CN110609553A - 一种用于铺管船舶圆弧路径的los导引控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶动力定位控制技术领域，具体涉及一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法。本发明用于铺管船在圆弧路径中的视向点计算，艏向角计算以及侧滑角计算。本发明的以船舶的位置为圆心，取一半径值作圆，该圆与弧线的交点之一即为视向点，同时船舶的速度方向朝向视向点，并通过几何关系求取所需的期望艏向角和期望侧滑角。本发明能较好的解决了圆弧路径中的视向点计算的问题，使得铺管船对圆弧路径也可以进行跟踪并保持在路径上。

Description

一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法

技术领域

本发明属于船舶动力定位控制技术领域，具体涉及一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法。

背景技术

铺管船是用于铺设海底专用的大型海洋工程船舶，多用于海底输油管道、海底输气管道、海底输水管道的铺设，作为一种应用于海洋工程的特种作业船舶，是我国发展海洋、经略海洋必不可少的一部分。由于铺管船的适用性强、机动性好等特点，其施工工艺已较为成熟，是目前世界上使用进行海底管线铺设最广泛的一种方法。铺管船在进行管道铺设作业时，需要控制船体在海上定位，或是沿着预先设定好的路径进行循迹。采用动力定位技术的船舶即使在风、浪、流等外界作用下，依然可以通过控制推进器产生补偿推力，来确保船舶位置和艏向，因此现在绝大多数铺管船均采用动力定位技术。

铺管船在进行铺管作业中，运行自动跟踪模式时，船舶将遵循预定的管道轨迹(存储在航点表中)移动。船舶运行的路径被存储在航点表中的航迹点分成直线段。对于每一个航迹点，转弯半径(R)在航点表中指定。转弯半径允许一条直线段到另一条直线段平滑弯曲的过渡。船舶的旋转点到管道的接触点之间的距离可以指定。在航点转弯时，将计算船舶航迹，以便将管道、电缆的接触点放在预定的路径上，如图1所示。可以发现，在铺管船的铺管过程中，存在直线循迹和弧线循迹的过程。

在船舶的循迹控制过程中，导引算法起着关键的作用，导引算法主要用来引导船舶不断向期望的路径靠拢。对于水面船舶或是水下潜器的路径跟踪控制，普遍采用视线导引算法(Line-of-sight)。视线导引算法的基本原理是以直线路径展开的，经过国内外学者大量的研究，这种基础的导引算法能适用于各种复杂的曲线路径的导引。在针对广义的曲线路径导引时，通过对曲线上相应点做切线，然后在切线上采用直线路径导引算法的计算公式计算视向点，这种方法的弊端是视向点已经不在期望路径上，因此这种方法也主要针对的是欠驱动的船舶，对路径跟踪精度没有太高的要求。对于铺管船在圆弧路径上的循迹控制，有的学者采用虚拟质点的方式引导船舶在圆弧上的运动，但这种导引方式是开环的，没有兼顾船舶的实时位置，没有考虑在外界干扰下，船舶是否能跟上虚拟质点。

因此基于直线路径上的LOS导引算法，提出了一种铺管船圆弧路径上的LOS导引算法，用于计算在铺管船圆弧路径中的视向点，期望艏向角以及期望侧滑角，LOS引导算法的作用是在每一时刻为船舶提供期望的艏向角，将期望的船舶位置映射为期望的艏向角。该方法可以使铺管船对圆弧路径也可以进行跟踪并保持在路径上。

发明内容

本发明的目的在于提供用于计算在铺管船圆弧路径中的视向点、期望艏向角以及期望侧滑角，使铺管船对圆弧路径也可以进行跟踪并保持在路径上的一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：确定圆弧路径相关信息，包括确定圆心位置和圆弧半径以及路径起点和终点；以圆弧路径的圆心为坐标系原点O，以正北方向为N轴，以正东方向为E轴建立北东坐标系；原点O的坐标为(N₀,E₀)；

