CN110986927A - 一种基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法 - Google Patents

一种基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法，其特征在于，包括：根据电缆铺设参考路径制定的电缆铺设路径；根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径。该方法能够在转向点附近进行有效的航迹控制，实现对电缆铺设的间接控制和高精度自动化铺设，其间接控制理念能够对其他海洋工程自动化发展提供参考价值。

Description

一种基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法
技术领域
本发明涉及船舶航行技术领域，尤其涉及一种基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法。
背景技术
在船舶运动控制的研究内容中，制导系统设计是极其重要的一部分，它可以根据已有的航路点信息来规划出光滑的参考路径，为船舶控制策略提供参考姿态，引导船舶沿着参考路径航行，这对于实现船舶的自动化航行具有关键意义。
在航海实践中，船舶的计划航线(参考路径)通常由船舶驾驶员通过设置航路点进行设定，用来引导海上船舶自动航行。如图2所示，现有的LOS制导算法无法提供完整的电缆铺设路径，进而导致现有的工程作业船舶控制系统中无法有效获取船舶航行的实时姿态参考命令，导致电缆自动铺设的间接控制无法完成。
发明内容
本发明提供一种基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法，以克服上述技术问题。
本发明基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法，包括：
根据电缆铺设参考路径制定的电缆铺设路径；
根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径。
进一步地，所述根据电缆铺设参考路径制定的电缆铺设路径，包括：
根据铺缆任务确定多个参考铺设点，将所述多个铺设点进行连线得到折线段，并将所述折线段进行光滑性处理得到连续的光滑电缆铺设路径。
进一步地，所述根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径，包括：
根据电缆海底着地点与铺缆船重心之间的拖曳段电缆水平投影长度关系，建立关联度方程，获得所述铺缆船的实时航行位置；
根据所述实时航行位置确定所述铺缆船的航行路径。
进一步地，所述将所述曲线进行光滑性处理得到连续的光滑电缆铺设路径，包括：
设置铺缆船的航行速度、最大转向半径和最小转向半径；
计算每一直线的航向角和连续两直线段之间的航向角差；
根据所述航向角差、最小转向半径和最大转向半径计算铺缆船的实时转向半径。
进一步地，所述根据所述航向角差、最小转向半径和最大转向半径来计算铺缆船的实时转向半径，包括：
当航向角差△φi满足
Figure BDA0002327047060000021
时，实时转向半径Ri＝Rmin；
当△φi满足条件
Figure BDA0002327047060000022
时，Ri需要在[Rmin,Rmax]区间里通过内插得到，即
Figure BDA0002327047060000023
其中，所述Ri为实时转向半径，所述△φi为航向角差，所述Rmin为船舶的最小转向半径，所述Rmax为船舶的最大转向半径。
进一步地，所述根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径之后，包括：
根据铺缆船的转向半径将曲线划分为直线区域和弧线区域，根据所述铺缆船的转向半径和所述铺缆船的航速计算得到所述铺缆船转向角速度；
根据所述转向角速度计算弧形区域对应的航路段的转向时间；
根据所述铺缆船的航行速度计算直线区域对应的航路段的航行时间；
根据所述转向时间和航行时间计算铺缆船的航行总时间，并根据所述航向总时间与阈值时间调整铺缆船的航速。
本发明在船舶运动控制的研究内容中，制导系统设计是极其重要的一部分，它可以根据已有的航路点信息来规划出光滑的参考路径，为船舶控制策略提供参考姿态，引导船舶沿着参考路径航行，这对于实现船舶的自动化航行具有关键意义。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法的流程图；
图2是本发明的DLL制导参考路径规划示意图；
图3是本发明的海底电缆铺设三维工程示意图；
图4是本发明的基于DLL制导的铺设船路径跟踪控制示意图；
图5是本发明的面向电缆铺设任务的制导和控制信号流框图；
图6是本发明的DLL制导算法执行流程图
图7是本发明的基于动态收敛圆的LOS制导原理示意图；
图8是本发明的基于不同制导算法下的电缆铺设位置对比结果；
图9(a)是本发明的蒲福风7级条件下海浪波普产生的三维波面视图；
图9(b)是本发明的蒲福风7级条件下风干扰二维风场图；
