CN111290392A - 一种过闸船舶编队协同停船控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种过闸船舶编队协同停船控制系统及方法，所述过闸船舶编队包括一艘领航船和多艘跟随船，所述领航船在设定的虚拟停止线处自动停止，所述跟随船在与其前面的领航船或其它跟随船保持一定距离的虚拟停止线处停止，两艘船舶之间通过移动网络实时交互，实现了多艘船舶在闸室内的自动停船控制；所述控制系统包括停船控制单元、编队信息交互单元、船舶状态感知单元和岸基服务单元。

Description

一种过闸船舶编队协同停船控制系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶运动控制技术领域，特别是涉及一种过闸船舶编队协同停船控制系统及方法。

背景技术

三峡—葛洲坝枢纽通航建筑物是长江航运的关键节点，其运行状况直接关系到所在长江航运畅通，直接体现长江公共服务水平，直接影响沿江沿河经济社会建设发展。三峡船闸和葛洲坝一、二号船闸平面尺度为280m×34m，一个闸次可通过4～6条船舶，单船驾驶从靠船墩连续进闸，时间较长，过闸的整体效率不高，且船员的驾驶水平参差不齐而存在安全隐患。

自2013年起长江三峡通航管理局通过对黄金水道重大专项《复杂条件下三峡船闸通过能力提升技术研究》的应用，开展在船闸导航墙部位设置虚拟闸室，船舶从导航墙并排成组进闸，达到了有效缩短船舶的进闸距离和进闸时间，提高了船闸运行效率，日运行闸次数提高至16个。

但是如何进一步提升船舶过闸效率，目前在技术上尚存在瓶颈。且随着长江过闸船舶大型化，大型船舶在闸室内操纵性差，存在船舶使用闸室内浮式系船柱挂缆制动，导致浮式系船柱损毁的现象，需要提高精确感知船舶过闸航行动态，实现大型船舶精确停船控制。因此，在三峡-葛洲坝船闸通航服务与船舶控制技术上亟需技术攻关。

发明内容

本发明针对闸室内船舶精确停船以及协同过闸控制的技术难题，提供一种过闸船舶编队协同停船控制系统及方法，提升船舶过闸效率和安全性。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种过闸船舶编队协同停船控制系统，所述过闸船舶编队包括一艘领航船和多艘跟随船，所述领航船在设定的虚拟停止线处自动停止，所述跟随船在与其前面的领航船或其它跟随船保持一定距离的虚拟停止线处停止，两艘船舶之间通过移动网络实时交互，实现了多艘船舶在闸室内的自动停船控制；

所述控制系统包括停船控制单元、编队信息交互单元、船舶状态感知单元和岸基服务单元。

所述停船控制单元是船舶上安装的一套停船控制系统，停船控制单元根据船舶航速、船舶位置以及相关的船舶航行状态信息对当前航行状态进行判断，并计算船舶下一步航行所需的车钟指令，控制船舶的螺旋桨，最终实现船舶在指定位置停船。

所述编队信息交互单元是实现编队内所有船舶位置、航速、船首向、车钟和螺旋桨转速信息的实时交互。

所述船舶状态感知单元是实现对船舶航行状态的感知和处理，包括领航船航行状态感知以及跟随船航行状态感知单元；

所述领航船航行状态感知单元包含差分GNSS感知船舶位置信息、毫米波雷达感知船周障碍物信息和电罗经感知船首向信息；

所述跟随船航行状态感知单元包括毫米波雷达感知领航船距离以及相对船速、电罗经感知船首向信息，

所述岸基服务单元是实现岸基对船舶停船状态的实时监管，岸基系统通过移动网络接收来自船队中所有船舶的信息，并以电子海图的形式对船舶编队协同停船状态进行实时展示。

所述停船控制单元的控制算法是根据停船距离以及该时刻船舶航速设定船舶航速控制曲线，使船舶到达虚拟停船线附近时速度和输入为0。

采用所述一种过闸船舶编队协同停船控制系进行领航船停船的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：领航船感知单元将采集的航行环境信息以及船舶自身航行状态信息传递到领航船上位机、并通过移动网络将船舶状态信息传递给跟随船上位机以及岸基单元；

步骤2：通过报文解析及领航船下位机传来的报文信息，利用滑模控制算法进行控制计算，求得为实现领航船精准停船，船舶下一步所需的螺旋桨转速；

步骤3：通过领航船串口收发器将滑模控制算法计算得到的领航船下一步航行所需的螺旋桨转速指令信息传入领航船下位机；同时，将计算所得的领航船控制指令通过移动网络传至跟随船上位机以及岸基单元；

