CN111930130B - 一种锚泊自动定位控制方法及控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锚泊自动定位控制方法及控制系统，包括GPS系统、控制指令输入系统、测量系统、核心运算单元和锚机控制单元，GPS系统，为核心运算单元提供船舶三点实时位置数据；控制指令输入系统，用于向核心运算单元输入船舶目标移动位置的控制指令；测量系统，用于测量各个锚机的缆绳张力、缆绳长度、绳速等数据，为核心运算单元的控制运算过程中提供实时动态反馈数据；锚机控制单元，能够与核心运算单元进行数据交互，根据核心运算单元的控制指令对各个锚机进行控制；核心运算单元，是整个系统的核心，负责系统职能分配、运算、输入/输出控制功能。本发明能够实现对8锚机的联合控制，能够根据目标定位位置控制指令，实现精准定位。

Description

一种锚泊自动定位控制方法及控制系统
技术领域
本发明属于海上工程船舶定位技术领域，具体涉及一种锚泊自动定位控制方法及控制系统。
背景技术
锚泊定位系统是一种广泛应用于船舶近海施工的一种移船定位系统，锚泊控位是指：采用锚、锚缆和锚链，将工程船舶系泊于指定海域，用以限制外力引起的船舶漂移，使其保持在预定位置上的控位。锚泊控位是工程船舶安全作业的关键环节，尤其是在定位要求高或定位水域非常狭小的情况下，对锚泊控位的精准性和安全性要求则更高。
由于施工过程中，由于风浪的影响，船舶的位置会发生偏移，需要对其不断地修正，而且船舶根据施工要求需要频繁的进行移船定位，如果采用传统的人工手动的方式实现，不仅费时费力而且控制精度达不到施工要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种锚泊自动定位控制方法及控制系统，实现了对船舶的自动移动控制和高精度定位。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种锚泊自动定位控制方法，包括以下步骤：
步骤一，首先进行布锚工作，计算出八个锚点的坐标；
步骤二，布锚工作完成后，获取此时船舶的位置数据，计算出船艏向，并计算出船体的四个出锚点的坐标，再根据已经测算得到的八个锚点的坐标信息，计算出八根锚绳的投影面长度；
步骤三，根据输入的船舶在坐标系中的目标定位位置，在坐标系中计算出船体当前位置与目标定位位置的偏差量，或者直接输入船舶需要移动的偏差量，根据偏差量和步骤二中的八个锚点的坐标信息、锚绳投影面长度初始数据计算出八根锚绳的收紧长度控制数据，并生成对各个锚机的运动控制指令，将这些指令发送给对应的锚机控制单元，控制锚机动作，完成船舶的运动到位；
具体来讲，偏差量包括X轴偏差量、Y轴偏差量和船艏向偏差角度，对应的，船体移动控制包括3个步骤：
1，X轴平移：
根据X轴偏差量计算得到船体沿X轴平移后新的四个出锚点的坐标，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可；
2，Y轴平移：
根据Y轴偏差量计算得到船体沿Y轴平移后新的四个出锚点的坐标，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可；
3，原位旋转：
根据船艏向偏差角度计算得到船体原位旋转后新的四个出锚点的坐标，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可。
在上述技术方案中，船体的当前位置的坐标和目标定位位置的坐标是以船体的中心点在坐标系下的位置为坐标。
在上述技术方案中，锚机动作过程中可以采用鲁棒控制方案，也可以采用PID控制方案；PID控制方案，需要在船体受到锚绳控制的过程中，每隔一段时间就根据当前的偏差，对电机的转速进行调整；
Int＝Int′+Error×I
Speed＝BaseSpeed+Error×P+Int+(Error-lastError)×D
其中，Int为静态变量，Int′为上一个周期的静态变量，每一个周期都要进行累加。
Speed为控制输出的目标锚绳收放速度，BaseSpeed为基本锚绳收放速度，需要略大于最小速度，lastError为上一个周期计算出来的误差，Error为本次周期计算出来的误差，P、I、D三个参数均人为设定。
在上述技术方案中，船舶运动到位后，进行船舶的位置锁定控制，根据采集的锚绳拉力数据结合锚绳长度计算结果实时调整拉力值，使每根锚绳保持在设定的拉力范围内定位船舶。
一种用于实施所述锚泊自动定位控制方法的锚泊自动定位控制系统，该锚泊自动定位控制系统包括GPS系统、控制指令输入系统、N个测量系统、核心运算单元和N个锚机控制单元；
所述GPS系统，为核心运算单元提供船舶三点实时位置数据；
所述控制指令输入系统，用于向核心运算单元输入船舶目标移动位置的控制指令；
所述测量系统，用于测量各个锚机的锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度等数据，为核心运算单元的控制运算过程中提供实时动态反馈数据；
所述锚机控制单元，能够与核心运算单元进行数据交互，根据核心运算单元的控制指令对各个锚机进行控制；
所述核心运算单元，是整个系统的核心，负责系统职能分配、运算、输入/输出控制功能；
每个锚机控制单元均包括PLC控制器、手动/自动转换电路单元，其中，PLC控制器与锚机电机、锚机刹车系统和锚机离合器等设备连接，实现对锚机的控制；手动/自动转换电路单元与PLC控制器连接，通过手动/自动转换电路单元实现手/自动控制切换，在自动控制状态下，由PLC控制器对锚机进行控制，在手动控制状态下，由人工手动对锚机进行控制；
所述N个测量系统与N个锚机控制单元的PLC控制器一一对应连接，N的数量与所要控制的锚机的数量相同；
所有的锚机控制单元的PLC控制器连接至工业以太网，并且所述核心运算单元、GPS系统和控制指令输入系统也连接至工业以太网，以实现工业以太网内的数据交互和数据共享。
在上述技术方案中，每个测量系统均包括张力传感器和旋转编码器，张力传感器用于检测锚绳的张力，旋转编码器用于检测锚绳下放的长度以及锚绳的锚绳收放速度，张力传感器和旋转编码器均通过转换器与锚机控制单元的PLC控制器连接连接，张力传感器和旋转编码器的信号通过转换器转换为标准信号输入至PLC控制器，再由PLC控制器根据张力传感器和旋转编码器传送来的信号进行计算，得到锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度等测量数据。