图10是本发明的存在海洋干扰的基于DLL制导的船舶电缆铺设轨迹。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法的流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：
步骤101、根据电缆铺设参考路径制定的电缆铺设路径；
步骤102、根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径。
具体而言，如图2所示，本实施例的双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法包括两个制导层，Layer1利用虚拟小船制导原理产生基于铺设参考点的电缆规划路径，Layer2根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径。图3为本发明海底电缆铺设三维工程示意图。
Layer1：对于海底电缆铺设项目中铺设起始点已知的铺设任务，我们在充分了解其海底铺设条件之后，通过设置铺设参考点Si来将铺设路段分割成段Si-1→Si,Si→Si+1。之后考虑到电缆自身的物理属性与特殊的铺设要求，我们将使用虚拟小船逻辑制导方法来产生更加符合实际的电缆参考铺设路径Si-1→TinSi→ToutSi→Si+1(由直线段和圆弧段组成)。其中，虚拟小船数学模型不考虑任何船舶惯性和不确定性因素，形式如式(11)所示，主要任务在于利用参考铺设点信息演绎出光滑的电缆铺设路径和与之对应的命令信号。
Layer2：基于电缆铺设过程中拖曳段的水平投影与铺设船间的几何位置关系，同时利用Layer1中规划出的电缆参考铺设路径，建立了铺缆船的关联度方程，可以推导出铺设船的实时航行参考姿态信号。整体执行流程如图6所示。
进一步地，所述根据电缆铺设参考路径制定的电缆铺设路径，包括：
根据铺缆任务确定多个参考铺设点，将所述多个铺设点进行连线，并将所述折线段进行光滑性处理得到连续的光滑电缆铺设路径。
具体而言，对于直线航路段Si-1→TinSi和ToutSi→Si+1，虚拟小船以固定航速ud(由驾驶员决定)航行，航行时间为tL＝Lstr/ud(Lstr为直线路段的距离)。对于圆弧路径TinSi→ToutSi，虚拟小船以时变角速度rdci进行转向，rdci＝ud/Ri，转向时间为tdci＝△φi/rdci，其中Ri为实时转向半径。对于实时转向半径的选择，首先要计算每一直线航路段的航向角φi-1,i,φi,i+1，然后求得连续两段直线路径的航向角差△φi-1,i＝φi,i+1-φi-1,i，且当△φi∈[-π/2,π/2]，相应地，Ri可对应△φi在[Rmin,Rmax]中内插得到，
Figure BDA0002327047060000041
当|△φi|>π/2时，Ri＝Rmin。利用上述算法对所有电缆铺设参考点信息进行计算，获得产生完整电缆参考铺路径的虚拟小船命令信号ud，rdLi,tdLi,i＝1,2,…n-1，rdCi,tdCi,i＝2,3,…n-1。
进一步地，述根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径，包括：
根据电缆海底着地点与铺缆船重心之间的拖曳电缆段的水平投影长度关系，即式(2)，获得所述铺缆船的实时航行位置；
根据所述实时航行位置确定所述铺缆船的航行路径。
Figure BDA0002327047060000051
本申请采用海洋工程船“海洋石油201”号为被控对象，利用MATLAB进行计算机仿真实验。表1给出了“海洋石油201”号的主要尺度参数，其船舶运动数学模型形式如(3)(4),表2为模型相关水动力导数。
表1
Figure BDA0002327047060000052
表2
Figure BDA0002327047060000053
Figure BDA0002327047060000061
Figure BDA0002327047060000062
采用图7所示的基于动态收敛圆的LOS算法与本申请DLL制导算法进行了同等条件下的对比。
对比实验中的电缆铺设参考路径由5个铺设参考点S1(0,0)，S2(500,100)，S3(800,900)，S4(800,1800)，S5(100,2000)确定。两种不同算法下的电缆实际铺设位置的对比结果如图8所示，由于LOS算法在转向点处采取自动转向，无法完成有效的路径跟踪控制，导致较大的资源浪费，而本发明DLL制导算法通过虚拟小船逻辑制导可以获得产生合理参考路径的完整命令信号，从而结合相关的控制算法可以实现全程有效的航迹控制，完成海底电缆的自动铺设。为了更好得印证本发明算法的优越性，将上述2维平面轨迹对比结果进行了量化分析，对两种不同算法下的电缆铺设所需长度进行分析，实验结果如下：DLL-2803.4m，LOS-3030.9m。通过实验数据结果可以看出，本发明所设计的DLL制导算法相比于LOS算法更加适用于海底电缆铺设工程，可以在一定程度上节省电缆铺设资源。
