本发明涉及智能船舶路径规划，具体而言，尤其涉及一种考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器。
背景技术：
1、21世纪是海洋的世纪，蕴藏着丰富的生物资源、油气资源和矿物资源，是人类赖以生存的重要物质基础。在海洋资源中，航运业相比于空运和陆运，凭借其运输能力、距离和费用等优势，成为了经济发展的重要一环。随着各个行业领域的信息化智能化进程不断发展，尤其是互联网和人工智能等技术的不断进步，智能船舶以此为背景逐渐成为了提升航运业整体竞争力的主要手段。针对目前航运业中存在的问题，诸如执行任务航行时间较长，船员人工操作安全事故发生较多等，均对智能船舶在航运业的应用提出了新的要求。
2、智能船舶航行在限制性水域安全有效地实现对多艘目标船舶的追越路径规划需要考虑多种约束条件，如在航行过程中与两侧航道边界的距离，与目标船舶的最小安全距离；同时，规划结果依赖于智能船舶的状态信息，还需要考虑可能存在的噪声干扰导致的安全性问题；以及对多艘具有不确定性的目标船舶规划最优追越路径的时效性。针对智能体在追越场景下无碰撞的路径规划问题，相关领域的学者已经提出了多种基于博弈论的路径规划方法。d.sadigh针对智能汽车利用逆向强化学习中的代价函数，提出了人工操控汽车和智能汽车的两方博弈理论，通过训练学习驾驶员在不同场景下的操作，实现了人工操控汽车的路径规划。a.liniger针对智能汽车两方协同路径规划问题，提出了利用有限预学习的操作集的方法，通过纳什均衡和斯塔克尔伯格均衡建立了两辆智能车的双矩阵博弈进行路径规划，实现了智能汽车的协同路径规划。d.zhou针对自由通信的多智能体问题，提出了利用位置测量的缓冲沃罗诺伊单元图方法，实现了在复杂道路环境下智能体对静态障碍物的避碰。然而，上述相关研究大多是在已知操作集和训练学习等为前提，但在不同限制性水域下，之前训练学习的数据集无法适用，给规划的结果增加了不准确性。
3、在现有的智能船舶在限制性水域的路径规划方法中，仍存在着如下问题：第一：在现有的智能体的路径规划方法中，较多的考虑对静态碍航物避碰的路径规划，无法扩展到对多艘动态目标船舶的追越路径规划。第二，在现有的智能船舶的路径规划方法中，较少考虑状态信息存在噪声扰动的问题，在路径规划的过程中，依赖于状态信息的准确性，导致规划结果无法保证安全性。第三：在现有的智能船舶的路径规划方法中，在全局路径规划算法与运动学模型没有利用相关的约束条件进行耦合，导致规划的路径可能不是最优效果。
技术实现思路
1、为解决现有技术问题，本发明一种考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器及方法，实现了在智能船舶受到噪声干扰的情况下，仍可以在保证安全无碰撞的前提下，在限制性水域内规划最优的追越路径。
2、本发明采用的技术手段如下：
3、一种考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器，包括：
4、智能船舶运动学模块，所述智能船舶运动学模块接收来自分段多项式路径优化模块的前向速度和来自控制障碍函数安全优化模块的艏摇角速度，所述智能船舶运动学模块输出状态信息至序列式博弈优化规划器模块和控制障碍函数安全优化模块；所述智能船舶运动学模块输出艏摇角速度信息至控制障碍函数安全优化模块；
5、序列式博弈优化规划器模块，所述序列式博弈优化规划器模块接收来自智能船舶运动学模块的状态信息和来自多艘目标船舶的状态信息；所述序列式博弈优化规划器模块输出决策变量和横、纵两方向的路径参数至分段多项式路径优化模块；
6、分段多项式路径优化模块，所述分段多项式路径优化模块接收来自序列式博弈优化规划器模块的输出决策变量和横、纵两方向的路径参数；所述分段多项式路径优化模块输出优化后的前向速度至智能船舶运动学模块；所述分段多项式路径优化模块输出优化后的前向速度和优化艏摇角速度至控制障碍函数安全优化模块；
7、控制障碍函数安全优化模块，所述控制障碍函数安全优化模块接收来自分段多项式路径优化模块的优化艏摇角速度和前向速度和智能船舶运动学模块的位置信息和艏摇角速度；所述控制障碍函数安全优化模块输出艏摇角速度至智能船舶运动学模块。