步骤2：确定船舶当前航迹角、艏向角ψ_t和船舶中心P_s坐标(N_i,E_i)；

步骤3：计算视向点P_los的位置坐标；

步骤4：计算船舶期望艏向角ψ_d、期望侧滑角β_d以及期望速度；

步骤5：计算船舶纵向力τ_u、横向力τ_v以及转艏力矩τ_ψ；

步骤6：将计算结果输入船舶运动数学模型中，最终得到船舶的运动姿态。

本发明还可以包括：

所述的步骤3中视向点P_los的确定方法为：以船舶的位置为圆心，以半径值r作圆，位于船舶的速度方向朝向处该圆与圆弧路径的交点为视向点；所述的半径值r的取值具体为：船舶中心到圆弧路径的最小距离为e，单位为米；当e＜10时，r＝10；当e≥10时，1.1e≤r≤1.5e。

所述的步骤3中视向点P_los的位置坐标的计算方法为：

其中，R为圆弧路径的半径；C_ol为视向点P_los与圆弧路径的圆心O连线所对应的航迹角；所述的航迹角为由正北轴到两点连线顺时针方向的夹角，C_ol的计算方法为：

c_ol＝c_os±b

其中，C_os为船舶中心P_s与圆弧路径的圆心O连线所对应的航迹角；当圆弧路径为顺时针时取加号，逆时针时取减号；b为圆弧路径的圆心O与船舶中心P_s的连线和圆弧路径的圆心O与视向点P_los连线之间的夹角，具体计算公式为：

其中l为船舶中心P_s到圆弧路径的圆心O之间的距离。

所述的步骤4中船舶期望艏向角ψ_d的计算方法为：

其中，θ为期望船舶艏向与圆弧路径视向点处切线的夹角；

所述的步骤4中期望侧滑角β_d的计算方法为：

β_d＝χ_d-ψ_t

其中，χ_d为船舶期望速度方向与正北轴夹角，具体计算公式为：

χ_d＝arctan((E_los-E_i)/(N_los-N_i))；

所述的步骤4中期望速度的计算方法为：

其中，U_d为船舶在圆弧路径上期望速度大小；u_d为期望纵向速度；v_d为期望横向速度。

所述的步骤5中船舶纵向力τ_u、横向力τ_v以及转艏力矩τ_ψ的计算方法为：

其中，u_t,v_t,ψ_t为船舶当前纵向速度，当前横向速度和当前艏向角；t_d为船舶期望运动时间；K_pu,K_du,K_iu为纵向速度PID控制器的参数，K_pv,K_dv,K_iv为横向向速度PID控制器的参数，K_pψ,K_dψ,K_iψ为艏向速度PID控制器的参数。

本发明的有益效果在于：

本发明基于船舶在直线路径上的LOS导引算法，提出了一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法，用于铺管船在圆弧路径中的视向点计算，艏向角计算以及侧滑角计算。本发明的以船舶的位置为圆心，取一半径值作圆，该圆与弧线的交点之一即为视向点，同时船舶的速度方向朝向视向点，并通过几何关系求取所需的期望艏向角和期望侧滑角。本发明能较好的解决了圆弧路径中的视向点计算的问题，使得铺管船对圆弧路径也可以进行跟踪并保持在路径上。

附图说明

图1为铺管船路径特点图。

图2为船舶中心到弧线路径的距离示意图。

图3为曲线路径的LOS导引算法示意图。

图4为圆弧路径上船舶运动控制仿真流程图。

图5为本发明的总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明针对铺管船舶在铺管作业时会存在圆弧路径上的跟踪控制问题，基于直线路径上的LOS导引算法，提出了一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法，用于计算在铺管船圆弧路径中的视向点，期望艏向角以及期望侧滑角，LOS引导算法的作用是在每一时刻为船舶提供期望的艏向角，将期望的船舶位置映射为期望的艏向角。该方法可以使铺管船对圆弧路径也可以进行跟踪并保持在路径上。

本发明中对于动力定位船舶的运动控制研究，均在北东坐标系下完成，其中横坐标轴为N轴，指向正北，纵坐标为E轴，指向正东，坐标系原点O为弧线路径的圆心位置，其坐标为(N₀,E₀)。

