CN111324132B - 一种基于坐标补偿的智能船舶自动靠泊控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于坐标补偿的智能船舶自动靠泊控制方法。本发明包括以下几个步骤：1、根据靠泊任务预先设定的航路点，生成规划的靠泊路径和计划航速；2、进入靠泊区域的远端水域的起始点，即视为进入靠泊路径跟踪控制回路；3、根据参考命令计算导引船舶的运动姿态变量；4、基于坐标补偿算法，动态配置船舶的运动姿态变量；5、利用线性自抗扰控制器作为内环艏向控制器，实现艏向角的误差收敛；6、船舶的执行装置舵、桨等驱动船舶的运动数学模型进行自动航行；7、重复上述步骤直至到达泊位区域。本发明将坐标补偿算法应用于船舶靠泊控制领域，控制精度较高，鲁棒性较好，可为智能船舶自动靠泊控制的工程应用提供有效的技术参考。
Description
技术领域
本发明涉及智能船舶控制技术领域，尤其涉及一种基于坐标补偿的智能船舶自动靠泊控制方法。
背景技术
智能船舶是一种利用传感器、通信、物联网等技术，自动感知和获得船舶自身、环境、港口等方面的信息和数据，并基于计算机技术、自动控制技术和大数据处理分析技术，在船舶航行、管理、运输等方面实现智能化运行的船舶。
随着船舶自动化、智能化的发展，智能船舶已成为当下船舶领域研究的热点，也是船舶工业向高技术、高性能方向转型升级的重要方向。根据《智能船舶发展行动计划(2019-2021年)》，智能船舶的自动靠泊技术是首先急需突破的任务之一。由于船舶在靠离泊过程中，会受到风、浪、流以及航行在浅水域等环境不确定性因素扰动的影响，而船舶又是一类典型的非线性、欠驱动控制系统，这导致自动靠离泊控制成为智能船舶控制技术中最困难、最复杂的问题之一。船舶的自动靠泊问题可以简化为船舶到达一定位置后沿固定航迹到达指定位置，实质上是一个船舶航迹跟踪问题。但是由于大部分船舶都是欠驱动系统，其不能跟踪任意的航迹，而系统航迹对于船舶靠泊操纵的安全性是至关重要的。
近些年来，由于视线导航(line-of-sight,LOS)算法具有不依赖于船舶数学模型、参数易整定、计算量小、稳定性较高和易于工程实现等特点，因而被广泛应用于船舶路径跟踪控制的研究中。但是，LOS算法只解决了直线段的航迹保持控制问题，在航路点(转向位置)附近常用自动转向，并没有进行有效的航迹保持控制，即使在此后的靠泊过程中，艏向角能够完全跟踪期望艏向角，实际的靠泊航迹也将与期望航迹存在稳态误差。
因此，本发明对现有技术存在的问题进行深入的分析，提出了能解决以上问题的基于坐标补偿的智能船舶自动靠泊控制方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对背景技术涉及的技术问题，提供了一种基于坐标补偿的靠泊控制方案，通过引入坐标补偿算法减小自动靠泊转向过程中的跟踪误差。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于坐标补偿的智能船舶自动靠泊控制方法，包括如下具体步骤：
S1、船舶在靠离泊操纵前，沿着规划好的各个航路点，形成靠泊路径和计划的航速；
S2、将船舶的重心坐标作为船体运动坐标，靠泊路径即为船舶重心的运动路径；
S3、通过基于坐标补偿算法和LOS导航算法，将船舶的期望路径转化为期望的期望艏向角ψd；
S4、通过线性自抗扰控制算法，将控制指令转化为实际的控制输入量，即对舵角δ进行控制，使船舶保持期望的艏向角ψd；
S5、船舶沿着规划好的靠泊路径进行靠离泊操纵。
作为本发明进一步技术方案：所述步骤S1中靠泊的路径规划看成两个行为过程的组合，包括：
S101、一个是从起始点到泊位外的操纵行为，另一个是从泊位外接近泊位的趋向目标行为，将水域划分成了三个部分，分别是近岸水域、中间水域、远端水域；
S102、近岸水域是指船舶距岸1.5倍船长，留有充分的操纵余地以应对任何不利局面，中间水域是指根据码头形状、大小和船舵约束饱和作用下的一段区域，用来调整船舶的姿态，使其满足靠泊的需求，远端水域指的是船舶的起始位置，在这一区域船舶以最短路径逼近泊位点；
S103、船舶自动靠泊的起始点为P1，终点为P4，三个阶段的靠泊路径分别为直线段L1、直线段L2和直线段L3，直线段L3为船舶在满足位形和姿态的自由度都得到镇定的前提下的减速制动距离，由于船舶在低速状态下，舵效会变得很差，因此L2与L3所在直线形成的夹角α，在满足实际舵的约束条件下应尽可能的小；