在上述技术方案中，PLC控制器将计算得到锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度等测量数据发送给核心运算单元，为其提供控制运算过程中锚机的实时动态运行反馈数据，GPS系统将为核心运算单元提供船舶的实时位置数据，核心运算单元根据这些数据能够计算出八个锚点的坐标、以及计算出船体的四个出锚点的坐标、以及八根锚绳的投影面长度；由控制指令输入系统向核心运算单元输入目标位置控制要求数据(输入船舶在坐标系中的目标定位位置，或者直接向核心运算单元输入船舶需要移动的偏差量)，由核心运算单元计算并生成对各个锚机的控制指令，并通过工业以太网将这些指令分别发送给对应的锚机控制单元，实现对各锚机的联控。
在上述技术方案中，本系统还包括N个数据显示终端，N个数据显示终端挂载在工业以太网上，N个数据显示终端与N锚机为一一对应关系，用于显示对应的锚机的锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度、变频器数据及锚机其它部件的状态。
本发明的优点和有益效果如下：
1.本发明能够实现对8锚机的联合控制，其包括GPS系统、控制指令输入系统、测量系统、核心运算单元和锚机控制单元，GPS系统，为核心运算单元提供船舶三点实时位置数据；控制指令输入系统，用于向核心运算单元输入船舶目标移动位置的控制指令；测量系统，用于测量各个锚机的锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度等数据，为核心运算单元的控制运算过程中提供实时动态反馈数据；锚机控制单元，能够与核心运算单元进行数据交互，根据核心运算单元的控制指令对各个锚机进行控制；核心运算单元，是整个系统的核心，负责系统职能分配、运算、输入/输出控制功能。
2.锚机控制单元主要包括PLC控制器、手动/自动转换电路单元，手动/自动转换电路单元与PLC控制器连接，通过手动/自动转换电路单元实现手/自动控制切换，在自动控制状态下，由PLC控制器对锚机进行控制，在手动控制状态下，由人工手动对锚机进行控制。手动/自动转换装置是由一组继电器组合电路组成，通过继电器组合进行多路控制信号自由切换，并附加应急停止按键，实现急停功能，继电器是最基本电气控制器件，采用此器件组合的设计是为了提高转换可靠性，即使自动调控系统故障的状态下，手动模式也可正常工作，以保证正常施工。
3.本发明的锚泊自动定位控制方法，能够根据目标定位位置控制指令，自动控制8个锚机，实现精准定位。
附图说明
图1是本发明的锚泊自动定位控制系统的原理示意图。
图2是本发明的锚泊自动定位控制系统的具体结构示意图。
图3是本发明的锚泊自动定位控制系统中的锚机控制单元的结构示意图。
图4是本发明的8锚锚泊定位控制示意图。
图5.1是计算计算出1、2号锚点坐标时，锚绳运动面下，锚绳长度和位置的实际变化情况。
图5.2是计算计算出1、2号锚点坐标时，水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况。
图6.1是1号锚点坐标计算示意图。
图6.2是2号锚点坐标计算示意图。
图7.1是计算计算出3、4号锚点坐标时，锚绳运动面下，锚绳长度和位置的实际变化情况。
图7.2是计算计算出3、4号锚点坐标时，水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况。
图8.1是3号锚点坐标计算示意图。
图8.2是4号锚点坐标计算示意图。
图9.1是计算计算出5、8号锚点坐标时，锚绳运动面下，锚绳长度和位置的实际变化情况。
图9.2是计算计算出5、8号锚点坐标时，水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况。
图10.1是5号锚点坐标计算示意图。
图10.2是8号锚点坐标计算示意图。
图11.1是计算计算出6、7号锚点坐标时，锚绳运动面下，锚绳长度和位置的实际变化情况。
图11.2是计算计算出6、7号锚点坐标时，水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况。
图12.1是6号锚点坐标计算示意图。
图12.2是7号锚点坐标计算示意图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种锚泊自动定位控制系统，该系统包括GPS系统、控制指令输入系统、测量系统、核心运算单元和锚机控制单元。
所述GPS系统，为核心运算单元提供船舶三点实时位置数据。
所述控制指令输入系统，用于向核心运算单元输入船舶目标移动位置的控制指令。
所述测量系统，用于测量各个锚机的锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度等数据，为核心运算单元的控制运算过程中提供实时动态反馈数据。
所述锚机控制单元，能够与核心运算单元进行数据交互，根据核心运算单元的控制指令对各个锚机进行控制。
所述核心运算单元，是整个系统的核心，负责系统职能分配、运算、输入/输出控制功能。
实施例二
在实施例一的基础上，下面具体介绍一下锚泊自动定位控制系统的结构组成。
锚泊自动定位控制系统是基于工业以太网的分布式控制系统，锚泊自动定位控制系统包括：GPS系统、控制指令输入系统、核心运算单元、N个测量系统和N个锚机控制单元。
所述锚机控制单元主要包括PLC控制器、手动/自动转换电路单元，其中，PLC控制器与锚机电机、锚机刹车系统和锚机离合器等设备连接，实现对锚机的控制；手动/自动转换电路单元与PLC控制器连接，通过手动/自动转换电路单元实现手/自动控制切换，在自动控制状态下，由PLC控制器对锚机进行控制，在手动控制状态下，由人工手动对锚机进行控制。手动/自动转换装置是由一组继电器组合电路组成，通过继电器组合进行多路控制信号自由切换，并附加应急停止按键，实现急停功能，继电器是最基本电气控制器件，采用此器件组合的设计是为了提高转换可靠性，即使自动调控系统故障的状态下，手动模式也可正常工作，以保证正常施工。
