CN109388060A - 面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种面向海上拖航作业的无人拖船集群作业系统和协同作业方法，拖航作业系统，包括被拖母船、无人拖船和中央控制系统。本发明无人拖航作业无需人为干预，由中央控制系统与所述的被拖母船的定位导航系统、通讯系统和无人拖船包括控制系统、推进系统、环境感知系统、定位导航系统和通讯系统协同工作，实现自动拖带作业，即系统自动计算出最优拖航路径以及循迹时每个无人拖船需要提供的最优拖曳力方案，使海上拖航作业实现智能化。

Description

面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统和方法

技术领域

本发明涉及海上拖航作业，特别是一种面向海上拖航作业的无人船集群协同作业系统和方法。

背景技术

随着全球航运事业的发展和通航密度的增大，拖航业务也进入繁忙阶段。同时，船舶逐渐向大型化发展，其进出港、靠离码头等特殊工况下，操纵比较困难，需要借助拖轮拖带来协助操船。对于没有自航能力的驳船或者失去自航能力的船舶的海上救助也需要拖带完成。此外，海洋钻井平台的转移同样依赖拖船拖带作业完成。而传统的人工拖航作业程序繁琐、操纵复杂、风险较大、效率低下，已渐渐不足以应对日益繁多的拖航业务需求。因此需要一种更加智能和高效的拖航作业方式来提高拖航作业的效率。目前，无人智能体(如无人机、无人船、无人驾驶汽车等)已逐渐应用于工业界和民众生活中。随着无人技术的发展和完善，采用无人拖船代替传统人工操纵拖船进行拖航作业已变得可行。

具体地，传统拖航作业多是依靠船长和引航员的经验来现场应变，这种操纵方式很难精确地设定和控制拖航时的航线，同时也可能增加拖航航行的危险。同时，引航员通过传呼机发送指令给多名拖船船长，从指令逐条发送完成到各个拖船完成相应的拖带动作之间存在着一定的延迟，这样的延迟在日益繁忙的航线和海港中易引发事故。所以，针对传统人工拖航作业无法克服程序繁琐、操纵复杂、风险较大、效率低下等缺点，研究无人拖船集群的协同拖航作业系统对航运业和海洋工程的发展有重大意义。

发明内容

针对上述传统人工拖航作业的技术问题，本发明提出一种面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统及方法，使海上拖航作业无人化和智能化，有效提高拖航作业的效率。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统，其特点在于包括被拖母船、若干无人拖船和中央控制系统；

所述的被拖母船包括定位导航系统和通讯系统；

所述的无人拖船包括控制系统、推进系统、环境感知系统、定位导航系统和通讯系统；

所述的无人拖船上的环境感知系统通过风速计、激光雷达和双目摄像头来收集外界环境中的风速、风向和航行区域内的障碍物信息；被拖母船和无人拖船上的定位导航定位系统通过差分全球定位系统(DGPS)、多普勒测速仪、惯性导航设备来实时收集被拖母船和各个无人拖船的位置、航速和航向的运动状态信息；通讯系统采用无线电台的方式来进行中央控制系统与每个无人拖船的双向数据通信；

所述的中央控制系统安装在被拖母船上，与母船的定位导航系和通讯系统相连，并通过通讯系统与无人拖船进行实时数据传输。

上述面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统的协同作业方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

1)所述的中央控制系统根据被拖母船的吨位、无人拖船推进系统的推力限额、缆绳最大许用应力，首先确定无人拖船的数量和合理选择母船上拖点，确定各个无人拖船的拖点和拖曳力方向；无人拖船根据拖点的位置，合理选择拖带的方式，若拖点靠近母船船艏，则采用缆绳牵引的方式，若拖点靠近母船船尾则采用拖船顶推的方式，通过缆绳将被拖母船的拖点与各个无人拖船相连；

2)所述的中央控制系统根据拖船数量、拖点位置、各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力和各个无人拖船的实时运动状态信息，确定安全、省时的最优拖航路径p_d；