作为本发明进一步技术方案：所述步骤S3中坐标补偿算法包括如下步骤：
S301、通过GPS获得船舶实时位置，期望艏向角修正补偿算法则根据船舶当前位置、下一时刻位置和下一时刻期望艏向角，给出下一时刻修正后的期望艏向角；
S302、期望艏向角修正补偿原理如图3所示，具体包括：船舶的靠泊路径规划为，直线段P0P1和直线段P1P2，但船舶实际的航迹为直线段P0E、曲线段EF和直线段EP2，在靠泊过程中，如果航迹出现以上偏差，则期望艏向角需做修正补偿，使补偿后的期望艏向角包含航迹误差信息，以期在跟踪期望艏向角的同时，消除航迹偏差，期望艏向角修正补偿算法设计如下：
ψk′＝ψk+α(ψk-rk)，
其中，α＜0为可调参数，用以调节补偿力度，ψk′为补偿后的期望艏向角，γk为转向偏差角；
S303、转向偏差角γk可由规划的靠泊路径，直线航线P0P1和直线航线P1P2的方位角做差求得，
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在LOS中融合了坐标补偿算法，通过在线修正期望艏向角，进一步减小了基于LOS算法方案下的稳态跟踪误差，优化了控制效果，满足航海实践的要求。
附图说明
图1为本发明中船舶自动靠泊路径规划示意图；
图2为本发明中基于坐标补偿的自动靠泊系统控制框图；
图3为本发明中期望艏向角修正补偿原理图；
图4为本发明中航速变化曲线图；
图5为本发明中无干扰状态下的舵角输出参数图；
图6为本发明中无干扰状态下的艏向角输出参数图；
图7为本发明中无干扰状态下的航迹偏差输出参数图；
图8为本发明中无干扰状态下的靠泊航迹图；
图9为本发明中有干扰状态下的舵角输出参数图；
图10为本发明中有干扰状态下的艏向角输出参数图；
图11为本发明中有干扰状态下的航迹偏差输出参数图；
图12为本发明中有干扰状态下的靠泊航迹图；
图13为本发明提供的船舶靠泊控制流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一，参照图1-图3和图13，一种基于坐标补偿的智能船舶自动靠泊控制方法，包括如下具体步骤：
S1、船舶在靠离泊操纵前，沿着规划好的各个航路点，形成靠泊路径和计划的航速；
S2、将船舶的重心坐标作为船体运动坐标，靠泊路径即为船舶重心的运动路径；
S3、通过基于坐标补偿算法和LOS导航算法，将船舶的期望路径转化为期望的期望艏向角ψd；
S4、通过线性自抗扰控制算法，将控制指令转化为实际的控制输入量，即对舵角δ进行控制，使船舶保持期望的艏向角ψd；
S5、船舶沿着规划好的靠泊路径进行靠离泊操纵。
作为本发明进一步技术方案：所述步骤S1中靠泊的路径规划看成两个行为过程的组合，包括：
S101、一个是从起始点到泊位外的操纵行为，另一个是从泊位外接近泊位的趋向目标行为，将水域划分成了三个部分，分别是近岸水域、中间水域、远端水域；
S102、近岸水域是指船舶距岸1.5倍船长，留有充分的操纵余地以应对任何不利局面，中间水域是指根据码头形状、大小和船舵约束饱和作用下的一段区域，用来调整船舶的姿态，使其满足靠泊的需求，远端水域指的是船舶的起始位置，在这一区域船舶以最短路径逼近泊位点；
S103、船舶自动靠泊的起始点为P1，终点为P4，三个阶段的靠泊路径分别为直线段L1、直线段L2和直线段L3，直线段L3为船舶在满足位形和姿态的自由度都得到镇定的前提下的减速制动距离，由于船舶在低速状态下，舵效会变得很差，因此L2与L3所在直线形成的夹角α，在满足实际舵的约束条件下应尽可能的小；
作为本发明进一步技术方案：所述步骤S3中坐标补偿算法包括如下步骤：
S301、通过GPS获得船舶实时位置，期望艏向角修正补偿算法则根据船舶当前位置、下一时刻位置和下一时刻期望艏向角，给出下一时刻修正后的期望艏向角；
S302、期望艏向角修正补偿原理如图3所示，具体包括：船舶的靠泊路径规划为，直线段P0P1和直线段P1P2，但船舶实际的航迹为直线段P0E、曲线段EF和直线段EP2，在靠泊过程中，如果航迹出现以上偏差，则期望艏向角需做修正补偿，使补偿后的期望艏向角包含航迹误差信息，以期在跟踪期望艏向角的同时，消除航迹偏差，期望艏向角修正补偿算法设计如下：
ψk′＝ψk+α(ψk-rk)，
其中，α＜0为可调参数，用以调节补偿力度，ψk′为补偿后的期望艏向角，γk为转向偏差角；
S303、转向偏差角γk可由规划的靠泊路径，直线航线P0P1和直线航线P1P2的方位角做差求得，
