CN110908369A - 一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法 - Google Patents

一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法 Download PDF

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胡凤丹
许金山
帅永辉
程徐
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Zhejiang University of Technology ZJUT
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    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/02—Control of position or course in two dimensions
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    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/0011—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot associated with a remote control arrangement
    • G05D1/0016—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot associated with a remote control arrangement characterised by the operator's input device

Abstract

一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法，包括以下步骤：1)定义手动控制器每个按键的功能；2)根据船舶手册上的实际船舶参数，首先对船舶的动力系统(推进器和舵机)建立数学模型，实现转速和舵角到力与力矩的转化；3)建立船舶的风干扰模型；4)根据船舶运动学和动力学知识，建立船舶运动数学模型；5)将步骤一、二、三的每个模型组合成船舶停泊仿真模块，在该模块上进行船舶停泊操作，采集数据。本发明提供了一种效率较高、精度较高的基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法。

Description

一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法
技术领域
本技术属于船舶自动驾驶技术领域，具体为船舶自动停泊领域，涉及一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法。
背景技术
随着经济的高速发展，世界各国以及国内各地的贸易往来日益频繁，从而导致对交通运输的安全、高效和绿色环保有了更高的要求。海上运输由于具有载运量大、成本低等优点，已经成为当下一种重要的贸易运输方式，如何提高船舶的智能化水平也成为目前一个重要问题。在“互联网+”时代，“智能船舶”、“无人船舶”等概念层出不穷，一场涉及船舶设计、建造、控制、运营等各个阶段的智能化变革正在紧锣密鼓地推进。实现船舶自动驾驶是提高船舶自动化、智能化水平的重点和难点。智能船舶自动驾驶技术具有使用海况适应性强，续航时间长，安全性能高等特点，与传统的驾驶技术相比有着非常大的优势，是当前造船业，航海运输，海洋勘探等行业的主要的发展方向，同时也成为了现在船舶行业的主要的研究方向。
船舶停泊是船舶航行过程中必须经历的过程，并且是船舶操纵中最困难的任务之一。因此，实现船舶自动停泊是发展船舶自动驾驶进程中的一个重要环节。早期的船舶自动停泊控制器主要是基于PID、卡尔曼滤波、反步法等一些经典算法设计的。目前，基于神经网络、深度学习等技术的船舶自动停泊控制器是该领域的一个研究热点。而运用这些技术时首先要解决的问题是数据的采集。以往采集船舶停泊数据的途径有两种：一种是借助非线性规划方法、非线性模型预测控制等算法模拟船舶停泊过程产生数据；另一种是在码头进行真船实验，采集停泊数据。前者产生的数据效率高、数据量大，但是与真实数据相比缺乏较大的可靠性。后者的数据真实可靠，但是由于船舶在停泊过程中会受到环境的影响，而我们在实验时很难创造多种多样的实验环境，所以采集的数据量是非常有限的。数据缺乏真实性、数据量少都会影响所设计的自动停泊控制器的精确性和实用性。
发明内容
为了克服现有技术采集的船舶停泊数据缺乏真实性、数据量不足等问题，本发明提供了一种效率较高、精度较高的基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法。
为了解决上述技术问题本发明采用如下的技术方案：
一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法，包括以下步骤：
步骤一：定义手动控制器每个按键的功能；
步骤二：根据船舶手册上的实际船舶参数，首先对船舶的动力系统(推进器和舵机)建立数学模型，实现转速和舵角到力与力矩的转化；
步骤三：建立船舶的风干扰模型；
步骤四：根据船舶运动学和动力学知识，建立船舶运动数学模型；
步骤五：将步骤一、二、三的每个模型组合成船舶停泊仿真模块，在该模块上进行船舶停泊操作，采集数据。
进一步，所述步骤一中，使用了5个按钮，并且按照船舶自身特性将它们的功能作如下定义：
按钮2和按钮3用于控制推进器的转速n：按钮2为转速增加键，按钮3为转速减少键，根据推进器参数，n调整范围为[-150rpm,150rpm]；