所述N个测量系统与N个锚机控制单元的PLC控制器一一对应连接，N的数量与所要控制的锚机的数量相同，即每个锚机对应一个测量系统和一个锚机控制单元。具体来讲，测量系统包括张力传感器和旋转编码器，张力传感器用于检测锚绳的张力，旋转编码器用于检测锚绳下放的长度以及锚绳的锚绳收放速度，张力传感器和旋转编码器均通过转换器与锚机控制单元的PLC控制器连接连接，张力传感器和旋转编码器的信号通过转换器转换为标准信号输入至PLC控制器，再由PLC控制器根据张力传感器和旋转编码器传送来的信号进行计算，得到锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度等测量数据。
所述锚机控制单元的PLC控制器连接至工业以太网，并且所述核心运算单元、GPS系统和控制指令输入系统也连接至工业以太网，从而实现工业以太网内的数据交互和数据共享。具体来讲，PLC控制器将计算得到锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度等测量数据发送给核心运算单元，为其提供控制运算过程中锚机的实时动态运行反馈数据；GPS系统将为核心运算单元提供船舶的实时位置数据；控制指令输入系统向核心运算单元输入目标位置控制要求数据；核心运算单元根据目标位置控制要求数据以及锚机的实时动态运行反馈数据和船舶的实时位置数据计算生成对各个锚机的控制数据，并通过工业以太网分别发送给对应的锚机，实现对各锚机的联控。
进一步的，本系统还包括N个数据显示终端，N个数据显示终端挂载在工业以太网上，N个数据显示终端与N锚机为一一对应关系，用于显示对应的锚机的锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度、变频器数据及锚机其它部件的状态。
进一步的，N的数量至少为4个，布锚方式可为4锚、6锚和8锚，船艏和船艉分别设置两个交叉主动锚，其它为辅助固定锚。
实施例三
本发明的锚泊自动定位控制方法如下：
步骤一，首先进行布锚工作，布锚过程中，通过GPS系统和各个锚机的测量系统获得船舶运动过程中的数据，核心运算单元根据这些数据计算出在工程海面坐标系下八个锚点的坐标。
步骤二，布锚工作完成后，通过GPS系统获取此时船舶的位置数据，核心运算单元根据三点GPS坐标计算出船艏向，以船艏向为参考并结合船体自身坐标系中船体中心点与四个出锚点之间的位置关系，计算出船体的四个出锚点在工程海面坐标系下的坐标，再根据已经测算得到的工程海面坐标系下的八个锚点的坐标信息，计算出八根锚绳的投影面长度。
步骤三，核心运算单元根据输入的船舶在工程海面坐标系中的目标定位位置，在工程海面坐标系中计算出船体当前位置与目标定位位置的偏差量，或者直接向核心运算单元输入船舶需要移动的偏差量，核心运算单元根据偏差量和步骤二中的八个锚点的坐标信息、投影面长度等初始数据计算出八根锚绳的收紧长度控制数据，并生成对各个锚机的运动控制指令，将这些指令发送给对应的锚机控制单元，控制锚机动作，完成船舶的运动到位。
具体来讲，偏差量包括X轴偏差量、Y轴偏差量和船艏向偏差角度，对应的，船体移动控制包括3个步骤：
1，X轴平移：
根据X轴偏差量计算得到船体沿X轴平移后新的四个出锚点的坐标(工程海面坐标系下)，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量(需要收紧的4根锚绳也就是船体向X轴方向移动一侧的4个锚点所对应的锚绳)；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可。
3，Y轴平移：
根据Y轴偏差量计算得到船体沿Y轴平移后新的四个出锚点的坐标(工程海面坐标系下)，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量(需要收紧的4根锚绳也就是船体向Y轴方向移动一侧的4个锚点所对应的锚绳)；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可。
3，原位旋转：
根据船艏向偏差角度计算得到船体原位旋转后新的四个出锚点的坐标(工程海面坐标系下)，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可。
进一步的，船体的当前位置的坐标和目标定位位置的坐标是以船体的中心点在工程海面坐标系下的位置为坐标。
进一步的，在锚机动作过程中GPS系统和各锚机的测量系统实时向核心运算单元反馈数据，核心运算单元根据反馈的数据进行闭环自动控制，保证船舶运动稳定性和运动精度，并且防止运动过程中锚机拉力过载。
锚机动作过程中可以采用鲁棒控制方案，也可以采用PID控制方案。PID控制方案，需要在船体受到锚绳控制的过程中，每隔一段时间就根据当前的偏差，对电机的转速进行调整(可以考虑100ms一次)。
Int＝Int′+Error×I
Speed＝BaseSpeed+Error×P+Int+(Error-lastError)×D
其中，Int为静态变量，Int′为上一个周期的静态变量，每一个周期都要进行累加。
Speed为控制输出的目标锚绳收放速度，BaseSpeed为基本锚绳收放速度，需要略大于最小速度，lastError为上一个周期计算出来的误差，Error为本次周期计算出来的误差，P、I、D三个参数均人为设定。
进一步的，船舶运动到位后，进行船舶的位置锁定控制，根据采集的锚绳拉力数据结合锚绳长度计算结果实时调整拉力值，使每根锚绳保持在设定的拉力范围内定位船舶。
进一步的，当完成船舶定位工作后，在施工的过程中，由于潮汐变化、风浪等自然因素的影响，定位后的船舶会出现偏移现象，此时船舶移动量将会变的非常小，通过锚绳张力补偿及偏移量补偿算法对船舶进行补偿类型调整。锚绳的张力是控制船舶位置的重要依据。通过控制锚机控制锚绳张力使船舶在海上平稳的施工作业。张力补偿是将反馈的张力传感器数据和GPS数据带入控制模型计算得到补偿值，并将其输出到锚机实现。
实施例四
本实施例具体介绍各锚点坐标的测算方法：
第一步：
布好八个锚绳，调整使得八根锚绳都处于松弛状态；
参见附图4，图示船的坐标轴，刚好与工程海面坐标系的X、Y轴平行，且方向完全一致。
第二步：
调整1号、2号、3号和4号锚绳，使得四根锚绳处于紧绷状态。记录此时导航坐标系下船体正中心的坐标为(x0，y0)，以及1号锚绳和2号锚绳的测量伸出长度为L1和L2。
收紧1、2号锚绳的同时，放松3、4号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δy＞0，Δx任意。记录此时1号锚绳和2号锚绳的测量伸出长度为L1’和L2’(此处非投影长度)。停止运动时，1、2、3、4号锚绳应紧绷。