3)各个无人拖船的环境感知系统和定位导航系统分别收集实时环境信息和自身的运动状态信息，并通过通讯系统发送给所述的中央控制系统，被拖母船的定位导航系统收集自身的实时运动状态信息，并发送给中央控制系统，由中央控制系统完成以下计算：

(1)确定母船的运动方程：

其中，p、ψ和v分别是母船的位置、艏向角和速度，R^T(ψ)为大地坐标系与随船坐标系的转换矩阵：

下面等式左边三项分别对应着母船的惯性力、科里奥利力与离心力、以及阻尼力，等式右边，τ_out为外界环境力，τ_net为全部无人拖船作用在母船上的合力，τ_net＝Bτ，B为拖船的配置矩阵，与每个拖船的托点位置和拖曳力方向相关，B_i为配置矩阵B的第i列为：

其中x_i和y_i分别为在随船坐标系内的拖点i的坐标，α_i为拖力的方向角；

(2)定义母船实际路径和航速与预期值的误差；e_p＝R^T(ψ)(p_d-p)，此外，定义误差e＝e_v+k_pe_p；其中，k_p＞0为增益系数；

(3)根据上一步得到的误差，利用反馈控制器按下列公式计算母船循迹所需的拖船拖曳力的合力τ_net：

其中，r为艏摇角速度，k＞0是增益系数；

4)根据步骤3)得到总拖曳力的合力τ_net，在各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力约束下，中央控制系统采用蒙特卡洛方法求解拖曳力在无人拖船之间进行分配的最优化问题，得到第j条拖船所需要实现的拖曳力或顶推力τ_j；

5)中央控制系统通过通讯系统向各个无人拖船发出推进系统推力指令，各无人拖船遵循相应推进系统推力指令，提供相应的拖曳力或顶推力，通过相应拖带方式实施无人拖航作业；

6)当被拖母船未达到指定地点时，返回步骤3)；当被拖母船达到指定地点时，进入下一步；

7)结束拖航作业。

与传统拖航作业方式相比，本发明的技术特点和有益效果在于：

本发明面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统，无人拖航作业无需人为干预，由中央控制系统与所述的被拖母船的定位导航系统、通讯系统和无人拖船包括控制系统、推进系统、环境感知系统、定位导航系统和通讯系统协同工作实现自动拖带作业，即系统自动计算出最优拖航路径以及循迹时每个无人拖船需要提供的最优拖曳力方案，使海上拖航作业实现智能化。

附图说明

图1为无人拖船集群协同拖航作业方式示意图；

图2为无人拖船集群协同作业系统示意图；

图3为无人拖船系统组成示意图；

图4为被拖母船系统组成示意图；

图5为中央控制系统示意图。

具体实施方案

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。

图1显示了无人拖船集群协同作业方式，即一艘被拖母船由一群无人拖船通过缆绳牵引或顶推的方式进行拖带作业。图中显示前面两艘无人拖船通过缆绳牵引母船，后面的两艘无人拖船顶推母船。无人拖船协同作用，分别提供合适大小和方向的拖曳力来合作完成母船的拖带作业。

图2展示了无人拖船集群协同拖航作业系统，该系统主要由被拖母船、若干无人拖船和中央控制系统组成。所述的被拖母船是拖航作业中需要被拖带的对象；若干无人拖船是拖航作业的主要实施者；所述的中央控制系统安装在被拖母船上，是整个无人拖航系统的核心和大脑，担负数据收集和处理、拖航路径规划、循迹、拖曳力分配、指令分发的功能。具体地，中央控制系统接收来自母船的自身位置信息，并接收来自各个无人拖船的自身运动状态信息和外界环境信息。中央控制系统向各无人拖船推力系统发送推力指令，各无人拖船遵循相应推进系统推力指令即可提供相应的拖曳力，通过相应拖带方式(缆绳牵引、顶推)，作用在被拖母船上即可实施无人拖航作业。