步骤4：领航船下位机在接受到上位机的螺旋桨指令后，将其解析为相应的转速控制信号，驱动领航船电动机工作，使领航船螺旋桨响应相应的控制指令；

步骤5：将测得的螺旋桨转速值生成报文，传输到串口收发器进行反馈到领航船上位机，经过解析后将结果用于下一步控制计算；如果船舶航速为0，且计算所得下一步螺旋桨控制输入为0，且船舶位置满足停船精度，则停船完成，否则返回步骤2。

采用所述一种过闸船舶编队协同停船控制系进行跟随船停船的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将跟随船感知单元采集的环境数据、跟随船自身航行状态数据传递到领航船上位机，并通过移动网络将航行状态信息传递到岸基单元；同时，领航船通过移动网络将船舶航行信息以及领航船控制指令传递给跟随船；

步骤2：通过领航船控制指令、领航船航行信息以及跟随船下位机传来的报文信息，利用滑模控制算法进行控制计算，求得为实现跟随船稳定跟船以及精准停船，跟随船下一步所需的螺旋桨转速；

步骤3：通过跟随船串口收发器将滑模控制算法计算得到的跟随船下一步航行所需的螺旋桨转速指令信息传入跟随船下位机；同时，将计算所得的跟随船控制指令通过移动网络传至岸基单元；

步骤4：跟随船船下位机串口收发器将接收到的螺旋桨转速指令信息进行解析成相应的转速控制信号，驱动跟随船电动机工作，使跟随船船螺旋桨响应控制指令。

步骤5：根据领航船停船控制状态以及跟随船自身航行状态判断其是否停船完成，若领航船停船完成且跟随船航速和输入为0，则跟随船停船完成，否则返回步骤2。

本发明有如下有益效果：

1、本发明将毫米波雷达运用于船舶编队间船舶间距测量，毫米波雷达兼具微波制导和光电制导的优点，且其引导头具有体积小、质量轻和空间分辨率高等特点；毫米波雷达对雾、烟、灰尘等的穿透力更强，在船舶航行动态感知中具有独特优势。

2、本发明将滑模控制算法运用于船舶精准停船控制中，滑模控制模型具有调节的参数少，响应速度快的优点，且对扰动不灵敏，可有效抑制船舶航行过程中的不确定干扰。

3、本发明基于滑模控制设计的停船控制算法可以在动态过程中根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定的状态轨迹运动，实现精准停船。

4、本发明根据判断电罗经测得的船艏向与船舶GNSS航向是否一致，对船舶航速进行了正负区分，可以在控制界面更加直观的对船舶航行状态进行观察。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明控制系统结构示意图。

图2为领航船、跟随船环境感知单元结构示意图。

图3为领航船自动停船控制流程示意图。

图4为系统船舶之间及船岸通信方式图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-4，一种过闸船舶编队协同停船控制系统，所述过闸船舶编队包括一艘领航船和多艘跟随船，所述领航船在设定的虚拟停止线处自动停止，所述跟随船在与其前面的领航船或其它跟随船保持一定距离的虚拟停止线处停止，两艘船舶之间通过移动网络实时交互，实现了多艘船舶在闸室内的自动停船控制；所述控制系统包括停船控制单元、编队信息交互单元、船舶状态感知单元和岸基服务单元。

进一步的，所述停船控制单元是船舶上安装的一套停船控制系统，停船控制单元根据船舶航速、船舶位置以及相关的船舶航行状态信息对当前航行状态进行判断，并计算船舶下一步航行所需的车钟指令，控制船舶的螺旋桨，最终实现船舶在指定位置停船。

进一步的，所述编队信息交互单元是实现编队内所有船舶位置、航速、船首向、车钟和螺旋桨转速信息的实时交互。其中所述航速有正负之分。

进一步的，所述船舶状态感知单元是实现对船舶航行状态的感知和处理，包括领航船航行状态感知以及跟随船航行状态感知单元；

进一步的，所述领航船航行状态感知单元包含差分GNSS感知船舶位置信息、毫米波雷达感知船周障碍物信息和电罗经感知船首向信息；

进一步的，所述跟随船航行状态感知单元包括毫米波雷达感知领航船距离以及相对船速、电罗经感知船首向信息，

进一步的，所述岸基服务单元是实现岸基对船舶停船状态的实时监管，岸基系统通过移动网络接收来自船队中所有船舶的信息，并以电子海图的形式对船舶编队协同停船状态进行实时展示。