针对海底电缆铺设任务，通过施加风，浪等海洋环境扰动，进一步论证所提算法的有效性。在该仿真实验中，海底电缆铺设路径由5个铺设参考点S1(0,200)，S2(600,200)，S3(900,800)，S4(1600,800)，S5(1800,1400)确定，对应的船舶初始运动状态为[x,y,ψ,u,v,r]＝[200m,200m,0deg,0m/s,0m/s,0deg/s]。期望路径跟踪航速为ud＝3m/s，拖曳电缆的水平投影长度设置为150m。为了保证整个闭环控制系统能够正常运行，控制策略采用复合智能学习控制算法。为了进一步突出本发明DLL算法在恶劣海况下的实际可行性，基于已有的“NORSOK”波浪图谱和“JONSWAP”风谱分析，参考海洋扰动及其机理模型构造，给出了模拟海洋环境干扰，仿真实验所使用环境干扰为：风速为蒲福风7级Vwind＝15m/s，风向ψwind＝200deg；海浪干扰由风干扰模型耦合产生，即为在蒲福风7级情况下充分成长生成的海浪；图9(a)给出了实验中海浪干扰的三维视图，而图9(b)给出了相应的二维风场图；海流Vcurrent＝0.5m/s，流向βcurrent＝220deg。图10给出了上述模拟海洋干扰下的基于DLL制导算法的电缆铺设控制结果，从图10中的局部放大图可以看出，通过控制铺设船的航行，海底电缆可以准确地铺设在参考路径上，成功地实现了海底电缆的自动化铺设，为了进一步说明本发明DLL算法在实际海洋干扰下的有效性，对上述数据结果进行量化分析，得到如下的实验数据结果：xe-mean:0.5296m，ye-mean:0.6528m，其中xe,ye分别表示电缆铺设横向位置差与纵向位置差，从所得实验数据结果，可以明显的看出，结合相应的控制算法，本申请可以实现电缆的高精度自动铺设，从而侧面体现了本发明算法的工程可行性。
结合上面的仿真试验，并与已有技术进行对比，本发明的工程应用能够带来以下有益效果：
1)相比于已有的LOS技术只能实现直线航段的航迹保持控制，本发明中的Layer1应用虚拟小船逻辑制导原理产生光滑的参考路径，能够提供完整的姿态参考信号，结合已有的控制算法，即使在转向点附近也可完成有效的航迹控制。
2)本发明的Layer2利用Layer1提供的用于产生电缆参考路径的虚拟小船命令信号来获取铺缆船的实时姿态参考信息，通过控制铺缆船的航行可以实现对电缆铺设的间接控制，能够完成控制精度较高的电缆自动铺设任务。
3)本发明间接控制理念对其他海洋工程实施，如海底矿产资源的自动挖掘，水产生物的自动捕捞具有重大的参考价值，能够促进相关产业的自动化发展。
根据如图4所示的路径跟踪控制关系，本发明可以结合已有的欠驱动船舶路径跟踪控制算法，以复合智能学习控制算法为例，参考图5给出的实现欠驱动铺缆船路径跟踪控制的信号流程图，最终实现符合海洋工程需求、控制精度较高的海底电缆自动化铺设。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于双层逻辑制导的铺缆船航行路径和速度制定方法，其特征在于，包括：
根据电缆铺设参考路径制定的电缆铺设路径；
根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电缆铺设参考路径制定的电缆铺设路径，包括：
根据铺缆任务确定多个参考铺设点，将所述多个铺设点进行连线得到折线段，并将所述折线段进行光滑性处理得到连续的光滑电缆铺设路径。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径，包括：
根据电缆海底着地点与铺缆船重心之间的拖曳段电缆水平投影长度关系建立关联度方程；
根据所述关联度方程获得所述铺缆船的实时航行位置；
根据所述实时航行位置确定所述铺缆船的航行路径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述曲线进行光滑性处理得到连续的光滑电缆铺设路径，包括：
设置铺缆船的航行速度、最大转向半径和最小转向半径；
计算每一直线的航向角和连续两直线段之间的航向角差；
根据所述航向角差、最小转向半径和最大转向半径计算铺缆船的实时转向半径。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述航向角差、最小转向半径和最大转向半径来计算铺缆船的实时转向半径，包括：
当航向角差△φi满足
Figure FDA0002327047050000011
时，实时转向半径Ri＝Rmin；
当△φi满足条件
Figure FDA0002327047050000012
时，Ri需要在[Rmin,Rmax]区间里通过内插得到，即
Figure FDA0002327047050000013
其中，所述Ri为实时转向半径，所述△φi为航向角差，所述Rmin为船舶的最小转向半径，所述Rmax为船舶的最大转向半径。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电缆的铺设路径推导出铺缆船的航行路径之后，包括：
根据铺缆船的转向半径将曲线划分为直线区域和弧线区域，根据所述铺缆船的转向半径和所述铺缆船的航速计算得到所述铺缆船转向角速度；
根据所述转向角速度计算弧形区域对应的航路段的转向时间；
根据所述铺缆船的航行速度计算直线区域对应的航路段的航行时间；
根据所述转向时间和航行时间计算铺缆船的航行总时间，并根据所述航向总时间与阈值时间调整铺缆船的航速。
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