按钮4和按钮5用于调整控制舵机的角度δ：按钮4为转速增加键，按钮5为转速减少键，根据推进器参数，δ调整范围为[45°,45°]；
按钮1为停止键，当船舶达到目的地时按下按钮1结束本次操作。
本发明的有益效果主要表现在：有效地克服了船舶数据量不足、数据真实性不高的问题，为设计鲁棒性更高的船舶停泊控制器奠定了基础。
附图说明
图1是船舶停泊数据采集模块结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法，包括以下步骤：
步骤一：定义手动控制器每个按键的功能；
步骤二：根据船舶手册上的实际船舶参数，首先对船舶的动力系统(推进器和舵机)建立数学模型，实现转速和舵角到力与力矩的转化；
步骤三：建立船舶的风干扰模型；
步骤四：根据船舶运动学和动力学知识，建立船舶运动数学模型；
步骤五：将步骤一、二、三的每个模型组合成船舶停泊仿真模块，在该模块上进行船舶停泊操作，采集数据。
进一步，所述步骤一中，使用了5个按钮，并且按照船舶自身特性将它们的功能作如下定义：
按钮2和按钮3用于控制推进器的转速n：按钮2为转速增加键，按钮3为转速减少键，根据推进器参数，n调整范围为[-150rpm,150rpm]；
按钮4和按钮5用于调整控制舵机的角度δ：按钮4为转速增加键，按钮5为转速减少键，根据推进器参数，δ调整范围为[45°,45°]；
按钮1为停止键，当船舶达到目的地时按下按钮1结束本次操作。
本发明的体系结构图如图1所示，它主要由四部分组成：手动控制器，船舶动力系统，风干扰模型和船舶运动数学模型。
手动控制器的结构在本发明中使用了5个按钮，并且按照船舶自身特性将它们的功能作如下定义：
按钮2和按钮3用于控制推进器的转速n：按钮2为转速增加键，按钮3为转速减少键，根据推进器参数，n调整范围为[-150rpm,150rpm]。
按钮4和按钮5用于调整控制舵机的角度δ：按钮4为转速增加键，按钮5为转速减少键，根据推进器参数，δ调整范围为[45°,45°]。
按钮1为停止键，当船舶达到目的地时按下按钮1结束本次操作。
船舶动力系统主要包括推进器和舵机两部分。
所述推进器主要产生船舶纵向上的作用力，横向和艏转上的作用力可以忽略不计，即
XP＝(1-tP)T
YP＝0
NP＝0
这里，XP、YP和NP分别表示推进器作用在船舶纵向、横向和艏转上的力与力矩；tP是推力系数；T是推进器产生的推力，可以定义为
Figure BDA0002242105030000041
式中，ρ为水的密度；Dp为螺旋桨直径；n为推进器转速；kT为推进器参数。
舵机具有控制船舶航向的功能，体现船舶的操纵性。当水流以某冲角冲至舵叶上时，就会产生流体动力，并且该作用力通过舵杆传递给船体，从而使船舶产生扭矩、改变航向。舵机在船体上的作用力可由下式计算：
XR＝-(1-tR)FNsinδ
YR＝-(1+aH)FNcosδ
NR＝-(xR+aHxP)FNcosδ
式中，XR、YR和NR分别表示舵机作用在船舶纵向、横向和艏转上的力与力矩；tR和aH是舵机系数；xR是舵机到船舶重心的距离；xP是推进器到船舶重心的距离；FN是作用在舵面上的正压力。
风干扰模型：在停泊过程中，风对船舶的影响最为显著，如果不能及时补偿风干扰，船舶航向就会发生变化，从造成事故的发生。风对船舶的作用力大小不仅与风的速度和方向有关，还和船舶的形状、航速等有关，具体值可由下式计算：
Figure BDA0002242105030000051
Figure BDA0002242105030000052
Figure BDA0002242105030000053
式中，XW、YW和NW分别表示风作用在船舶纵向、横向和艏转上的力与力矩；CX、CY和CN是系数；Vr是风相对于船舶的速度；AT和AL是船舶的正面和侧面的投影面积；L是船长。
船舶运动数学模型：根据牛顿第二定律可得船舶的运动方程为
Figure BDA0002242105030000054
Figure BDA0002242105030000055
Figure BDA0002242105030000056
式中，m是船体质量；mx和my是船体纵向和横向上的附加质量；IZZ和JZZ是船体的转动惯量和附加转动惯量；u、v和r分别为纵向、横向上的速度和艏转角速度；XH、YH和NH分别表示流体作用在船舶纵向、横向和艏转上的力与力矩，可由实验获得。
利用龙格－库塔法对上述运动方程进行求解，可得船舶的加速度。然后运用欧拉数值积分计算船舶的速度和位置。
本发明提出一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法，有经验的船长可以通过手动控制器操纵船舶完成船舶停泊过程，从而采集大量可靠的船舶停泊数据，为设计高鲁棒性的自动停泊控制器提供有效数据。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：定义手动控制器每个按键的功能；
步骤二：根据船舶手册上的实际船舶参数，首先对船舶的动力系统建立数学模型，实现转速和舵角到力与力矩的转化；
步骤三：建立船舶的风干扰模型；
步骤四：根据船舶运动学和动力学知识，建立船舶运动数学模型；
步骤五：将步骤一、二、三的每个模型组合成船舶停泊仿真模块，在该模块上进行船舶停泊操作，采集数据。
2.如权利要求1所述的基于手动控制器的船舶停泊数据采集方法，其特征在于，所述步骤一中，使用了5个按钮，并且按照船舶自身特性将它们的功能作如下定义：
按钮2和按钮3用于控制推进器的转速n：按钮2为转速增加键，按钮3为转速减少键，根据推进器参数，n调整范围为[-150rpm，150rpm]；
按钮4和按钮5用于调整控制舵机的角度δ：按钮4为转速增加键，按钮5为转速减少键，根据推进器参数，δ调整范围为[45°，45°]；
按钮1为停止键，当船舶达到目的地时按下按钮1结束本次操作。
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