CN111966106B - 一种基于船-船协同的智能船舶编队靠泊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于船‑船协同的智能船舶编队靠泊的方法，在船舶编队中，头船通过感知设备获取其它各船舶及当前海域信息，然后利用路径规划模块进行航行路径规划并传递至岸基中心进行核实，船舶控制器根据核实结果通过推力分配模块控制头船推力完成靠泊；后船在保证船与船安全距离的情况下按头船的方式依次完成靠泊，尾船在中间船的靠泊运动中随时与头船配合实时检测各船之间的距离并实时调整。本发明利用卫星通信技术、物联网技术、计算机技术实时感知船舶运行状况，以及利用船上主要设备等，对船舶的航行态势进行分析分类，并进行数据集中、汇总、入库，并利用大数据处理等先进手段进行数据综合分析，实现智能船舶航行的安全保障。

Description

一种基于船-船协同的智能船舶编队靠泊的方法

技术领域

本发明涉及智能船舶领域，特别是涉及一种基于船-船协同的智能船舶编队靠泊的方法。

背景技术

近年来，伴随着流体动力学、智能控制理论、无人装备系统工程设计、传感器微小型化与高精度化等技术手段的持续性推陈出新，技术的不断更新换代与无人装备在探索、搜查、警备、巡逻等军民应用领域爆炸性增长的需求下，使无人系统成为当下世界各海洋科技强国争先推进的前沿尖端技术。无人艇作为无人驾驶的海上运载平台，可以执行长时间、低成本和大范围的海洋科研与工程任务，在军事和民用领域具有极为广泛的潜在使用空间:如港口巡逻、领海监视、海上搜救、海洋环境监测、海底资源探测、海图绘制等多种用途。

未来智能船舶的发展方向主要集中在：(1)复杂条件下的自主导航、规划与控制能力；(2)人机智能融合与学习适应能力；(3)多平台分布式协同能力等方面。而这其中，多平台分布式协同作业是当前研究的瓶颈技术之一，因此研究多艘无人艇协同规划方法并实现无人艇集群控制，对于军民用水面无人艇的发展具有里程碑式的意义。

当前主流船队协同航行，由于航行环境和通信环境的不确定性，根据其发送的状态信息选择跟驶策略，其鲁棒性不强。

发明内容

本文发明的目的是提供一种基于船-船协同下自动完成智能船舶编队靠泊的方法。

具体地，本发明提供一种基于船-船协同的智能船舶编队靠泊的方法，包括如下步骤：

步骤100，在由头船和尾船及位于两船之间的多艘中间船构成的船舶编队中，头船通过感知设备获取其它各船舶的位置、艏向信号及当前海域的环境信息，然后利用路径规划模块进行航行路径规划，同时将规划结果传递至岸基中心；

步骤200，岸基中心对规划的路径进行核实，然后将核实结果返回给头船，路径规划模块在确定航行路径可行后，将结果发送至船舶控制器，船舶控制器根据航行路径计算出各环节所需要的力及力矩然后发送至推力分配模块；

步骤300，推力分配模块根据各环节所需要的力及力矩进行推力分配优化，然后向推进系统发送每个螺旋桨的转速及侧推转速控制信号，推进系统根据该控制信号驱动头船完成靠泊；

步骤400，头船完成靠泊后并将其运动信息传递至紧邻的中间船，中间船的距离检测模块对与头船的距离进行检测，当达到中间船的安全靠泊距离后，中间船发送列队申请至头船，头船对中间船信息及距离进行检测后，中间船开始停泊运动并完成靠泊；

步骤500，各中间船及尾船按步骤400的过程顺序且依次靠泊，同时尾船在中间船的靠泊运动中随时与头船配合实时检测各船之间的距离并实时调整，直至尾船按同样方式实现靠泊，则完成整个编队的靠泊。

在本发明的一个实施方式中，所述感知设备包括感知船舶周围风、浪、流的动态信息及障碍物的静态信息的环境感知模块。

在本发明的一个实施方式中，所述感知设备还包括由张绳系统、无线电定位系统、全球定位系统、水声定位系统构成的状态测量模块。

在本发明的一个实施方式中，所述状态测量模块通过运动传感器检测船舶当前位置P(x_c,y_c),速度v_c,角速度ω_c和艏向f_c，及目标泊位的位置(x_a,y_a)和目标姿态角编队船舶的个数位置(x_i,y_i),速度v_i,艏向f_i；其中，i＝编队船舶的个数。

在本发明的一个实施方式中，所述路径规划模块包括实时检测船舷侧与码头相应泊位标记点之间距离的船舶测距装置，和实现检测船舶艏艉方向与障碍物之间距离的艏艉测距装置。

在本发明的一个实施方式中，所述岸基中心对规划的路径进行核实时，如判断存在碰撞危险或障碍区，则向船舶控制器发送预警信息，此时所述路径规划模块重新进行路线规划，直至得到岸基中心的确认。