进一步的，所述停船控制单元的控制算法是根据停船距离以及该时刻船舶航速设定船舶航速控制曲线，使船舶到达虚拟停船线附近时速度和输入为0。

进一步的，所述停船控制单元的控制算法采用滑模控制实现航速控制，实现船舶在停船距离x内，船舶状态由停船初始位置(v₀，n₀)逐渐过渡到船舶停止位置的(0,0)；其中v₀表示开始停船时船舶的航速，n₀表示初始停船位置主机转速，滑模控制模型为：

理想情况下的船舶动力模型如式(1)所示：

式中：x为船舶距离停船线的距离；v为船舶航行速度；a为船舶加速度；m为船舶质量；F_u(t)为船舶受到的牵引力；F_f(t)为船舶受到的阻力；K_p为螺旋桨推力系数；ρ为水的密度，n为主机转速，D为螺旋桨直径；

为使x＝0、v＝0，设计式(2)滑膜曲面：

s＝cx+v (2)

如果s＝0则：

当t＝1/c时，状态趋近到零过程已经完成63.2％，当t＝3/c时，已经完成了95.021％；

为保证s＝0，需要利用控制率a进行实现，将公式s＝cx+v求导得式(4)：

设定趋近率函数如式(5)所示：

式中，sgn(s)为符号函数，此时：

a＝-cv-εsgn(s) (6)

控制器输出的主机转速如(7)所示：

采用Lyapunov函数来判断系统的稳定性，对于系统的状态方程

对于平衡点s，如果存在连续函数V满足式(8)、(9)：

lim_|s|→∞V＝∞ (8)

则系统将在平衡点s＝0处稳定，令

则条件均成立，满足Lyapunov函数的条件，s最终会稳定滑模面，也就是s＝0；

Lyapunov函数能够保证稳定，但对稳定时间没有要求，所以为了让控制有意义，对第二个条件进行修改，如式(10)所示使其能在有限时间达到稳定：

式中，α为常数，分离变量后进行积分，如式(11)：

得：

当：

时到达稳定点；因为Lyapunov条件的改变，控制率a也要进行更新，如式(14)所示：

满足

能够实现在有限时间到达滑模面。

进一步的，所述编队信息交互单元的信息交互是通过移动网络实现船队以及岸基系统的信息交互。

实施例2：

如图4，采用所述一种过闸船舶编队协同停船控制系进行领航船停船的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：领航船感知单元将采集的航行环境信息以及船舶自身航行状态信息传递到领航船上位机、并通过移动网络将船舶状态信息传递给跟随船上位机以及岸基单元；

步骤2：通过报文解析及领航船下位机传来的报文信息，利用滑模控制算法进行控制计算，求得为实现领航船精准停船，船舶下一步所需的螺旋桨转速；

步骤3：通过领航船串口收发器将滑模控制算法计算得到的领航船下一步航行所需的螺旋桨转速指令信息传入领航船下位机；同时，将计算所得的领航船控制指令通过移动网络传至跟随船上位机以及岸基单元；

步骤4：领航船下位机在接受到上位机的螺旋桨指令后，将其解析为相应的转速控制信号，驱动领航船电动机工作，使领航船螺旋桨响应相应的控制指令；

步骤5：将测得的螺旋桨转速值生成报文，传输到串口收发器进行反馈到领航船上位机，经过解析后将结果用于下一步控制计算；如果船舶航速为0，且计算所得下一步螺旋桨控制输入为0，且船舶位置满足停船精度，则停船完成，否则返回步骤2。

实施例3：

如图4，采用所述一种过闸船舶编队协同停船控制系进行跟随船停船的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将跟随船感知单元采集的环境数据、跟随船自身航行状态数据传递到领航船上位机，并通过移动网络将航行状态信息传递到岸基单元。同时，领航船通过移动网络将船舶航行信息以及领航船控制指令传递给跟随船；

步骤2：通过领航船控制指令、领航船航行信息以及跟随船下位机传来的报文信息，利用滑模控制算法进行控制计算，求得为实现跟随船稳定跟船以及精准停船，跟随船下一步所需的螺旋桨转速；

步骤3：通过跟随船串口收发器将滑模控制算法计算得到的跟随船下一步航行所需的螺旋桨转速指令信息传入跟随船下位机；同时，将计算所得的跟随船控制指令通过移动网络传至岸基单元；

步骤4：跟随船船下位机串口收发器将接收到的螺旋桨转速指令信息进行解析成相应的转速控制信号，驱动跟随船电动机工作，使跟随船船螺旋桨响应控制指令。

步骤5：根据领航船停船控制状态以及跟随船自身航行状态判断其是否停船完成，若领航船停船完成且跟随船航速和输入为0，则跟随船停船完成，否则返回步骤2。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种过闸船舶编队协同停船控制系统，其特征在于：所述过闸船舶编队包括一艘领航船和多艘跟随船，所述领航船在设定的虚拟停止线处自动停止，所述跟随船在与其前面的领航船或其它跟随船保持一定距离的虚拟停止线处停止，两艘船舶之间通过移动网络实时交互，实现了多艘船舶在闸室内的自动停船控制；