(1)视向点位置计算

曲线路径上闭环的导引算法借鉴了直线路径上的LOS导引算法的基本原理，以船舶的位置为圆心，取一半径值作圆，该圆与弧线的交点之一即为视向点。同时船舶的速度方向朝向视向点。设船舶中心到圆弧路径的最小距离为e，单位为米，如图2所示，当e＜10时，r＝10；当e≥10时，1.1e≤r≤1.5e。

曲线路径闭环的LOS导引算法的示意图如图3所示。该图描述的是某段曲线路径上LOS视向点的计算方法，O表示弧线路径的圆心，R表示圆弧半径；P_s表示船舶中心，其坐标为(N_i,E_i)，r为计算视向点的半径；P_los表示弧线路径上的视向点，其坐标为(N_los,E_los)；C_os表示船舶中心和弧线路径圆心连线的航迹角(由正北轴到两点连线顺时针方向的夹角)；b表示视向点、圆心和船舶中心构成夹角的角度；l为船舶中心P_s到圆弧路径的圆心O之间的距离。

为了计算弧线路径上视向点坐标位置，需要知道视向点与圆心连线所对应的航迹角C_ol，相应的计算公式入下；

c_ol＝c_os±b (1)

上式中弧线路径为顺时针时取加号“+”，逆时针时取减号“-”。

根据航迹角C_ol计算视向点位置的公式如下：

(2)期望艏向角计算

对于铺管船舶在铺管作业时，其艏向一般要求与路径的切线维持一定的夹角，因此根据航迹角C_ol计算期望艏向角的公式如下：

式中：θ为期望船舶艏向与圆弧路径视向点处切线的夹角，该角度与铺管接触距离和圆弧半径有关，因此不做过多阐述。

(3)期望侧滑角计算

设当前船舶的艏向角为ψ_t，当前位置坐标为(N_i,E_i)，设船舶期望速度方向与正北轴夹角为χ_d，则：

χ_d＝arctan((E_los-E_i)/(N_los-N_i)) (5)

计算期望侧滑角β_d的公式如下：

β_d＝χ_d-ψ_t (6)

即：

β_d＝arctan((E_los-E_i)/(N_los-N_i))-ψ_t (7)

(4)期望速度计算

铺管船作为全驱动船舶，可以实现在水面上三个自由度的精确控制，设船舶在圆弧路径上期望速度大小为U_d，则根据期望侧滑角可得出船舶的期望纵向速度和期望横向速度。

式中：u_d为期望纵向速度，v_d为期望横向速度。

(5)船舶纵向力，横向力，转艏力矩计算

根据艏向角以及船舶期望速度，可得出船舶纵向力τ_u，船舶横向力τ_v，船舶转艏力矩τ_ψ如下：

其中，u_d,v_d,ψ_d为船舶期望纵向速度，期望横向速度和期望艏向角；u_t,v_t,ψ_t为船舶当前纵向速度，当前横向速度和当前艏向角；t_d为船舶期望运动时间；K_pu,K_du,K_iu为纵向速度PID控制器的参数；K_pv,K_dv,K_iv为横向向速度PID控制器的参数；K_pψ,K_dψ,K_iψ为艏向速度PID控制器的参数。

本发明的具体步骤如下：

第一步，确定圆弧路径相关信息，确定圆弧路径信息，主要确定圆心位置和圆弧半径以及路径起点和终点等信息为视向点的计算做好准备。

第二步，根据计算船舶中心点和圆心位置连线和正北轴之间顺时针方向的夹角，即C_os。

第三步，根据计算视向点的半径，确定视向点、圆心和船舶中心点的夹角b。

第四步，计算视向点和路径圆心连线与正北轴在顺时针方向的夹角C_ol，相应的计算公式入下；

c_ol＝c_os±b (11)

上式中弧线路径为顺时针时取加号“+”，逆时针时取减号“-”。

第五步，根据视向点对应的角度C_ol，计算视向点的位置。视向点位置的计算公式如下；

第六步，根据航迹角C_ol计算期望艏向角，公式如下：

第七步，设当前船舶的艏向角为ψ_t，当前位置坐标为(N_i,E_i)，设船舶期望速度方向与正北轴夹角为χ_d，则计算期望侧滑角的公式如下：

β_d＝arctan((E_los-E_i)/(N_los-N_i))-ψ_t (14)

