【避碰】基于人工势场法的船舶自动避碰系统附matlab代码

简介: 【避碰】基于人工势场法的船舶自动避碰系统附matlab代码

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⛄ 内容介绍

船舶自动避碰是航海研究的热点之一,国内外专家学者提出了许多方法并开发了多种系统.然而,如何测试和验证这些方法和系统仍然是一个有待解决的问题.实船海上试验风险高费用大,同时灵活性差花费时间长;许多研究人员所采用的单机仿真试验则难以有效仿真复杂的海上航行情况.本文分析了现有船舶自动避碰系统的不足,提出了基于人工势场法的船舶自动避碰系统.根据船舶的操纵特性,建立了引力场和斥力场函数,实现船舶自动避碰航行的合力和方向,在电子海图所建立的仿真环境中,验证了人工势场法可用于船舶自动避碰系统中

⛄ 部分代码

clc

clear

close all

%% 信息


%

X_o = 0;

Y_o = 0;

Yt = 100;

Xt = 100;

v_o = 20;

fai_o = atan((Yt-Y_o)/(Xt-X_o));

%目标船?

% v_t_all = [10 1 1];

% fai_t_all = [270 215 215];

%

% X_t_all = [16 50 84];

% Y_t_all = [10 47 50];


v_t_all = [5, 5, 5];

fai_t_all = [330,150,400];


X_t_all = [32,25,60];

Y_t_all = [22,35,50];


fai_t_all = fai_t_all./180.*pi;


set = 1;



xx1=X_o;

yy1=Y_o;

yy2=Yt;

xx2=Xt;

%% 相对信息

%两船距离 R_t

%?标船的相对速度 v_tao

%?标船相对速度的?度 fai_tao

%?标船相对本船的真实?位 a_t

%?标船的相对?位 theta_t


t = 1/3600;

X = [X_o, Y_o];

Y = [X_t_all, Y_t_all];

fai = [fai_o];

am = [];

r = 0;

Rt = sqrt((Xt-X_o)^2+(Yt-Y_o)^2);

mk = 1;

mkk = [mk];

fh_temp = 0;

bp_goal = [];

dist = [];

fai_o_all = [];

while Rt > 1

   mk = mk + 1;

   for j = 1:length(v_t_all)

       v_t = v_t_all(j);

       fai_t = fai_t_all(j);

       X_t = X_t_all(j);

       Y_t = Y_t_all(j);

       gamma_all(j) = xd_data2(X_o,X_t,Y_o,Y_t,v_o,v_t,fai_o,fai_t);

   end

   [~, index] = sort(gamma_all,'descend');

   beta_all = 0; %转向角度

   for j = index

       v_t = v_t_all(j);

       fai_t = fai_t_all(j);

       X_t = X_t_all(j);

       Y_t = Y_t_all(j);

       [R_t,v_tao,fai_tao,a_t,theta_t,DCPA,TCPA,d1,d2,gamma] =  xd_data(X_o,X_t,Y_o,Y_t,v_o,v_t,fai_o,fai_t);

       

      %对遇避碰--安全航行

       if gamma > 0.4

           disp(['船',num2str(j),'有危险'])

           if sum(bp_goal==j)==0

               bp_goal = [bp_goal j];

           end

         %% 会遇局面判断 ?

           %对遇

           if (theta_t<=5/180*pi||theta_t>=355/180*pi)&& (abs(pi-abs(fai_t-fai_o))<=5/180*pi)

               i = 1;

               %右交叉

           elseif theta_t>5/180*pi && theta_t<112.5/180*pi

               i = 2;

               %左交叉?

           elseif theta_t>247.5/180*pi && theta_t<355/180*pi

               i = 3;

               %追越

           else

               i = 4;

           end

           beta = 0;

           while abs(DCPA)<d2 && (i==1 || i == 2 || i==4)

               %采取避碰

               temp = 1; %表示右转

               beta = beta + 1;

               fai_o = fai_o + 1/180*pi;

               [R_t,v_tao,fai_tao,a_t,theta_t,DCPA,TCPA,d1,d2,gamma] =  xd_data(X_o,X_t,Y_o,Y_t,v_o,v_t,fai_o,fai_t);

           end

           while abs(DCPA)<d2 && (i==3)

               %采取避碰

               temp = 2; %表示左转

               beta = beta + 1;

               fai_o = fai_o - 1/180*pi;