根据锚绳实际运动的情况，我们可以得到，如图5.1和5.2所示关系：
其中：
A点和B点均为对应锚绳的出锚点，非船体中心点。
图5.2为水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况，从A点开始运动，到B点运动结束。
图5.1为锚绳运动面(不一定为竖直面，与竖直面可能存在一个夹角，这导致此三角形的水平面俯视图仍然为一个三角形)下，锚绳长度和位置的实际变化情况。锚绳从P1A运动为P1B，其在海平面上的投影长度P1A'和P1B’是我们计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据。
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，这里记为水深。
通过计算，得到船体实际移动距离为：
Figure GDA0002825311310000101
根据图5.1得到，各长度数据之间的关系为：
Figure GDA0002825311310000102
实际上P1、B’、A’三点并不一定在同一直线上，而是构成三角形，本发明中将P1A’近似的等于P1B’+A’B’；
则可以计算出锚绳的投影长度P1A'和P1B’，以及此时的水深h如下：
Figure GDA0002825311310000103
Figure GDA0002825311310000104
Figure GDA0002825311310000105
那么，在水平面俯视图下(参见附图6.1和6.2)，以1号锚绳的计算为例：
θ1＝arctan(Δx/Δy)
Figure GDA0002825311310000111
Figure GDA0002825311310000112
同理可以得到
Figure GDA0002825311310000113
其中，Δx的正负性并不影响α1和α2的计算。如图6.1和6.2所示是船体右偏的情况，此时θ角为正。当船体左偏时，计算得到的θ角为负，并不影响最终结果。
接下来，就可以根据三角函数公式，计算出1号锚和2号锚的锚点坐标为
P1(x0-15+P1A'cosα1，y0+45+P1A'sinα1)＝(x1，y1)，式中，15是指本实施例中1号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指1号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
P2(x0+15-P2A'cosα2，y0+45+P2A'sinα2)＝(x2，y2)，式中，15是指本实施例中2号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指2号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
第三步：
以第二步的终点为起始点，船体中心的坐标记录为(x0，y0)(覆盖即可)，记录下当前3号和4号锚绳的测量伸出长度为L3和L4，随后，开始收紧3、4号锚绳，松开1、2号锚绳。
收紧3、4号锚绳的同时，放松1、2号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δy＜0，Δx任意。记录此时3号锚绳和4号锚绳的测量伸出长度为L3’和L4’(此处非投影长度)。停止运动时，1、2、3、4号锚绳应紧绷。
根据锚绳实际运动的情况，我们可以得到，如图7.1和7.2所示关系：
其中：
A点和B点均为对应锚绳的出锚点，非船体中心点。
图7.2为水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况，从A点开始运动，到B点运动结束。
图7.1为锚绳运动面(不一定为竖直面，与竖直面可能存在一个夹角，这导致此三角形的水平面俯视图仍然为一个三角形)下，锚绳长度和位置的实际变化情况。锚绳从P3A运动为P3B，其在海平面P3A'上的投影长度P3A'和P3B’是我们计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据。
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，这里记为水深。
通过计算，得到船体实际移动距离为：
Figure GDA0002825311310000121
根据图7.1得到，各长度数据之间的关系为：
Figure GDA0002825311310000122
实际上P3、B’、A’三点并不一定在同一直线上，而是构成三角形，本发明中将P3A’近似的等于P3B’+A’B’；
则可以计算出锚绳的投影长度P3A'和P3B’，以及此时的水深h如下
Figure GDA0002825311310000123
Figure GDA0002825311310000124
Figure GDA0002825311310000125
那么，在水平面俯视图下(参见附图8.1和8.2)，以3号锚绳的计算为例：
θ3＝arctan(-Δx/-Δy)＝arctan(Δx/Δy)
Figure GDA0002825311310000126
Figure GDA0002825311310000127
同理可以得到
Figure GDA0002825311310000128
其中，Δx的正负性并不影响α3和α4的计算。如图所示是船体左偏的情况，此时θ角为正。当船体右偏时，计算得到的θ角为负，并不影响最终结果。
接下来，就可以根据三角函数公式，计算出3号锚和4号锚的锚点坐标为
P3(x0+15-P3A'cosα3，y0-45-P3A'sinα3)＝(x3，y3)，式中，15是指本实施例中3号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指3号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
P4(x0-15+P4A'cosα4，y0-45-P4A'sinα4)＝(x4，y4)，式中，15是指本实施例中4号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指4号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