第八步，设船舶在圆弧路径上期望速度大小为U_d，则根据期望侧滑角可得出船舶的期望纵向速度和期望横向速度如下：

第九步，根据艏向角以及船舶期望速度，可得出船舶纵向力τ_u，船舶横向力τ_v，船舶转艏力矩τ_ψ如下：

其中，u_d,v_d,ψ_d为船舶期望纵向速度，期望横向速度和期望艏向角；u_t,v_t,ψ_t为船舶当前纵向速度，当前横向速度和当前艏向角；t_d为船舶期望运动时间；

第十步，将计算所得船舶纵向力，船舶横向力，船舶转艏力矩输入船舶运动数学模型中，最终得到船舶的运动姿态。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定圆弧路径相关信息，包括确定圆心位置和圆弧半径以及路径起点和终点；以圆弧路径的圆心为坐标系原点O，以正北方向为N轴，以正东方向为E轴建立北东坐标系；原点O的坐标为(N₀,E₀)；

步骤2：确定船舶当前航迹角、艏向角ψ_t和船舶中心P_s坐标(N_i,E_i)；

步骤3：计算视向点P_los的位置坐标；

步骤4：计算船舶期望艏向角ψ_d、期望侧滑角β_d以及期望速度；

步骤5：计算船舶纵向力τ_u、横向力τ_v以及转艏力矩τ_ψ；

步骤6：将计算结果输入船舶运动数学模型中，最终得到船舶的运动姿态。

2.根据权利要求1所述的一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法，其特征在于：所述的步骤3中视向点P_los的确定方法为：以船舶的位置为圆心，以半径值r作圆，位于船舶的速度方向朝向处该圆与圆弧路径的交点为视向点；所述的半径值r的取值具体为：船舶中心到圆弧路径的最小距离为e，单位为米；当e＜10时，r＝10；当e≥10时，1.1e≤r≤1.5e。

3.根据权利要求2所述的一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法，其特征在于：所述的步骤3中视向点P_los的位置坐标的计算方法为：

其中，R为圆弧路径的半径；C_ol为视向点P_los与圆弧路径的圆心O连线所对应的航迹角；所述的航迹角为由正北轴到两点连线顺时针方向的夹角，C_ol的计算方法为：

c_ol＝c_os±b

其中，C_os为船舶中心P_s与圆弧路径的圆心O连线所对应的航迹角；当圆弧路径为顺时针时取加号，逆时针时取减号；b为圆弧路径的圆心O与船舶中心P_s的连线和圆弧路径的圆心O与视向点P_los连线之间的夹角，具体计算公式为：

其中l为船舶中心P_s到圆弧路径的圆心O之间的距离。

4.根据权利要求3所述的一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法，其特征在于：所述的步骤4中船舶期望艏向角ψ_d的计算方法为：

其中，θ为期望船舶艏向与圆弧路径视向点处切线的夹角；

所述的步骤4中期望侧滑角β_d的计算方法为：

β_d＝χ_d-ψ_t

其中，χ_d为船舶期望速度方向与正北轴夹角，具体计算公式为：

χ_d＝arctan((E_los-E_i)/(N_los-N_i))；

所述的步骤4中期望速度的计算方法为：

其中，U_d为船舶在圆弧路径上期望速度大小；u_d为期望纵向速度；v_d为期望横向速度。

5.根据权利要求4所述的一种用于铺管船舶圆弧路径的LOS导引控制方法，其特征在于：所述的步骤5中船舶纵向力τ_u、横向力τ_v以及转艏力矩τ_ψ的计算方法为：

其中，u_t,v_t,ψ_t为船舶当前纵向速度，当前横向速度和当前艏向角；t_d为船舶期望运动时间；K_pu,K_du,K_iu为纵向速度PID控制器的参数，K_pv,K_dv,K_iv为横向向速度PID控制器的参数，K_pψ,K_dψ,K_iψ为艏向速度PID控制器的参数。