               [R_t,v_tao,fai_tao,a_t,theta_t,DCPA,TCPA,d1,d2,gamma] =  xd_data(X_o,X_t,Y_o,Y_t,v_o,v_t,fai_o,fai_t);

           end

           beta_all = beta_all + beta;

       end

   end

   if beta_all ~=0

       disp('*****************避碰******************')

       disp(['避碰转角点:',num2str([X_o,Y_o])])

       disp(['避碰转角: ',num2str(beta_all),'度'])

       mkk = [mkk; mk];

       beta_all=0;

       r = 1;

   end

   if r == 1

       for j = bp_goal

           C_fh = atan((Xt-X_o)/(Yt-Y_o));

           v_t = v_t_all(j);

           fai_t = fai_t_all(j);

           X_t = X_t_all(j);

           Y_t = Y_t_all(j);

           [R_t,v_tao,fai_tao,a_t,theta_t,DCPA,TCPA,d1,d2,gamma] =  xd_data(X_o,X_t,Y_o,Y_t,v_o,v_t,C_fh,fai_t);

           if TCPA < 0

               fh_temp = 1;

           else

               fh_temp = 0;

               break

           end

       end

       if fh_temp==1

           fh_temp = 0;

           mkk = [mkk; mk];

           fai_o = C_fh;

           r = 0;

           bp_goal = [];

           disp('*****************复航******************')

           disp(['目的转角点: ',num2str([X_o,Y_o])])

           disp(['目的角度为: ',num2str(C_fh*180/pi),'度'])

       end

   end

   if r == 0 || r==2

       Xo = [X_o, Y_o];

       Xsum = [Xt,Yt;[X_t_all',Y_t_all']];

       V_all = [0,v_t_all];

       fai_all = [0, fai_t_all];

       fai_o = main_rgsc(Xo,Xsum,V_all,fai_all,v_o, fai_o, set);

   end

   X_o = X_o + v_o * t * sin(fai_o);

   Y_o = Y_o + v_o * t * cos(fai_o);

   X_t_all = X_t_all + v_t_all .* t .* sin(fai_t_all);

   Y_t_all = Y_t_all + v_t_all .* t .* cos(fai_t_all);

   X = [X; X_o, Y_o];

   Y = [Y; X_t_all, Y_t_all];

   fai =[fai;fai_o];

   am = [am; gamma];

   Rt = sqrt((Xt-X_o)^2+(Yt-Y_o)^2);

   

   R_tt = sqrt((X_t_all - ones(1,3)*X_o).^2 + (Y_t_all - ones(1,3)*Y_o).^2);

   

   dist = [dist; R_tt];

   fai_o_all = [fai_o_all, fai_o];

end

mkk = [mkk; mk];

ly = size(Y,2)/2;



figure(1)

plot(((2:mk)-1)*t*60, dist,'LineWidth',2)

[M,N]=min(dist);

xlabel('时间/min')

ylabel('距离')

legend('来船1','来船2','来船3')

str=['(',num2str(N(1)-1),',',num2str(M(1)),')'];

text(((N(1)-1)-1)*t*60,dist(N(1),1)-2,str);

str=['(',num2str(N(2)-1),',',num2str(M(2)),')'];

text(((N(2)-1)-1)*t*60,dist(N(2),2)-1,str);

str=['(',num2str(N(3)-1),',',num2str(M(3)),')'];

text(((N(3)-1)-1)*t*60,dist(N(3),3)-1,str);

figure(2)

plot(((2:mk)-1)*t*60, am,'LineWidth',2)

xlabel('时间/min')

ylabel('危险度')


figure(3)

plot(((2:mk)-1)*t*60, fai(2:end)/pi*180,'LineWidth',2)

xlabel('时间/min')

ylabel('本船航向')

fig = figure;


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

k=1;

figure(4)

axis([xx1 xx2 yy1 yy2])

hold on

color1=[0 0.4470 0.7410;0.9290 0.6940 0.1250;0.4940 0.1840 0.5560];

num2=floor(size(X,1)/10);

plot(X(1,1),X(1,2),'.r')

plot(Y(1,1),Y(1,1+ly),'LineWidth',2,'Color',color1(1,:))

plot(Y(1,2),Y(1,2+ly),'LineWidth',2,'Color',color1(2,:))

plot(Y(1,3),Y(1,3+ly),'LineWidth',2,'Color',color1(3,:))

drawnow

for num1=10:-1:2

   for j = 1:size(Y,2)/2

       pause(0.05)

       plot(Y(num1*num2:-1:(num1-1)*num2,j),Y(num1*num2:-1:(num1-1)*num2,j+ly),'LineWidth',2,'Color',color1(j,:))

