CN108801262B - 一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，该方法应用于船舶自动航行控制器上，是一种平行线航路纠偏修正方法。该方法克服了传统的点对点视线导航法仅针对目标产生参考航向角，未考虑风浪、洋流等环境因素产生的轨迹偏差问题，而是将环境外力产生的偏差作为返回修正量，基于偏差量修正参考航向角，克服环境外力的干扰因素，进而使船舶迅速返回到规划路径上，对船舶航运具有重要意义。

Description

一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法

技术领域

本发明属于船舶航运技术领域，特别涉及一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法。

背景技术

有效的船舶导航方法，不仅可以使船舶的运营效率提高、节省燃料，而且可以航行准确，避免搁浅、碰撞等海难的发生。传统的船舶自动航行控制器大多以点对点的视线导航法作为船舶的修正参考依据，仅能依据船舶目前船位与导航路径点间的相对关系来产生参考航向，但对于风、浪、海流等外力干扰下所产生的轨迹偏差，则无法进行航向的修正。

改良的视线导航法，是以n倍船长为半径绘制虚拟圆与原导航线的交点当作暂时性的新的导航跟踪点，但由于绘制的虚拟圆的半径比较难确定，容易造成新追踪点存在较大的误差。如图1所示，为所述的传统视线导航算法修正原理，当船舶偏离导航线产生轨迹偏差距离时，以n倍船长为半径绘制虚拟圆与原导航线的交点当作暂时性的新的导航转向点，促使船舶提早返航到导航航线上，其计算步骤为：

表达式(1)中的(x_temp,y_temp)为传统的改良视线导航法产生的暂时性新的参考航向点，β₁为此导航算法计算出来的新的参考航向角，表达式(2)中的L_d为船舶的垂线间长度，n为选取的船舶长度的倍数，表达式(3)中的(x_k-1,y_k-1)为导航航线上一个目标点，(x_k,y_k)为当前的目标点坐标。

如图2所示，为所述的船舶回转半径与n倍船长限定示意图，此传统的改良修正方法。nL_d为设计重点，当nL_d过大时，其导航修正较为缓慢，故其导航效果不明显，而当nL_d设定值小于船舶回转直径时，此方法将无法计算出新的参考航向点，因而将使船舶失去轨迹追踪能力。

因此，研究船舶在自动航行时，按照规划的路径前进，并克服环境外力的干扰因素，使船舶能自动稳定地航行在预定航线上具有重要的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，以达到采用一种平行线航路纠偏修正方法，该方法将环境外力产生的偏差作为返回修正量，基于偏差量修正参考航向角，进而使船舶迅速返回到规划路径上的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，包括如下步骤：

(1)以设定的航行路径点为基础形成的导航路径为AB线段，其中A点为船舶航行已通过的导航目标点，而B点则为现阶段船舶欲前往的导航目标点；

(2)当有风浪、海流等环境外力干扰时，船舶将偏离其AB导航路径，并产生部分轨迹偏差量，此时，可通过船舶当前位置O点计算出本船受环境外力干扰而产生的轨迹偏差量，即由O点向AB线段作垂线，垂直距离d即为轨迹偏差量；

(3)假设过O点的垂线与AB线段相交于D点，此时，可利用原导航线路DB作为平行四边形的对角线，而利用OD线段作为平行四边形的一边，作完整的平行四边形，此平行四边形的四个顶点分别为OBCD四点；

(4)求解出的C点即为航路纠偏后的新的导航目标点，线段OC与竖直方向的夹角β即为船舶新的航向角。

上述方案中，所述方法应用于船舶自动航行控制器上，是一种平行线航路纠偏修正方法。

上述方案中，所述船舶自动航行控制器为闭合回路控制，风浪、海流环境外力作为偏差修正量，在系统设计过程中，先将系统分为稳定和不稳定两个部分，进而进行整体设计。

上述方案中，将风浪、海流环境外力产生的偏差作为返回修正量，基于偏差量修正航向角，进而使船舶迅速返回到规划路径上。

上述方案中，航路规划后，纠偏后新航线的计算方法包括：

以下各点的位置坐标分别为：A(X₁，Y₁)，B(X₂，Y₂)，C(m，n)，O(X₃，Y₃)，D(X₄，Y₄)；

垂直距离d的表达式为：

垂直点D的坐标为：

利用平行四边形的几何关系，求得通过B点距离为d的C(m,n)点的坐标为：

利用C(m,n)点坐标与本船所在位置O点坐标，即可求得新的导航参考航向角β的表达式为：

β(t)＝atan2((m-X₃),(n-Y₃))。

上述方案中，后续的航线目标点均按照该算法依次进行，该算法运用于自动航行时的宽阔水域，航路规划过程中，自动避开障碍物。

通过上述技术方案，本发明提供的一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，克服了传统的点对点视线导航法仅针对目标产生参考航向角，未考虑风浪、洋流等环境因素产生的轨迹偏差问题，以及改良的视线导航法，以n倍船长为半径绘制虚拟圆与原导航线的交点当作暂时性的新的导航跟踪点，但由于绘制的虚拟圆的半径比较难确定，容易造成新追踪点存在较大误差的问题。