所述控制系统包括停船控制单元、编队信息交互单元、船舶状态感知单元和岸基服务单元。

2.根据权利要求1所述一种过闸船舶编队协同停船控制系统，其特征在于：所述停船控制单元是船舶上安装的一套停船控制系统，停船控制单元根据船舶航速、船舶位置以及相关的船舶航行状态信息对当前航行状态进行判断，并计算船舶下一步航行所需的车钟指令，控制船舶的螺旋桨，最终实现船舶在指定位置停船。

3.根据权利要求1所述一种过闸船舶编队协同停船控制系统，其特征在于：所述编队信息交互单元是实现编队内所有船舶位置、航速、船首向、车钟和螺旋桨转速信息的实时交互。

4.根据权利要求1所述一种过闸船舶编队协同停船控制系统，其特征在于：所述船舶状态感知单元是实现对船舶航行状态的感知和处理，包括领航船航行状态感知以及跟随船航行状态感知单元；

所述领航船航行状态感知单元包含差分GNSS感知船舶位置信息、毫米波雷达感知船周障碍物信息和电罗经感知船首向信息；

所述跟随船航行状态感知单元包括毫米波雷达感知领航船距离以及相对船速、电罗经感知船首向信息。

5.根据权利要求1所述一种过闸船舶编队协同停船控制系统，其特征在于：所述岸基服务单元是实现岸基对船舶停船状态的实时监管，岸基系统通过移动网络接收来自船队中所有船舶的信息，并以电子海图的形式对船舶编队协同停船状态进行实时展示。

6.根据权利要求1或2所述一种过闸船舶编队协同停船控制系统，其特征在于：所述停船控制单元的控制算法是根据停船距离以及该时刻船舶航速设定船舶航速控制曲线，使船舶到达虚拟停船线附近时速度和输入为0。

7.采用权利要求1-6任意一项所述一种过闸船舶编队协同停船控制系进行领航船停船的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：领航船感知单元将采集的航行环境信息以及船舶自身航行状态信息传递到领航船上位机、并通过移动网络将船舶状态信息传递给跟随船上位机以及岸基单元；

步骤2：通过报文解析及领航船下位机传来的报文信息，利用滑模控制算法进行控制计算，求得为实现领航船精准停船，船舶下一步所需的螺旋桨转速；

步骤3：通过领航船串口收发器将滑模控制算法计算得到的领航船下一步航行所需的螺旋桨转速指令信息传入领航船下位机；同时，将计算所得的领航船控制指令通过移动网络传至跟随船上位机以及岸基单元；

步骤4：领航船下位机在接受到上位机的螺旋桨指令后，将其解析为相应的转速控制信号，驱动领航船电动机工作，使领航船螺旋桨响应相应的控制指令；

步骤5：将测得的螺旋桨转速值生成报文，传输到串口收发器进行反馈到领航船上位机，经过解析后将结果用于下一步控制计算；如果船舶航速为0，且计算所得下一步螺旋桨控制输入为0，且船舶位置满足停船精度，则停船完成，否则返回步骤2。

8.采用权利要求1-6任意一项所述一种过闸船舶编队协同停船控制系进行跟随船停船的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将跟随船感知单元采集的环境数据、跟随船自身航行状态数据传递到领航船上位机，并通过移动网络将航行状态信息传递到岸基单元；同时，领航船通过移动网络将船舶航行信息以及领航船控制指令传递给跟随船；

步骤2：通过领航船控制指令、领航船航行信息以及跟随船下位机传来的报文信息，利用滑模控制算法进行控制计算，求得为实现跟随船稳定跟船以及精准停船，跟随船下一步所需的螺旋桨转速；

步骤3：通过跟随船串口收发器将滑模控制算法计算得到的跟随船下一步航行所需的螺旋桨转速指令信息传入跟随船下位机；同时，将计算所得的跟随船控制指令通过移动网络传至岸基单元；

步骤4：跟随船船下位机串口收发器将接收到的螺旋桨转速指令信息进行解析成相应的转速控制信号，驱动跟随船电动机工作，使跟随船船螺旋桨响应控制指令；

步骤5：根据领航船停船控制状态以及跟随船自身航行状态判断其是否停船完成，若领航船停船完成且跟随船航速和输入为0，则跟随船停船完成，否则返回步骤2。

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