在本发明的一个实施方式中，所述船舶控制器计算力及力矩时采用的分离模型如下：

在本发明的一个实施方式中，所述步骤400中，中间船计算安全靠泊距离的公式如下：

式中，t₁为反应时间；t₂为船舶减速的协调时间；t₃为船舶减速变大的时间，v₁为后船初速度，a₁为船舶减速度，d₀为后船停止的瞬间与前船存在一定的安全距离。

在本发明的一个实施方式中，所述船舶编队相互之间通过船联网互联，实现船舶内部信息的联网，船舶与船舶之间的动态信息联网，船舶与岸基中心的互动联网，岸基中心与岸基中心之间跨区域联网。

在本发明的一个实施方式中，在船舶编队内部通过以下五个层面实现协同作业，五个层面分别是：

感知层，实现信息采集；

网络层，用于实现船联网架构中各类应用的数据链接；

数据层，用于数据的汇总、存储和管理；

应用层，在数据层提供的数据基础上，利用数据处理很分析技术，根据实际应用需求，结合用户权限将数据分配给不同平台，实现对应的目的；

展示层，以友好界面展示船联网信息成果的应用，展示平台包括船舶上的显示屏幕及各种移动终端。

本发明利用卫星通信技术、物联网技术、计算机技术实时感知船舶运行状况，以及利用船上主要设备等，对船舶的航行态势进行分析分类，并进行数据集中、汇总、入库，并利用大数据处理等先进手段进行数据综合分析，实现智能船舶航行的安全保障。有助于节约成本，提高效率，有助于船舶相互间的协同配合，实现智能船舶编队靠泊的方法。

附图说明

图1是本发明一个实施方式的方法流程图；

图2是本发明一个实施方式的方法执行过程流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施例和附图对本方案的具体结构和实施过程进行详细说明。

如图1所示，在本发明的一个实施方式中，公开一种基于船-船协同的智能船舶编队靠泊的方法，船舶编队采用船联网进行互联，船联网能够构建水上智能交通物联网，以航运管理精细化、行业服务全面化、出行体验人性化为目的，覆盖航道、船闸、港头和码头。船联网融合物联网核心技术，以数据为中心，实现人船互联、船船互联、船货互联及船-船互联的智能航运信息综合服务的网络。船联网的内涵主要包括四个方面：

(1)船舶内部联网；主要采集船舶内部信息。

(2)船船联网；主要是船舶间交换船舶动态信息。

(3)船-船联网；主要由两方面作用：一方面船舶向岸上传输采集到的内部信息，另一方面是岸上向船舶下达指令。

(4)岸岸联网；主要指的是特定区域内通航建筑物(船闸、桥梁等)、港口、码头之间的联网，也指跨区域的联网。

而船舶编队内的船-船协同主要在感知层、网络层、数据层、应用层和展示层上实现数据互联。

感知层的首要任务是信息采集，利用GPS&北斗、船舶自动识别系统(AIS)、雷达等感知设备，结合多传感设备组网、无线通信技术、人工智能、视频图像处理等技术，将感知信息传递给智能船舶、岸基中心等船联网的公共信息服务平台及物流信息管理平台，实现船舶航运环境的实时采集、监测和处理的基础数据支持。

网络层是船-船协同的核心，保证船联网架构中各类应用的数据链接，利用互联网、无线移动网、无线传输专网，保证整个船联网系统的上层应用于底层数据的交互，利用卫星通信技术接入网络数据传输。

数据层主要用于数据的汇总、存储和管理，是应用层数据服务的核心支撑，主要包括数据库、数据服务、数据管控等部分，数据库是对网络层传入的采集数据进行存储和处理；数据服务部分是利用航运数据共享标准实现跨区域的数据共享，数据管控是结合数据分析等技术实现数据的清洗和综合管理，是系统可靠安全的保证。

应用层是在数据层提供的数据基础上，利用数据处理很分析技术，根据实际应用需求，结合用户权限将数据分配给不同平台，实现其相应的目的。

展示层是以友好界面展示船联网信息成果的应用，主要以多种视图类型整合和集中体现各种不同系统尚未功能和界面，主要以移动功能终端、信息服务平台等形式将应用层结果交付于目标用户。

方法的处理过程包括如下步骤：

步骤100，在由头船和尾船及位于两船之间的多艘中间船构成的船舶编队中，头船通过感知设备获取其它各船舶的位置、艏向信号及当前海域的环境信息，然后利用路径规划模块进行航行路径规划，同时将规划结果传递至岸基中心；