本发明与现有的技术相比具有的优点如下：

1)该方法应用于船舶自动航行控制器上，是一种平行线航路纠偏修正方法，不同于常用的点对点视线导航方法。

2)该方法将环境外力产生的偏差作为返回修正量，基于偏差量修正参考航向角，进而使船舶迅速返回到规划路径上。

3)后续的航线目标点均按照该算法依次进行，该算法运用于自动航行时的宽阔水域，航路规划过程中，自动避开障碍物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为现有技术中改良的视线导航算法修正原理示意图；

图2为现有技术中船舶回转半径与n倍船长限定示意图；

图3为本发明船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法原理示意图；

图4为本发明船舶自动航行控制器控制架构示意图；

图5为本发明船舶航路规划与纠偏修正方法的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，如图3所示：

(1)以设定的航行路径点为基础形成的导航路径为AB线段，其中A点为船舶航行已通过的导航目标点，而B点则为现阶段船舶欲前往的导航目标点；

(2)当有风浪、海流等环境外力干扰时，船舶将偏离其AB导航路径，并产生部分轨迹偏差量，此时，可通过船舶当前位置O点计算出本船受环境外力干扰而产生的轨迹偏差量，即由O点向AB线段作垂线，垂直距离d即为轨迹偏差量；

(3)假设过O点的垂线与AB线段相交于D点，此时，可利用原导航线路DB作为平行四边形的对角线，而利用OD线段作为平行四边形的一边，作完整的平行四边形，此平行四边形的四个顶点分别为OBCD四点；

(4)求解出的C点即为航路纠偏后的新的导航目标点，线段OC与竖直方向的夹角β即为船舶新的航向角。

具体算法如下：

以下各点的位置坐标分别为：A(X₁，Y₁)，B(X₂，Y₂)，C(m，n)，O(X₃，Y₃)，D(X₄，Y₄)；

垂直距离d的表达式为：

垂直点D的坐标为：

利用平行四边形的几何关系，求得通过B点距离为d的C(m,n)点的坐标为：

利用C(m,n)点坐标与本船所在位置O点坐标，即可求得新的导航参考航向角β的表达式为：

β(t)＝atan2((m-X₃),(n-Y₃))。

后续的航线目标点均按照该算法依次进行，该算法运用于自动航行时的宽阔水域，航路规划过程中，自动避开障碍物。

如图4所示，为本发明船舶自动航行控制器控制架构图，

为受控系统G的近似模式，Q为待设计的传递函数，从架构图中可得出，当

等于G时，则整个系统等效于一个开路系统，其返回信号等于干扰信号，整个系统简化为只要受控系统G和控制器Q稳定则全系统就会稳定，Q控制器可用来表示出所有能被设计出的传统控制器。

在系统设计过程中，先将系统分为稳定和不稳定两个部分，进而进行整体设计。

如图5所示，为本发明船舶航路规划与纠偏修正方法的系统图，当存在风浪、海流等环境外力航线产生偏差时，船舶参考航向角发生变化，此时，控制器根据修正导航算法，控制自动舵舵角发生改变，将航向偏差距离作为返回修正量，基于偏差量修正参考航向角，进而使船舶迅速返回到规划路径上。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）以设定的航行路径点为基础形成的导航路径为AB线段，其中 A 点为船舶航行已通过的导航目标点，而B 点则为现阶段船舶欲前往的导航目标点；

（2）当有风浪、海流等环境外力干扰时，船舶将偏离其AB导航路径，并产生部分轨迹偏差量，此时，通过船舶当前位置O点计算出本船受环境外力干扰而产生的轨迹偏差量，即由O点向 AB 线段作垂线，垂直距离d即为轨迹偏差量；

（3）假设过 O 点的垂线与 AB 线段相交于D点，此时，利用原导航路径DB作为平行四边形的对角线，而利用 OD 线段作为平行四边形的一边，作完整的平行四边形，此平行四边形的四个顶点分别为OBCD四点，A、B、O点坐标已知，分别为A（X₁，Y₁），B（X₂，Y₂），O（X₃，Y₃），求得C点坐标为C（m，n）；

（4）求解出的C点即为航路纠偏后的新的导航目标点，线段OC与竖直方向的夹角β即为 船舶新的导航参考航向角，

。

2.根据权利要求1所述的一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，其特征在于，所述方法应用于船舶自动航行控制器上，是一种平行线航路纠偏修正方法。

3.根据权利要求2所述的一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，其特征在于，所述船舶自动航行控制器为闭合回路控制。

4.根据权利要求3所述的一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，其特征在于，将风浪、海流环境外力产生的偏差作为返回修正量，基于偏差量修正航向角，进而使船舶迅速返回到规划路径上。

5.根据权利要求1所述的一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，其特征在于，航路规划后，纠偏后新航线的计算方法包括：

各点的位置坐标分别为：A（X₁，Y₁），B（X₂，Y₂），C（m，n），O（X₃，Y₃），D（X₄，Y₄）；

垂直距离的表达式为：

；

垂直点D的坐标为：

；

利用平行四边形的几何关系，求得与B点距离为d的点的坐标为：

；

利用

点坐标与本船所在位置O点坐标，即可求得新的导航参考航向角β。

6.根据权利要求5所述的一种船舶自动航行控制器航路规划与纠偏修正方法，其特征在于，后续的航线目标点均按照纠偏后新航线的计算方法依次进行，纠偏后新航线的计算方法运用于自动航行时的宽阔水域，航路规划过程中，自动避开障碍物。

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