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（Matlab代码实现）

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目录

💥1 概述

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

🌈4 Matlab代码实现

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💥1 概述

船舶运动规划是海上自主水面舰艇（MASS）自主导航的核心问题。该文提出一种考虑避碰规则的复杂遭遇场景模型预测人工势场（MPAPF）运动规划方法。建立了一个新的船舶域，其中设计了一个闭区间势场函数来表示船舶域的不可侵犯属性。在运动规划过程中，采用具有预定义速度的Nomoto模型来生成符合船舶运动学的可遵循路径。为解决传统人工势场（APF）方法的局部最优问题，保证复杂遭遇场景下的防撞安全，提出一种基于模型预测策略和人工势场的运动规划方法MPAPF。该方法将船舶运动规划问题转化为具有机动性、导航规则、通航航道等多重约束的非线性优化问题。4个算例的仿真结果表明，与APF、A星和快速探索随机树（RRT）的变体相比，所提出的MPAPF算法能够解决上述问题，并生成可行的运动路径，避免复杂遭遇场景下的船舶碰撞。

文献来源：

📚2 运行结果

输入预测步长（我们建议应该是1~10，在这个程序中，1步可能花费你120秒，而10步可能比1步高100倍。

部分代码：

%% initialization
static_obs_num               = [12;6];
mailme                       = 0;
% static_obs_area            = [0.8, 2, 7, 8;
%                         2, 0.2, 10, 2];
static_obs_area              = [0.5, 0, 4.5, 4;
                                4.5, 2, 6.5 3.5];
dynamic_ships                = [1;1;1;1];
parameter.waterspeed         = 0/1852;
parameter.waterangle         = 45;
parameter.water              = [sind(parameter.waterangle) cosd(parameter.waterangle)]*parameter.waterspeed;
parameter.minpotential       = 0.001;
parameter.minpotential4ship = 0.01;
parameter.minobstacle        = 0.03;
parameter.maxobstacle        = 0.2;
parameter.safeobstacle       = 5;
parameter.amplification      = 5;
parameter.safecv             = 2.5;%n mile safety collision aviodance distance
parameter.dangercv           = 0.5;% danger collision aviodance distance
parameter.shipdomain         = 5;
parameter.tsNum              = 1;
%% simulation environment
map_size                     = [8,4.5];
start_point                  = [1 1];
end_point                    = [7,4];
tmp_end_point                = end_point;
parameter.endbeta            = -log(parameter.minpotential)/(norm(end_point-start_point)*2)^2;
mat_point                    = init_obstacles(static_obs_num,static_obs_area);  % Generate static obstacles randomly
ship.speed                   = 8.23; % meters per second equal to 16 knots 
ship.v                       = 0;
ship.data                    = [...                        data = [ U K T n3]
6     0.08    20    0.4   
9     0.18    27    0.6
12    0.23    21    0.3 ];
% interpolate to find K and T as a function of U from MSS toolbox 'frigate'
prompt                       = 'Prediction Step\n'; % input the prediction step, 1~10
parameter.prediction_step    = input(prompt);
ship.k                       = interp1(ship.data(:,1),ship.data(:,2),ship.speed,'linear','extrap'); %ship dynamic model you can change the dynamic model in shipdynamic.m
ship.T                       = interp1(ship.data(:,1),ship.data(:,3),ship.speed,'linear','extrap');
ship.n3                      = interp1(ship.data(:,1),ship.data(:,4),ship.speed,'linear','extrap');
ship.Ddelta                  = 10*pi/180;  % max rudder rate (rad/s)
ship.delta                   = 30*pi/180;  % max rudder angle (rad)
ship.length                  = 100;
ship.p_leader                = -8;
ship.alpha_leader            = 3;
ship.yaw                     = 45;
ship.yaw_rate                = 0;
ship.rudder                  = 0;
ship.rudder_rate             = 0;
ship.position                = [1 1];
ship.gamma                   = 1;
ship.lamda                   = log(1/parameter.minpotential4ship-1)/((parameter.shipdomain)^2-1);
ship.prediction_postion      = [];
tsPath{parameter.tsNum}      = [];
ship1                        = ship;
parameter.scale              = 1852;                     % 1852m in real world ,1 in simulation;
parameter.time               = 5;                        % time per step
parameter.searching_step     = 3000;                     % max searching step
parameter.map_size           = map_size;                 % map size for display
parameter.map_min            = 0.05;                     % minmum map details
parameter.end1               = 0.05; 
% parameter.situs1           = [6.1 1.75 3.25 1.75];    
parameter.situs1             = [6.1 3.9 3.25 1.75]; % a quaternion ship domain proposed in Wang 2010,situs1 means in head-on situation
parameter.situs2             = [6.1 3.9 3.25 1.75];      % a quaternion ship domain proposed in Wang 2010,situs2 means in crossing and give-way situation
parameter.situs3             = [0.0 0.0 0.00 0.00];      % a quaternion ship domain proposed in Wang 2010,situs3 means in crossing and stand-on situation
parameter.situs0             = [6.0 6.0 1.75 1.75];      % a quaternion ship domain proposed in Wang 2010,situs0 means in norm naviation situation
ship_scale                   = 1;
leader_stop                  = 0;
tic
draw2();
set(gcf,'position',[200 200 1361/1.5 750/2]);
hold on
LB_follower = [];
UB_follower = [];
for i = 1 : parameter.prediction_step
    LB_follower = [LB_follower 0 -ship.delta];% lower limiting value
    UB_follower = [UB_follower 0 ship.delta];% upper limiting value
end
parameter.navars    = 2*parameter.prediction_step;% number of navars
targetship=init_ship(ship,'others',1000); 

🎉3 参考文献

[1]He, Zhibo, et al. “A Novel Model Predictive Artificial Potential Field Based Ship Motion Planning Method Considering COLREGs for Complex Encounter Scenarios.” ISA Transactions, Elsevier BV, Sept. 2022, doi:10.1016/j.isatra.2022.09.007.

🌈4 Matlab代码实现