第四步：
松开1、2、3、4号锚绳，拉紧5、6、7、8号锚绳。记录船体中心的坐标(x0，y0)(覆盖即可)作为起始点坐标。记录下当前5号和8号锚绳的测量伸出长度为L5和L8，随后，开始收紧5、8号锚绳，松开6、7号锚绳。
收紧5、8号锚绳的同时，放松6、7号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δx＜0，Δy任意。记录此时5号锚绳和8号锚绳的测量伸出长度为L5’和L8，(此处非投影长度)。停止运动时，5、6、7、8号锚绳应紧绷。
根据锚绳实际运动的情况，我们可以得到，在竖直面下如图9.1和9.2所示关系：
其中：
A点和B点均为对应锚绳的出锚点，非船体中心点。
图9.2为水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况，从A点开始运动，到B点运动结束。
图9.1为锚绳运动面(不一定为竖直面，与竖直面可能存在一个夹角，这导致此三角形的水平面俯视图仍然为一个三角形)下，锚绳长度和位置的实际变化情况。锚绳从P5A运动为P5B，其在海平面P5A’上的投影长度P5A'和P5B’是我们计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据。
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，这里记为水深。
通过计算，得到船体实际移动距离为
Figure GDA0002825311310000131
根据图9.1得到，各长度数据之间的关系为
Figure GDA0002825311310000132
实际上P5、B’、A’三点并不一定在同一直线上，而是构成三角形，本发明中将P5A’近似的等于P5B'+A'B’；
则可以计算出锚绳的投影长度P5A’和P5B'，以及此时的水深h如下
Figure GDA0002825311310000141
Figure GDA0002825311310000142
Figure GDA0002825311310000143
那么，在水平面俯视图下(参见附图10.1和10.2)，以5号锚绳的计算为例：
θ5＝arctan(-Δx/Δy)
Figure GDA0002825311310000144
Figure GDA0002825311310000145
同理可以得到
Figure GDA0002825311310000146
其中，Δy的正负性并不影响β1和β4的计算。如图所示是船体前偏的情况，此时θ角为正。当船体后偏时，计算得到的θ角为负，并不影响最终结果。
接下来，就可以根据三角函数公式，计算出5号锚和8号锚的锚点坐标为
P5(x0-15-P5A'sinβ1，y0+45+P5A'cosβ1)＝(x5，y5)，式中，15是指本实施例中5号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指5号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
P8(x0-15-P8A'sinβ4，y0-45-P8A'cosβ4)＝(x8，y8)，式中，15是指本实施例中8号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指8号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
第五步：
以第四步结束之后的船体中心的坐标(x0，y0)(覆盖即可)作为起始点坐标。记录下当前6号和7号锚绳的测量伸出长度为L6和L7，随后，开始收紧6、7号锚绳，松开5、8号锚绳。
收紧6、7号锚绳的同时，放松5、8号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δx＞0，Δy任意。记录此时6号锚绳和7号锚绳的测量伸出长度为L6，和L7，(此处非投影长度)。停止运动时，5、6、7、8号锚绳应紧绷。
根据锚绳实际运动的情况，我们可以得到，在竖直面下如图11.1和11.2所示关系：
其中：
A点和B点均为对应锚绳的出锚点，非船体中心点。
图11.2为水平面俯视图下，船体对应出锚点的位移情况，从A点开始运动，到B点运动结束。
图11.1为锚绳运动面(不一定为竖直面，与竖直面可能存在一个夹角，这导致此三角形的水平面俯视图仍然为一个三角形)下，锚绳长度和位置的实际变化情况。锚绳从P6A运动为P6B，其在海平面P6A'上的投影长度P6A'和P6B’是我们计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据。
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，这里记为水深。
通过计算，得到船体实际移动距离为
Figure GDA0002825311310000151
根据图11.1得到，各长度数据之间的关系为
Figure GDA0002825311310000152
实际上P6、B’、A’三点并不一定在同一直线上，而是构成三角形，本发明中将P6A’近似的等于P1B’+A’B’；
则可以计算出锚绳的投影长度P6A'和P6B’，以及此时的水深h如下
Figure GDA0002825311310000153
Figure GDA0002825311310000154
Figure GDA0002825311310000155
那么，在水平面俯视图下(参见附图12.1和12.2)，以6号锚绳的计算为例：
θ6＝arctan(Δx/Δy)
Figure GDA0002825311310000156
Figure GDA0002825311310000157
同理可以得到
Figure GDA0002825311310000161
其中，Δy的正负性并不影响β2和β3的计算。如图所示是船体前偏的情况，此时θ角为正。当船体后偏时，计算得到的θ角为负，并不影响最终结果。
接下来，就可以根据三角函数公式，计算出6号锚和7号锚的锚点坐标为
