
• 外文名：Virtual force field
• 簡稱：VFF
• 是：由人工勢場法與柵格法結合
• 主要用於：實時避障
• 領域：自動控制

虛擬力場法

虛擬力場法 (Virtual Force Field)的基本思想是構造目標方位的引力場和障礙物周圍的斥力場共同作用的虛擬人工力場，搜尋勢函式的下降方向來尋找無碰撞路徑，使船舶沿虛擬排斥力和虛擬引力的合力方向運動。它是人工勢場法原理和柵格法原理結合得到的移動機器人實時避障的虛擬力場法。

這裡以機器人為例。

採用柵格法原理， 我們將移動機器人採集障礙物信息的範圍分成若干個視窗單元格， 根據障礙物的位置與
形狀 ， 每個單元格會對機器人產生不同大小的斥力作用。 定義 為單元格的水平值。 每個單元格的斥力
大小與 成正比， 與機器人-障礙物距離成反比。

因此，可得：

其中，W-機器人車體寬度； -斥力常比例係數； -單元格與機器人的距離； -單元格水平值； -機器人當前位置； 障礙所在單元格位置； -分別表示X軸、Y軸的單位向量；n 為正整數。

根據上式，可以看出 ， 當機器人靠近障礙物時 ，由於 的作用，機器人受到的斥力作用會大大加強；反
之，當遠離障礙物時，斥力會減弱。機器人在勢場中受到的斥力 為：

在任一時刻，目標對機器人產生吸引力 ：

其中， -引力常比例係數； -目標與機器人的距離； -目標所在單元格位置；

圖1

如圖1所示，機器人受到的合力為：

合力 R 的方向角 ，而機器人轉動的角度是 ，其中， —正比例係數常量；θ—
機器人運動的當前方向； —運動時給定的方向；（-）- 一種求角度運算符； θ(-)δ—從 θ 方向轉向方向所需要的最小角度。

柵格法

柵格法是由 W.E.Howden 在 1968 年提出的，他在進行路徑規劃時採用了柵格( Grid) 表示地圖。 設環境的最大長度為 L，寬度為 W，柵格的尺度( 長，寬) 均為b，則柵格數為 ，環境 E 由柵格 構成 ，i,j為整數。其中 表示該格為自由區域， 表示該格為障礙區域。

柵格法將機器人規劃空間分解成一系列的具有二值信息的網路單元，工作空間分解成單元後則使用啟發式算法在單元中搜尋安全路徑。搜尋過程多採用四叉樹或八叉樹表示工作空間。柵格的一致性和規範性使得柵格空間中鄰接關係的簡單化。賦予每個柵格一個通行因子後, 路徑規劃問題就變成在柵格網上尋求兩個柵格節點間的最優路徑問題。

柵格法以基本元素為最小柵格粒度，將地圖進行柵格劃分，基本元素位於自由區取值為 0，處在障礙物區或包含障礙物區為 1；然後模型遞歸地把環境分成 4個大小相等的子區域，直到每個區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於路徑規劃的地圖，如圖 2所示。

圖2 柵格劃分示意圖

人工勢場法

人工勢場法是由Khatib提出的一種虛擬力法。原理是：將機器人在環境中的運動視為一種機器人在虛擬的人工受力場的運動。障礙物對機器人產生斥力，目標點對機器人產生引力，引力和斥力的合力作為機器人的加速力，來控制機器人的運動方向和計算機器人的位置。

引力場（attraction）隨機器人與目標點的距離增加而單調遞增，且方向指向目標點；

斥力場（repulsion）：在機器人處在障礙物位置時有一極大值，並隨機器人與障礙物距離的增大而單調減小，方向指向遠離障礙物方向。

套用

機器人避障

近年來 ，機器人技術已經得到廣泛套用，遍及工業、 國防、 農業、 宇宙空間、 海洋開發等領域。 移動機
器人的路徑規劃是其中的一個重要的研究方向。目前常用的路徑規劃方法主要有柵格法 、人工勢場法 、D*算法、遺傳算法等，人工勢場法以其快捷的環境描述和算法形式，在機器人實時避障中得到了廣泛的套用。文獻採用將人工勢場法原理和柵格法原理結合得到的移動機器人實時避障的虛擬力場法（VFF）。

船舶避障

大型船舶具有線型尺度大、方型係數大、吃水大和慣性大等特點，在引領此類船舶時，一定要綜合考慮各方面的因素，採取合適的避讓措施，控制其在主航道上，以確保船舶的航行安全。

大型船舶，特別是大型貨櫃船，船頭和左右兩舷的盲區都較大，在瞭望時不要總站在駕駛台中間，要左右兩舷多走動，以便及早發現來船，及早判斷出本船與他船所形成的局面，是對遇、交叉還是追越，以便及早做出符合規則的避讓措施。要備車航行，使用隨時都可以慢車的主機轉速。要保證船舶在主航道上，所以應少用舵讓，多用車讓。大型船舶慣性大，當周圍環境複雜，要慢車避讓時，要儘早進行。

針對大型船舶隨機變化的情況，在避障控制算法的選用中，應該考慮套用虛擬力場法來使船舶完成在路徑不斷變化條件下的移動，使其儘快地達到工作位置。