在本实施方式中，船舶编队靠泊系统中至少存在头船和至少一条后船，头船和尾船上设有船舶控制器，船舶控制器控制船舶的航行状态，船队队列的控制终端包括船舶的状态测量模块，主要检测船舶当前状态、位置，环境感知模块主要用于感知周围环境状态，包括风、浪、流等动态信息及障碍物等静态信息。

具体的状态测量模块包括位置参照系统和运动传感器；位置参照系统主要测量船舶位置等信息，设备包括张绳系统、无线电定位系统、全球定位系统、水声定位系统等，并不仅仅限于这些设备。运动传感器主要测量船舶艏向、姿态等信息，设备主要包括电罗经、垂直参考系统和计程仪等，并不仅仅限于这些设备。

运动传感器具体获取智能船舶当前位置P(x_c,y_c),速度v_c,角速度ω_c和艏向f_c；目标泊位的位置(x_a,y_a)和目标姿态角编队船舶的个数位置(x_i,y_i),速度v_i,艏向f_i；其中，i＝编队船舶的个数。

岸基中心主要用于对船舶的航行状态进行监控，并对有危险的船舶进行预警，其包括数据服务器及综合显示平台；距离检测模块主要用于检测相邻船与船之间的距离，所用设备为雷达；通讯模块：主要利用船-船协同中的卫星通信的方式，能够准确、快速获取实时信息，用于船-船及船-岸之间的通信。

头船和尾船通过卫星通信保持通讯状态，头船控制船速、航迹和航行过程中船舶的相对位置，负责协调整个船队，并给后船分配编号。头船将船队的状态、航速、航迹、加速度及转向等信息传递给后船，并实时监控前船与后船的距离信息，控制航行速度，保障航行安全。

步骤200，岸基中心对规划的路径进行核实，然后将核实结果返回给头船，路径规划模块在确定航行路径可行后，将结果发送至船舶控制器，船舶控制器根据航行路径计算出各环节所需要的力及力矩然后发送至推力分配模块；

路径规划模块计算当前智能船舶(xc,yc)与目标泊位的相对距离kd，接收船舶的船位、船艏向、障碍物及风浪流信息，实时规划出适合船舶靠泊的航行路径，并发送至船舶控制器；还包括实时检测船舷侧与码头相应泊位标记点之间距离的船舶测距装置，和实现检测船舶艏艉方向与障碍物之间距离的艏艉测距装置。

岸基中心对规划的路径进行判断，判断是否存在碰撞危险或障碍区，若存在危险并在船端显示模块发出预警信息，而头船接到预警信息后，则重新进行路线规划。

步骤300，推力分配模块根据各环节所需要的力及力矩进行推力分配优化，然后向推进系统发送每个螺旋桨的转速及侧推转速控制信号，推进系统根据该控制信号驱动头船完成靠泊；

船舶控制器集成船舶运动模型，接收传感设备的传送信号，计算出船舶所受的力及力矩，船舶控制器将规划的航行路径结合船舶所受力及力矩信号，发送至船舶推力分配模块；其船舶运动模型采用如下分离式模型：

推力分配模块接收来自船舶控制器的船舶靠泊路径及航行中所需要的受力及力矩信号，进行推力分配优化，给出每个螺旋桨的转速及侧推转速信号，发送至船舶的推进系统，驱使船舶进行靠泊行为。

步骤400，头船完成靠泊后并将其运动信息传递至紧邻的中间船，中间船的距离检测模块对与头船的距离进行检测，当达到中间船的安全靠泊距离后，中间船发送列队申请至头船，头船对中间船信息及距离进行检测后，中间船开始停泊运动并完成靠泊；

头船完成靠泊运动，并将其运动信息传递至后船1(中间船)，后船1的距离检测模块对与前船的距离进行检测，当达到后船1安全靠泊的距离设定后，后船1发送列队申请至头船，头船对后船1信息及距离进行检测后，后船1进入靠泊运动；

其安全距离的计算采用下式：

式中，t₁为反应时间；t₂为船舶减速的协调时间；t₃为船舶减速变大的时间，v₁为后船初速度，a₁为船舶减速度，d₀为后船停止的瞬间与前船存在一定的安全距离。

当后船2与后船1达到安全距离后，后船2向头船发出列队申请，并将就绪信号发送至后船1，进入靠泊运动状态。

步骤500，各中间船及尾船按步骤400的过程顺序且依次靠泊，同时尾船在中间船的靠泊运动中随时与头船配合实时检测各船之间的距离并实时调整，直至尾船按同样方式实现靠泊，则完成整个编队的靠泊。

本实施方式在船舶左右舷的前中后分别那装有测距装置，可以将船舶各部位的距离实时传输给船舶控制器，从而控制执行机构完成船舶的自动靠离码头；并通过船舶感知系统对船舶和码头进行精确定位，提高船舶靠泊的位置的准确性。本实施方式不需拖轮、绳索等码头设备，节约成本，且结构新颖、使用方便、安全可靠、适于广泛推广以提升航运领域的社会效益和经济效益。