P6(x0+15+P6A'sinβ2，y0+45+P6A'cosβ2)＝(x6，y6)，式中，15是指本实施例中6号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指6号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
P7(x0+15+P7A'sinβ3，y0-45-P7A'cosβ3)＝(x7，y7)，式中，15是指本实施例中7号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指7号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米。
第六步：
重复第二步至第五步，定义上一次测量某锚点的坐标为Pi-last(xlast，ylast)，定义重复之后所测量得到的某锚点坐标为Pi-now(xnow，ynow)，则更新迭代方法如下：
如果是第一次测量得到数据，则
Pi(xi，yi)＝Pi-now(xnow，ynow)
否则，根据以下公式进行迭代
Pi(xi，yi)＝Pi(xi，yi)+[Pi-now(xnow，ynow)-Pi(xi，yi)]×ε
其中，ε为人为设定的常量，范围0.1至0.6均可，视实际效果略作调整即可。
当在某一次迭代完成之后，发现如下情况
Pi-now(xnow，ynow)-Pi(xi，yi)＜0.05×Pi(xi，yi)
或者，迭代次数超过某个人为设定的上限值时，则完成迭代工作。
至此，八个锚点在工程海面坐标系下的坐标点已经确定。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种锚泊自动定位控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，首先进行布锚工作，计算出八个锚点的坐标；
第一步：
布好八个锚绳，调整使得八根锚绳都处于松弛状态；
船的坐标轴，刚好与工程海面坐标系的X、Y轴平行，且方向一致；
第二步：
调整1号、2号、3号和4号锚绳，使得四根锚绳处于紧绷状态，记录此时导航坐标系下船体正中心的坐标为(x0，y0)，以及1号锚绳和2号锚绳的测量伸出长度为L1和L2；
收紧1、2号锚绳的同时，放松3、4号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δy＞0，Δx任意，记录此时1号锚绳和2号锚绳的测量伸出长度为L1’和L2’，停止运动时，1、2、3、4号锚绳紧绷；
船体对应出锚点的位移情况：从A点开始运动，到B点运动结束；
锚绳长度和位置的实际变化情况：1号锚绳从P1A运动为P1B，其在海平面上的投影长度P1A’和P1B’是计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据；
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，记为水深；
通过计算，得到船体实际移动距离为：
Figure FDA0002825311300000011
各长度数据之间的关系为：
Figure FDA0002825311300000012
实际上P1、B’、A’三点并不一定在同一直线上，将P1A’近似的等于P1B’+A’B’；
则计算出锚绳的投影长度P1A'和P1B’，以及此时的水深h如下：
Figure FDA0002825311300000013
Figure FDA0002825311300000014
Figure FDA0002825311300000015
那么，在水平面俯视下，1号锚绳的计算为：
θ1＝arctan(Δx/Δy)
Figure FDA0002825311300000021
Figure FDA0002825311300000022
同理可以得到
Figure FDA0002825311300000023
接下来，根据三角函数公式，计算出l号锚和2号锚的锚点坐标为P1(x0-15+P1A'cosα1，y0+45+P1A'sinα1)＝(x1，y1)，式中，15是指1号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指1号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
P2(x0+15-P2A’cosα2，y0+45+P2A'sinα2)＝(x2，y2)，式中，15是指2号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指2号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
第三步：
以第二步的终点为起始点，船体中心的坐标记录为(x0，y0)，覆盖即可，记录下当前3号和4号锚绳的测量伸出长度为L3和L4，随后，开始收紧3、4号锚绳，松开1、2号锚绳；
收紧3、4号锚绳的同时，放松1、2号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δy＜0，Δx任意，记录此时3号锚绳和4号锚绳的测量伸出长度为L3’和L4’，停止运动时，1、2、3、4号锚绳紧绷；
定义船体对应出锚点的位移情况：从A点开始运动，到B点运动结束；
定义锚绳长度和位置的实际变化情况：3号锚绳从P3A运动为P3B，其在海平面P3A'上的投影长度P3A'和P3B’是计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据；
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，这里记为水深；
通过计算，得到船体实际移动距离为：
Figure FDA0002825311300000024
各长度数据之间的关系为：
Figure FDA0002825311300000025
实际上P3、B’、A’三点并不一定在同一直线上，将P3A’近似的等于P3B’+A’B’；
计算出锚绳的投影长度P3A’和P3B’，以及此时的水深h如下：
Figure FDA0002825311300000031
Figure FDA0002825311300000032
Figure FDA0002825311300000033
那么，在水平面俯视下，以3号锚绳的计算为例：
θ3＝arctan(-Δx/--Δy)＝arctan(Δx/Δy)