为了验证基于坐标补偿的靠泊控制方案的控制效果，通过搭建靠泊控制器仿真模型，采用线性自抗扰控制器(LADRC)作为内环艏向控制器，采用基于坐标补偿的LOS导航算法作用于外环航迹控制器，以此完成仿真实验。仿真实验参数的设定如下：设定仿真时间为200s；船舶靠泊的路径规划航路点设置为(单位m)：P0(0,0)，P1(83,95)，P2(100,100)，P3(117,100)。LADRC艏向控制器的控制器带宽ωc、b0两个参数分别设定为23、0.85；仿真条件设置：船舶的初始位置为(0,0)，初始艏向为0o，初始航速为1ms，泊位点设置为P3(117,100)。
图4-图12为Matlab仿真结果。从仿真结果可以看出，利用本发明提出的基于坐标补偿的靠泊方案，与基于LOS算法方案相比，前者控制精度更高，收敛速度更快，鲁棒性更好。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种基于坐标补偿的智能船舶自动靠泊控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、船舶在靠离泊操纵前，沿着规划好的各个航路点，形成靠泊路径和计划的航速；
S2、将船舶的重心坐标作为船体运动坐标，靠泊路径即为船舶重心的运动路径；
S3、通过基于坐标补偿算法和LOS导航算法，将船舶的期望路径转化为期望的期望艏向角ψd；
S4、通过线性自抗扰控制算法，将控制指令转化为实际的控制输入量，即对舵角δ进行控制，使船舶保持期望的艏向角ψd；
S5、船舶沿着规划好的靠泊路径进行靠离泊操纵。
所述步骤S1中靠泊的路径规划看成两个行为过程的组合，包括如下步骤：
S101、一个是从起始点到泊位外的操纵行为，另一个是从泊位外接近泊位的趋向目标行为，将水域划分成了三个部分，分别是近岸水域、中间水域、远端水域；
S102、近岸水域是指船舶距岸1.5倍船长，留有充分的操纵余地以应对任何不利局面，中间水域是指根据码头形状、大小和船舵约束饱和作用下的一段区域，用来调整船舶的姿态，使其满足靠泊的需求，远端水域指的是船舶的起始位置，在这一区域船舶以最短路径逼近泊位点；
S103、船舶自动靠泊的起始点为P1，终点为P4，三个阶段的靠泊路径分别为直线段L1、直线段L2和直线段L3，直线段L3为船舶在满足位形和姿态的自由度都得到镇定的前提下的减速制动距离，由于船舶在低速状态下，舵效会变得很差，因此L2与L3所在直线形成的夹角α，在满足实际舵的约束条件下应尽可能的小；
所述步骤S3中坐标补偿算法包括如下步骤：
S301、通过GPS获得船舶实时位置，期望艏向角修正补偿算法则根据船舶当前位置、下一时刻位置和下一时刻期望艏向角，给出下一时刻修正后的期望艏向角；
S302、期望艏向角修正补偿包括以下步骤：船舶的靠泊路径规划为，直线段P0P1和直线段P1P2，但船舶实际的航迹为直线段P0E、曲线段EF和直线段EP2，在靠泊过程中，如果航迹出现以上偏差，则期望艏向角需做修正补偿，使补偿后的期望艏向角包含航迹误差信息，以期在跟踪期望艏向角的同时，消除航迹偏差，期望艏向角修正补偿算法设计如下：
ψk′＝ψk+α(ψk-rk)，
其中，α＜0为可调参数，用以调节补偿力度，ψk′为补偿后的期望艏向角，γk为转向偏差角；
S303、转向偏差角γk可由规划的靠泊路径，直线航线P0P1和直线航线P1P2的方位角做差求得，
其中，x0和y0分别是直线航线P0P1的起始点参考坐标位置P0(x0,y0)的横坐标值和纵坐标值，x1和y1分别是直线航线P0P1的终点参考坐标位置P1(x1,y1)的横坐标值和纵坐标值，同时，x1和y1分别也是直线航线P1P2的起始点参考坐标位置P1(x1,y1)的横坐标值和纵坐标值，x2和y2分别是直线航线P1P2的终点参考坐标位置P2(x2,y2)的横坐标值和纵坐标值。
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| 基于线性自抗扰控制的船舶航迹积分滑模控制器;邱峰等;《上海海事大学学报》;20170930(第03期);第15-20页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111324132A (zh) | 2020-06-23 |
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