图3展示了无人拖航作业系统中的无人拖船内部示意图。无人拖船安装有定位导航系统、环境感知系统、通讯系统、控制系统、推进系统。其中，环境感知系统主要是通过风速计、激光雷达等传感器来收集外界环境的风、可能路径上的障碍信息；定位导航系统通过DGPS(差分全球定位系统)、多普勒测速仪、惯性导航来收集无人拖船自身的实时位置、航速、航向的自身运动状态信息；通讯系统主要是采用无线电台的方式来进行自身与中央控制系统的双向通信，即无人拖船通过通讯系统向中央控制系统发送自身实时运动状态信息和环境信息，接收来自中央控制系统的推力指令；接收到推力指令，无人拖船的推力系统提供相应大小和方向的拖曳力来实施拖航作业。

图4展示了无人拖航系统中的被拖母船的内部示意图。被拖母船上安装有定位导航系统、通讯系统和中央控制系统。其中定位导航系统则是通过DGPS(差分全球定位系统)、多普勒测速仪、惯性导航来收集被拖母船的位置、航速、航向的实时运动状态信息；通过通讯系统将实时运动状态信息发送到中央控制系统。

图5则是具体介绍无人拖船集群协同拖航系统的中央控制系统，该系统安装在被拖母船上。

利用本发明面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统的协同作业方法，包括下列步骤：

1)所述的中央控制系统根据被拖母船的吨位、无人拖船推进系统的推力限额、缆绳最大许用应力，首先确定无人拖船的数量和合理选择母船上拖点，确定各个无人拖船的拖点和拖曳力方向；无人拖船根据拖点的位置，合理选择拖带的方式，若拖点靠近母船船艏，则采用缆绳牵引的方式，若拖点靠近母船船尾则采用拖船顶推的方式，通过缆绳将被拖母船的拖点与各个无人拖船相连；

2)所述的中央控制系统根据拖船数量、拖点位置、各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力和各个无人拖船的实时运动状态信息，确定安全、省时的最优拖航路径p_d；

3)各个无人拖船的环境感知系统和定位导航系统分别收集实时环境信息和自身的运动状态信息，并通过通讯系统发送给所述的中央控制系统，被拖母船的定位导航系统收集自身的实时运动状态信息，并发送给中央控制系统，由中央控制系统完成以下计算：

(1)确定母船的运动方程：

其中，p、ψ和v分别是母船的位置、艏向角和速度，R^T(ψ)为大地坐标系与随船坐标系的转换矩阵：

下面等式左边三项分别对应着母船的惯性力、科里奥利力与离心力、以及阻尼力，等式右边，τ_out为外界环境力，τ_net为全部无人拖船作用在母船上的合力，τ_net＝Bτ，B为拖船的配置矩阵，与每个拖船的托点位置和拖曳力方向相关，B_i为配置矩阵B的第i列为：

其中x_i和y_i分别为在随船坐标系内的拖点i的坐标，α_i为拖力的方向角；

(2)定义母船实际路径和航速与预期值的误差；e_p＝R^T(ψ)(p_d-p)，此外，定义误差e＝e_v+k_pe_p；其中，k_p＞0为增益系数；

(3)根据上一步得到的误差，利用反馈控制器按下列公式计算母船循迹所需的拖船拖曳力的合力τ_net：

其中，r为艏摇角速度，k＞0是增益系数；

4)根据步骤3)得到总拖曳力的合力τ_net，在各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力约束下，中央控制系统采用蒙特卡洛方法求解拖曳力在无人拖船之间进行分配的最优化问题，得到第j条拖船所需要实现的拖曳力或顶推力τ_j；

5)中央控制系统通过通讯系统向各个无人拖船发出推进系统推力指令，各无人拖船遵循相应推进系统推力指令，提供相应的拖曳力或顶推力，通过相应拖带方式实施无人拖航作业；

6)当被拖母船未达到指定地点时，返回步骤3)；当被拖母船达到指定地点时，进入下一步；

7)结束拖航作业。

实验表明，本发明面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统，无人拖航作业无需人为干预，由中央控制系统与所述的被拖母船的定位导航系统、通讯系统和无人拖船包括控制系统、推进系统、环境感知系统、定位导航系统和通讯系统协同工作实现自动拖带作业，即系统自动计算出最优拖航路径以及循迹时每个无人拖船需要提供的最优拖曳力方案，使海上拖航作业实现智能化。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述例子的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附权利要求书及其等同物界定。