Figure FDA0002825311300000034
Figure FDA0002825311300000035
同理可以得到
Figure FDA0002825311300000036
接下来，就可以根据三角函数公式，计算出3号锚和4号锚的锚点坐标为：
P3(x0+15-P3A'cosα3，y0-45-P3A’sinα3)＝(x3，y3)，式中，15是指3号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指3号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
P4(x0-15+P4A'cosα4，y0-45-P4A’sinα4)＝(x4，y4)，式中，15是指4号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指4号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
第四步：
松开1、2、3、4号锚绳，拉紧5、6、7、8号锚绳，记录船体中心的坐标(x0，y0)，覆盖即可，作为起始点坐标，记录下当前5号和8号锚绳的测量伸出长度为L5和L8，随后，开始收紧5、8号锚绳，松开6、7号锚绳；
收紧5、8号锚绳的同时，放松6、7号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δx＜0，Δy任意，记录此时5号锚绳和8号锚绳的测量伸出长度为L5’和L8’，停止运动时，5、6、7、8号锚绳紧绷；
定义船体对应出锚点的位移情况：从A点开始运动，到B点运动结束；
定义锚绳长度和位置的实际变化情况：5号锚绳从P5A运动为P5B，其在海平面P5A'上的投影长度P5A’和P5B'是计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据；
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，这里记为水深；
通过计算，得到船体实际移动距离为：
Figure FDA0002825311300000041
各长度数据之间的关系为：
Figure FDA0002825311300000042
实际上P5、B’、A’三点并不一定在同一直线上，将P5A’近似的等于P5B’+A’B’；
计算出锚绳的投影长度P5A’和P5B'，以及此时的水深h如下：
Figure FDA0002825311300000043
Figure FDA0002825311300000044
Figure FDA0002825311300000045
那么，在水平面俯视下，以5号锚绳的计算为例：
θ5＝arctan(-Δx/Δy)
Figure FDA0002825311300000046
Figure FDA0002825311300000047
同理可以得到
Figure FDA0002825311300000048
接下来，根据三角函数公式，计算出5号锚和8号锚的锚点坐标为：
P5(x0-15-P5A'sinβ1，y0+45+P5A’cosβ1)＝(x5，y5)，式中，15是指5号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指5号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
P8(x0-15-P8A'sinβ4，y0-45-P8A’cosβ4)＝(x8，y8)，式中，15是指8号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指8号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
第五步：
以第四步结束之后的船体中心的坐标(x0，y0)，覆盖即可，作为起始点坐标，记录下当前6号和7号锚绳的测量伸出长度为L6和L7，随后，开始收紧6、7号锚绳，松开5、8号锚绳；
收紧6、7号锚绳的同时，放松5、8号锚绳，使得船首角度不变的情况下，船体正中心的坐标平移到(x0+Δx，y0+Δy)，其中，Δx＞0，Δy任意，记录此时6号锚绳和7号锚绳的测量伸出长度为L6’和L7’，停止运动时，5、6、7、8号锚绳紧绷；
定义船体对应出锚点的位移情况：从A点开始运动，到B点运动结束；
定义锚绳长度和位置的实际变化情况：锚绳从P6A运动为P6B，其在海平面P6A'上的投影长度P6A'和P6B’是计算锚绳与船体的水平面夹角的所需长度数据；
h为船体出锚点和锚实际所在点之间的竖直距离，这里记为水深；
通过计算，得到船体实际移动距离为：
Figure FDA0002825311300000051
各长度数据之间的关系为：
Figure FDA0002825311300000052
实际上P6、B’、A’三点并不一定在同一直线上，将P6A’近似的等于P1B’+A’B’；
则可以计算出锚绳的投影长度P6A'和P6B’，以及此时的水深h如下：
Figure FDA0002825311300000053
Figure FDA0002825311300000054
Figure FDA0002825311300000055
那么，在水平面俯视图下，以6号锚绳的计算为例：
θ6＝arctan(Δx/Δy)
Figure FDA0002825311300000056
Figure FDA0002825311300000057
同理可以得到
Figure FDA0002825311300000061
接下来，根据三角函数公式，计算出6号锚和7号锚的锚点坐标为：
P6(x0+15+P6A'sinβ2，y0+45+P6A'cosβ2)＝(x6，y6)，式中，15是指6号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指6号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
P7(x0+15+P7A'sinβ3，y0-45-P7A'cosβ3)＝(x7，y7)，式中，15是指7号锚的锚点距离船体中心点的横向距离为15米，45是指7号锚的锚点距离船体中心点的纵向距离为45米；
第六步：