如图2所示，以下根据附图2对本方法的具体执行过程进行详细说明。

头船通过环境感知模块获取当前海域的情况，包括风、浪、流及障碍物信息；通过距离检测模块获取船与岸之间距离、船与船之间距离、船与障碍物之间距离；通过船舶状态测量模块获取头船本身的各种信息，包括艏向、动力等信息；然后传送至路径规划模块，路径规划模块根据上述信息对头船的靠泊运动进行规划，然后在船舶控制器的控制下利用通讯模块与岸基中心交互。

在航行路径得到岸基中心的认可后，按规划的内容完成头船的靠泊运动；如岸基中心不认可航行路径时，路径规划模块重新规划，直至结果得到岸基中心的认可。

头船完成靠泊运动后，紧邻头船的中间船按头船同样的处理方式，根据收集的信息完成透射路径的规划，并完成靠泊运动，以次过程完成所有的船舶靠泊。

在后船的靠泊运动中，除利用相应的模块采集对应的信息外，还需要考虑本船与前后船的距离，同时利用船舶数学模块计算当前状态下本船的力和力矩，然后由推力分配模块完成本船的动力优化和高速，使本船相对前船和后船通过稳定的靠泊。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于船-船协同的智能船舶编队靠泊的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100，在由头船和尾船及位于两船之间的多艘中间船构成的船舶编队中，头船通过感知设备获取其它各船舶的位置、艏向信号及当前海域的环境信息，然后利用路径规划模块进行航行路径规划，同时将规划结果传递至岸基中心；

步骤200，岸基中心对规划的路径进行核实，然后将核实结果返回给头船，路径规划模块在确定航行路径可行后，将结果发送至船舶控制器，船舶控制器根据航行路径计算出各环节所需要的力及力矩然后发送至推力分配模块；

步骤300，推力分配模块根据各环节所需要的力及力矩进行推力分配优化，然后向推进系统发送每个螺旋桨的转速及侧推转速控制信号，推进系统根据该控制信号驱动头船完成靠泊；

步骤400，头船完成靠泊后并将其运动信息传递至紧邻的中间船，中间船的距离检测模块对与头船的距离进行检测，当达到中间船的安全靠泊距离后，中间船发送列队申请至头船，头船对中间船信息及距离进行检测后，中间船开始停泊运动并完成靠泊；

步骤500，各中间船及尾船按步骤400的过程顺序且依次靠泊，同时尾船在中间船的靠泊运动中随时与头船配合实时检测各船之间的距离并实时调整，直至尾船按同样方式实现靠泊，则完成整个编队的靠泊。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述感知设备包括感知船舶周围风、浪、流的动态信息及障碍物的静态信息的环境感知模块。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

所述感知设备还包括由张绳系统、无线电定位系统、全球定位系统、水声定位系统构成的状态测量模块。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述状态测量模块通过运动传感器检测船舶当前位置P(x_c,y_c),速度v_c,角速度ω_c和艏向f_c，及目标泊位的位置(x_a,y_a)和目标姿态角编队船舶的个数位置(x_i,y_i),速度v_i,艏向f_i；其中，i＝编队船舶的个数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述路径规划模块包括实时检测船舷侧与码头相应泊位标记点之间距离的船舶测距装置，和实现检测船舶艏艉方向与障碍物之间距离的艏艉测距装置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述岸基中心对规划的路径进行核实时，如判断存在碰撞危险或障碍区，则向船舶控制器发送预警信息，此时所述路径规划模块重新进行路线规划，直至得到岸基中心的确认。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述船舶控制器计算力及力矩时采用的分离模型如下：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述步骤400中，中间船计算安全靠泊距离的公式如下：

式中，t₁为反应时间；t₂为船舶减速的协调时间；t₃为船舶减速变大的时间，v₁为后船初速度，a₁为船舶减速度，d₀为后船停止的瞬间与前船存在一定的安全距离。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述船舶编队相互之间通过船联网互联，实现船舶内部信息的联网，船舶与船舶之间的动态信息联网，船舶与岸基中心的互动联网，岸基中心与岸基中心之间跨区域联网。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

在船舶编队内部通过以下五个层面实现协同作业，五个层面分别是：

感知层，实现信息采集；

网络层，用于实现船联网架构中各类应用的数据链接；

数据层，用于数据的汇总、存储和管理；

应用层，在数据层提供的数据基础上，利用数据处理很分析技术，根据实际应用需求，结合用户权限将数据分配给不同平台，实现对应的目的；

展示层，以友好界面展示船联网信息成果的应用，展示平台包括船舶上的显示屏幕及各种移动终端。