       %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%此处读入图像数据,将其保存在 im ??

       frame = getframe;

       im{k} = frame2im(frame);

       k=k+1;

       plot(X((12-num1)*num2:-1:((12-num1)-1)*num2,1),X((12-num1)*num2:-1:((12-num1)-1)*num2,2),'.r')

       %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%此处读入图像数据,将其保存在 im

       frame = getframe;

       im{k} = frame2im(frame);

       k=k+1;

   end

end

for j = 1:size(Y,2)/2

   str=['(',num2str(Y(1,j)),',',num2str(Y(1,j+ly)),')'];

   text(Y(1,j),Y(1,j+ly),str);

   str=['(',num2str(Y(end,j)),',',num2str(Y(end,j+ly)),')'];

   text(Y(end,j)-3,Y(end,j+ly)-1,str);

end

plot(X((num1-1)*num2:-1:1,1),X((num1-1)*num2:-1:1,2),'.r')

for j = 1:size(Y,2)/2

   H=plot(Y((num1-1)*num2:-1:1,j),Y((num1-1)*num2:-1:1,j+ly),'LineWidth',2,'Color',color1(j,:))

   %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%此处读入图像数据,将其保存在 im ??

   frame = getframe;

   im{k} = frame2im(frame);

   k=k+1;

   

end



V0 = 10;

L = 200/1875;

kAD = 10 ^ (0.3591*log10(V0) + 0.0952);

kDT = 10 ^ (0.5441*log10(V0) - 0.0795);

Rfore = (1 + 1.34 * sqrt(kAD^2 +(kDT/2)^2) ) * L;

Raft = (1 + 0.67 * sqrt(kAD^2 +(kDT/2)^2) ) * L;

Rstarb = (0.2 + kDT) * L;

Rport = (0.2 + 0.75*kDT) * L;


for j = size(mkk):-1:1

   i = mkk(j);

   for kz = 1:ly

       hold on

       rectangle('Position',[Y(i,kz)-0.3,Y(i,kz+ly)-0.3,0.6,0.6],'Curvature',[1,1],  'FaceColor','k')

   end

   syms x y

   x = x - X(i,1);

   y = y - X(i,2);

   

   z = [cos(fai(i)),-sin(fai(i));sin(fai(i)),cos(fai(i))]*[x;y];

   x = z(1);

   y = z(2);

   hold on

   h = ezplot((2*y/((1+sign(y))*Rfore-(1-sign(y))*Raft))^2 + (2*x/((1+sign(x))*Rstarb-(1-sign(x))*Rport))^2==1,[-2 50 -2 50]);

   legend('','来船1','来船2','来船3');

   if j==size(mkk)

       str=[repmat('  fai:',[size(mkk,1)-1,1]) num2str(round(fai_o_all(mkk(1:end-1))'/pi*180)) repmat(',  gamma:',[size(mkk,1)-1,1]) num2str(round(real(am(mkk(1:end-1))),2))];

       text(X(mkk(1:end-1),1),X(mkk(1:end-1),2),cellstr(str))

   end

   

end


%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%此处将读入的图像写出 为 GIF 详细参考 imwrite 函数

filename = '3.gif'; % Specify the output file name

for idx = 1:size(im,2)

   [A,map] = rgb2ind(im{idx},256);

   if idx == 1

       imwrite(A,map,filename,'gif','LoopCount',Inf,'DelayTime',0.05);

   else

       imwrite(A,map,filename,'gif','WriteMode','append','DelayTime',0.05);

   end

end

⛄ 运行结果

⛄ 参考文献

[1] 钟碧良, 刘先杰, 吴建生,等. 基于人工势场法的船舶自动避碰系统研究[J]. 广州航海学院学报, 2008, 16(1):8-11.

[2] 宁君, 李学健, 李伟,等. 基于改进人工势场法的船舶自动避碰研究[J]. 舰船科学技术, 2021, 43(12):7.

[3] 钟丰仰, 朱俊翰, 廖启闵,等. 基于人工势场法的船舶避碰方法及系统:, CN113495556A[P]. 2021.

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