重复第二步至第五步，定义上一次测量某锚点的坐标为Pi-last(xlast，ylast)，定义重复之后所测量得到的某锚点坐标为Pi-now(xnow，ynow)，则更新迭代方法如下：
如果是第一次测量得到数据，则
Pi(xi，yi)＝Pi-now(xnow，ynow)
否则，根据以下公式进行迭代
Pi(xi，yi)＝Pi(xi，yi)+[Pi-now(xnow，ynow)-Pi(xi，yi)]×ε
其中，ε为人为设定的常量，范围0.1至0.6均可，视实际效果略作调整即可；
当在某一次迭代完成之后，发现如下情况
Pi-now(xnow，ynow)-Pi(xi，yi)＜0.05×Pi(xi，yi)
或者，迭代次数超过某个人为设定的上限值时，则完成迭代工作；
至此，八个锚点在工程海面坐标系下的坐标点已经确定；
步骤二，布锚工作完成后，获取此时船舶的位置数据，计算出船艏向，并计算出船体的四个出锚点的坐标，再根据已经测算得到的八个锚点的坐标信息，计算出八根锚绳的投影面长度；
步骤三，根据输入的船舶在坐标系中的目标定位位置，在坐标系中计算出船体当前位置与目标定位位置的偏差量，或者直接输入船舶需要移动的偏差量，根据偏差量和步骤二中的八个锚点的坐标信息、锚绳投影面长度数据计算出八根锚绳的收紧长度控制数据，并生成对各个锚机的运动控制指令，将这些指令发送给对应的锚机控制单元，控制锚机动作，完成船舶的运动到位；
所述偏差量包括X轴偏差量、Y轴偏差量和船艏向偏差角度，对应的，船体移动控制包括以下3个步骤：
X轴平移：
根据X轴偏差量计算得到船体沿X轴平移后新的四个出锚点的坐标，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可；
Y轴平移：
根据Y轴偏差量计算得到船体沿Y轴平移后新的四个出锚点的坐标，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可；
原位旋转：
根据船艏向偏差角度计算得到船体原位旋转后新的四个出锚点的坐标，再根据已经确定的八个锚点的坐标信息计算得到八根锚绳新的投影面长度，进而计算得到八根锚绳中需要收紧的4根锚绳的长度改变量；另外4根锚绳为需要放松的锚绳，船体运动过程中使用伺服刹车恒定在某一个拉力值即可。
2.根据权利要求1所述的锚泊自动定位控制方法，其特征在于：船体的当前位置的坐标和目标定位位置的坐标是以船体的中心点在坐标系下的位置为坐标。
3.根据权利要求1所述的锚泊自动定位控制方法，其特征在于：锚机动作过程中采用鲁棒控制，或者采用PID控制；PID控制需要在船体受到锚绳控制的过程中，每隔一段时间根据当前的偏差，对电机的转速进行调整；
Int＝Int′+Error×I
Speed＝BaseSpeed+Error×P+Int+(Error-lastError)×D
其中，Int为静态变量，Int′为上一个周期的静态变量，每一个周期都要进行累加，
Speed为控制输出的目标绳速，BaseSpeed为基本绳速，lastError为上一个周期计算出来的误差，Error为本次周期计算出来的误差，P、I、D三个参数均人为设定。
4.根据权利要求1所述的锚泊自动定位控制方法，其特征在于：船舶运动到位后，进行船舶的位置锁定控制，根据采集的锚绳拉力数据结合绳长计算结果实时调整拉力值，使每根锚绳保持在设定的拉力范围内定位船舶。
5.一种用于实施根据权利要求1所述锚泊自动定位控制方法的锚泊自动定位控制系统，其特征在于：该锚泊自动定位控制系统包括GPS系统、控制指令输入系统、N个测量系统、核心运算单元和N个锚机控制单元；
所述GPS系统，为核心运算单元提供船舶三点实时位置数据；
所述控制指令输入系统，用于向核心运算单元输入船舶目标移动位置的控制指令；
所述测量系统，用于测量各个锚机的锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度数据，为核心运算单元的控制运算过程中提供实时动态反馈数据；
所述锚机控制单元，能够与核心运算单元进行数据交互，根据核心运算单元的控制指令对各个锚机进行控制；
所述核心运算单元，是整个系统的核心，负责系统职能分配、运算、输入/输出控制功能；
每个锚机控制单元均包括PLC控制器、手动/自动转换电路单元，其中，PLC控制器与锚机电机、锚机刹车系统和锚机离合器连接，实现对锚机的控制；手动/自动转换电路单元与PLC控制器连接，通过手动/自动转换电路单元实现手/自动控制切换，在自动控制状态下，由PLC控制器对锚机进行控制，在手动控制状态下，由人工手动对锚机进行控制；
所述N个测量系统与N个锚机控制单元的PLC控制器一一对应连接，N的数量与所要控制的锚机的数量相同；
所有的锚机控制单元的PLC控制器连接至工业以太网，并且所述核心运算单元、GPS系统和控制指令输入系统也连接至工业以太网，以实现工业以太网内的数据交互和数据共享。
6.根据权利要求5所述的锚泊自动定位控制系统，其特征在于：每个测量系统均包括张力传感器和旋转编码器，张力传感器和旋转编码器均通过转换器与锚机控制单元的PLC控制器连接，张力传感器和旋转编码器的信号通过转换器转换为标准信号输入至PLC控制器，再由PLC控制器根据张力传感器和旋转编码器传送来的信号进行计算，得到锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度数据。
7.根据权利要求6所述的锚泊自动定位控制系统，其特征在于：PLC控制器将计算得到锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度测量数据发送给核心运算单元，为其提供控制运算过程中锚机的实时动态运行反馈数据，GPS系统将为核心运算单元提供船舶的实时位置数据，核心运算单元根据这些数据能够计算出八个锚点的坐标、以及计算出船体的四个出锚点的坐标、以及八根锚绳的投影面长度；由控制指令输入系统向核心运算单元输入目标位置控制要求数据，由核心运算单元计算并生成对各个锚机的控制指令，并通过工业以太网将这些指令分别发送给对应的锚机控制单元，实现对各锚机的联控。
8.根据权利要求7所述的锚泊自动定位控制系统，其特征在于：本系统还包括N个数据显示终端，N个数据显示终端挂载在工业以太网上，N个数据显示终端与N锚机为一一对应关系，用于显示对应的锚机的锚绳张力、锚绳长度、锚绳收放速度、变频器数据状态。
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