8、进一步地，所述智能船舶运动学模块中：
9、智能船舶运动学模块的输入为前向速度ui，艏摇角速度ri以及智能船舶所受到的噪声干扰ω；智能船舶运动学模块如下：
10、
11、其中，[xi,yi,ψi]t分别为智能船舶的纵向位置、横向位置和艏摇角；智能船舶运动学模块的输出为智能船舶的状态信息[xi,yi,ψi]t和艏摇角速度ri。
12、进一步地，所述序列式博弈优化规划器模块中：
13、序列式博弈优化规划器模块的输入为智能船舶的状态信息[xi,yi,ψi]t和多艘待追越目标船舶的状态信息[xj,yj,ψj]t；[xj,yj,ψj]t分别为目标船舶的纵向位置、横向位置和艏摇角，脚标j＝1,...,k为k艘不同待追越目标船舶的序列索引，k为目标船舶的总数量索引；序列式博弈优化规划器模块如下：
14、
15、s.t.heq(θi,ai,bi)＝0,
16、gineq(θi,ai,bi)≤0,
17、γ(θi,θj)≤0. (2)
18、其中，βij为反映耦合程度的可调参数，λij表示约束条件中关联程度的拉格朗日乘子；n＝1,2...,n为全局规划的步数索引，n为全局规划的总步数；为智能船舶的决策变量，为智能船舶在不同步数索引下的位置，为智能船舶在不同索引下的速度；为目标船舶的决策变量，为第j艘待追越目标船舶在不同步数索引下的位置，为第j艘待追越目标船舶在不同索引下的速度；表示在纵向的多项式路径拟合参数，表示在横向的多项式路径拟合参数，m表示多项式的阶数；heq(θi,ai,bi)为等式约束，等价于表示当前和上一步的步数索引对应的位置和速度的关系，δt为步长；gineq(θi,ai,bi)为不等式约束条件包括：和τ为二阶参数化拟合的中心航道，n＝τ″/||τ″||为中心航道的单位法向量，w表示中心航道与航道边界的距离，为智能船舶在当前步数索引下对应的距离与中心航道的最短距离，umax表示智能船舶的最大限制航速，rmax为智能船舶最大艏摇角速度；γ(θi,θj)为交互不等式约束条件，等价于智能船舶与第j艘待追越目标船舶之间的最小安全避碰约束条件dmin表示智能船舶与第j艘待追越目标船舶之间最小的安全避碰距离；序列式博弈优化规划器模块的输出为智能船舶的决策变量θi和横向、纵向的规划路径参数ai,bi。
19、进一步地，所述分段多项式路径优化模块中：
20、分段多项式路径优化模块的输入为智能船舶的决策变量θi和横向、纵向的规划路径参数ai,bi，分段多项式路径优化模块如下：
21、
22、其中，t∈[(n-1)δt,nδt]为步数索引对应的时域区间；分段多项式路径优化模块的输出为前向速度ui和优化艏摇角速度ropt。
23、进一步地，所述控制障碍函数安全优化模块中：
24、控制障碍函数安全优化模块的输入为优化艏摇角速度ropt，智能船舶的状态信息[xi,yi,ψi]t和艏摇角速度ri、前向速度ui，以及第j艘待追越目标船舶的状态信息[xj,yj,ψj]t和速度uj，以及存在的噪声扰动ω，控制障碍函数安全优化如下：
25、
26、ri≤|rmax|. (7)
27、其中，为考虑噪声扰动所构造的控制障碍函数，ηi＝[xi,yi,ψi]t为智能船舶的状态信息，pi＝[xi,yi]t为智能船舶的当前位置，pj＝[xj,yj]t为第j艘待追越目标船舶的当前位置，ω≤||ωmax||为所受到的噪声扰动，ωmax为噪声扰动的最大值，α(·)为类方程，分别表示在(pi,pj)上关于f(pi,pj)和g(pi,pj)的李导数，uj表示目标船舶的前向合速度，ψj表示目标船舶的艏摇角；控制障碍函数安全优化的输出为艏摇角速度ri。
28、本发明还提供了一种考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划方法，基于上述任意一项考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器实现，包括如下步骤：
29、s1、序列式博弈优化规划器模块接收到智能船舶的状态信息[xi,yi,ψi]t和多艘待追越目标船舶的状态信息[xj,yj,ψj]t并对其进行二次优化和博弈迭代的数学处理后生成了决策变量θi与横、纵两方向的路径参数ai,bi到分段多项式路径优化模块；