Claims (2)

1.一种面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统，其特征在于包括被拖母船、若干无人拖船和中央控制系统；

所述的被拖母船包括定位导航系统和通讯系统；

所述的无人拖船包括控制系统、推进系统、环境感知系统、定位导航系统和通讯系统；

所述的无人拖船上的环境感知系统通过风速计、激光雷达和双目摄像头来收集外界环境中的风速、风向和航行区域内的障碍物信息；被拖母船和无人拖船上的定位导航定位系统通过差分全球定位系统(DGPS)、多普勒测速仪、惯性导航设备来实时收集被拖母船和各个无人拖船的位置、航速和航向的运动状态信息；通讯系统采用无线电台的方式来进行中央控制系统与每个无人拖船的双向数据通信；

所述的中央控制系统安装在被拖母船上，与母船的定位导航系和通讯系统相连，并通过通讯系统与无人拖船进行实时数据传输。

2.根据权利要求1所述的面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统的协同作业方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)所述的中央控制系统根据被拖母船的吨位、无人拖船推进系统的推力限额、缆绳最大许用应力，首先确定无人拖船的数量和合理选择母船上拖点，确定各个无人拖船的拖点和拖曳力方向；无人拖船根据拖点的位置，合理选择拖带的方式，若拖点靠近母船船艏，则采用缆绳牵引的方式，若拖点靠近母船船尾则采用拖船顶推的方式，通过缆绳将被拖母船的拖点与各个无人拖船相连；

2)所述的中央控制系统根据拖船数量、拖点位置、各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力和各个无人拖船的实时运动状态信息，确定安全、省时的最优拖航路径p_d；

3)各个无人拖船的环境感知系统和定位导航系统分别收集实时环境信息和自身的运动状态信息，并通过通讯系统发送给所述的中央控制系统，被拖母船的定位导航系统收集自身的实时运动状态信息，并发送给中央控制系统，由中央控制系统完成以下计算：

(1)确定母船的运动方程：

其中，p、ψ和v分别是母船的位置、艏向角和速度，R^T(ψ)为大地坐标系与随船坐标系的转换矩阵：

下面等式左边三项分别对应着母船的惯性力、科里奥利力与离心力、以及阻尼力，等式右边，τ_out为外界环境力，τ_net为全部无人拖船作用在母船上的合力，τ_net＝Bτ，B为拖船的配置矩阵，与每个拖船的托点位置和拖曳力方向相关，B_i为配置矩阵B的第i列为：

其中x_i和y_i分别为在随船坐标系内的拖点i的坐标，α_i为拖力的方向角；

(2)定义母船实际路径和航速与预期值的误差；e_p＝R^T(ψ)(p_d-p)，此外，定义误差e＝e_v+k_pe_p；其中，k_p＞0为增益系数；

(3)根据上一步得到的误差，利用反馈控制器按下列公式计算母船循迹所需的拖船拖曳力的合力τ_net：

其中，r为艏摇角速度，k＞0是增益系数；

4)根据步骤3)得到总拖曳力的合力τ_net，在各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力约束下，中央控制系统采用蒙特卡洛方法求解拖曳力在无人拖船之间进行分配的最优化问题，得到第j条拖船所需要实现的拖曳力或顶推力τ_j；

5)中央控制系统通过通讯系统向各个无人拖船发出推进系统推力指令，各无人拖船遵循相应推进系统推力指令，提供相应的拖曳力或顶推力，通过相应拖带方式实施无人拖航作业；

6)当被拖母船未达到指定地点时，返回步骤3)；当被拖母船达到指定地点时，进入下一步；

7)结束拖航作业。