30、s2、分段多项式路径优化模块接收到博弈优化规划器的决策变量θi与横、纵两方向的路径参数ai,bi，并将其数学转化后生成前向速度ui到智能船舶和控制障碍函数安全优化模块、优化艏摇角速度ropt到控制障碍函数安全优化模块；
31、s3、控制障碍函数安全优化模块接收到分段多项式路径优化模块的优化艏摇角速度ropt、前向速度ui，智能船舶的状态信息[xi,yi,ψi]t和艏摇角速度ri、外部噪声干扰ω，并结合以及第j艘待追越目标船舶的状态信息[xj,yj,ψj]t进行控制障碍函数优化，最后生成艏摇角速度ri到智能船舶；
32、s4、智能船舶运动学模块接收分段多项式路径优化模块的前向速度ui，控制障碍函数安全优化模块的艏摇角速度ri以及外部噪声干扰ω，并将智能船舶的状态信息[xi,yi,ψi]t输出至序列式博弈优化规划器和控制障碍函数安全优化模块，艏摇角速度ri输出至控制障碍函数安全优化模块。
33、本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划方法。
34、本发明还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划方法。
35、较现有技术相比，本发明具有以下优点：
36、第一：在现有的智能船舶的路径规划方法中，较少考虑对动态目标船舶进行追越；而本发明将灵敏性分析与最佳迭代响应算法结合而设计的序列式博弈优化规划器，s(p)项为最佳迭代响应算法，∑部分为灵敏性分析部分，将博弈优化算法通过序列式计算规划方法将智能船舶与多艘待追越的目标船舶构造两方非合作博弈，可以在多约束条件下，减少了路径规划迭代的总次数，加快了整体规划的速度。
37、第二，在现有的智能船舶的路径规划方法中，较少存在噪声干扰时所造成的安全性问题；而本发明提出利用噪声干扰构造符合条件的控制障碍函数实现安全性鲁棒优化，不仅满足安全约束条件，还在船舶状态信息受到扰动时，保证了规划路径的鲁棒安全性。
38、第三：在现有的智能船舶的路径规划方法中，将船舶运动学模型与规划的路径相结合；而本发明提出的分段多项式路径方法，将路径的弧度(船舶的艏摇角)作为约束条件融入到序列式博弈优化规划器的算法中，将规划路径做参数化处理，直接将船舶的状态约束转化成多项式函数，生成不同步数索引对应的分段路径，提高路径规划的准确性。
1.一种考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器，其特征在于，所述智能船舶运动学模块中：
3.根据权利要求1所述的考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器，其特征在于，所述序列式博弈优化规划器模块中：
4.根据权利要求1所述的考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器，其特征在于，所述分段多项式路径优化模块中：
5.根据权利要求1所述的考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器，其特征在于，所述控制障碍函数安全优化模块中：
6.一种考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划方法，基于权利要求1-5中任意一项权利要求所述的考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划控制器实现，其特征在于，包括如下步骤：
7.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行所述权利要求6所述的考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划方法。
8.一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器通过所述计算机程序运行执行所述权利要求6所述的考虑安全优化的多目标博弈追越路径规划方法。
