CN112334852A - 用于航海船舶自主进坞的方法、设备和装置 - Google Patents

用于航海船舶自主进坞的方法、设备和装置 Download PDF

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CN112334852A CN201880094186.8A CN201880094186A CN112334852A CN 112334852 A CN112334852 A CN 112334852A CN 201880094186 A CN201880094186 A CN 201880094186A CN 112334852 A CN112334852 A CN 112334852A
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J-T·格鲁尼沃尔德·迈耶
K·索德斯捷纳
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Wartsila Sam Electronics Co ltd
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Abstract

用于自主航海船舶进坞的装置和计算机实现方法，所述计算机实现方法包括：确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作；确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段。该方法还包括：确定船舶位置、速度和艏向；以及将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：所述位置区域信息包括所述船舶位置；所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。

Description

用于航海船舶自主进坞的方法、设备和装置
技术领域
本申请总体上涉及自主船舶操纵方法、设备和装置。
背景技术
本部分例示了有用的背景信息，并非承认此处描述的任何技术代表现有技术。
本发明涉及自动船舶操纵系统(AVMS)，该自动船舶操纵系统将提供包括自主进坞和出坞的自动船舶操纵。
动态定位(DP)是已知的。它涉及通过使用其自身的螺旋桨和推进器自动或半自动控制航海船舶相对于一个或更多个定位参考的定位和艏向(heading)。通常，目的是在给定参数内保持船舶位置固定。例如，动态定位(DP)被用于例如海上钻井作业中。
自动驾驶仪也是已知的。自动驾驶仪(也称为自操纵)是一种引导或维护航海船舶所选航向(course)的自动设备或系统，因此，不一定需要由人类操作者进行持续的“手动”控制。
自动雷达标绘辅助装置也是已知的。例如，这可用于计算被航迹对象的航向、速度和最接近点，以检测是否有与另一艘船或陆地碰撞的危险。
然而，仍然需要以安全和有效的方式进行从转运到进坞的自主航海船舶操作。
因此，需要一种解决方案以能够实现准确、有效和可靠的自主进坞和出坞方法。
发明内容
在权利要求中阐明了本发明的示例的各个方面。
根据本发明的第一示例方面，提供了一种自主进坞航海船舶的计算机实现方法，所述计算机实现方法包括：
确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作；
确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段，其中，所述接近区域信息包括：
所述接近区域的位置区域信息；
进入所述接近区域的最大船舶速度；以及
进入所述接近区域的最大艏向偏差；
确定船舶位置、速度和艏向；
将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述位置区域信息包括所述船舶位置；
所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及
所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
在一个实施方式中，该方法还包括基于所述航点属性确定动态设定点，其中，所述动态设定点包括基于所述海港航迹数据而改变的设定点定位、设定点速度和设定点艏向。
在一个实施方式中，该方法还包括：
使用闭环控制器确定所述动态设定点与所确定的船舶位置之间的差异信息；
基于所述差异信息确定力矢量；以及
基于所述力矢量控制所述自主进坞控制模式的推进器命令。
在一个实施方式中，该方法还包括：
使所述船舶艏向与所述设定点艏向一致，并且使所述船舶速度与所述设定点速度一致，其中，所述设定点艏向与所述设定点速度是可配置参数。
在一个实施方式中，该方法还包括：
基于所述航海船舶在所述航迹段上的位置，将所述设定点艏向和所述设定点速度插值到航点与相应的设定点值之间；以及
使所述船舶艏向与插值后的设定点艏向一致，并且使所述船舶速度与插值后的设定点速度一致。
在一个实施方式中，基于所述航海船舶正在驶向的所述航点的航点属性来启用插值。
在一个实施方式中，该方法还包括：
定义较低速度阈值和较高速度阈值；以及
基于所述动态设定点和所确定的船舶位置确定摇摆控制信息。
在一个实施方式中，该方法还包括：
当所述航海船舶速度小于所述较低速度阈值时，基于通过激活全部量程三轴定位的所述摇摆控制信息以及通过将全部量程推力分配给所述航海船舶的至少一个推进器的艏向控制，在低速模式下控制所述航海船舶的该至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。
在一个实施方式中，该方法还包括：
当所述航海船舶速度大于所述较高速度阈值时，在高速模式下禁用所述航海船舶的所述至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。
在一个实施方式中，该方法还包括：
当所述航海船舶速度介于所述较低速度阈值与所述较高速度阈值之间时，基于通过激活部分量程三轴定位的所述摇摆控制信息以及通过将部分量程推力分配给所述航海船舶的至少一个推进器的艏向控制，在中速模式下控制所述航海船舶的该至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。
在一个实施方式中，所述部分量程小于所述全部量程。
在一个实施方式中，在所述中速模式下，所述部分量程相对于所述航海船舶速度而在零与所述全部量程之间逐渐改变。
在一个实施方式中，在所述中速模式下，所述部分量程相对于从所述较高速度阈值降低到所述较低速度阈值的所述航海船舶速度而从零逐渐增加到所述全部量程。
在一个实施方式中，该方法还包括：
维护停靠港口的所述海港航迹数据和该港口内的停泊定位，其中，所述海港航迹数据包括：
接近走廊数据，所述接近走廊数据定义海港操纵期间允许的最大航迹定位偏差的边界；以及
所述接近区域信息。
在一个实施方式中，所述接近区域信息还包括进入所述接近区域的最大横向偏差，并且所述方法还包括：
将船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述船舶偏差小于进入所述接近区域的所述最大横向偏差。
在一个实施方式中，该方法还包括：
响应于改变为所述自主进坞控制模式而确定进入支路数据，其中，所述进入支路数据被配置为将所述航海船舶引导到由所述海港航迹数据定义的海港航迹上。
在一个实施方式中，在所述转运控制模式中，所述航海船舶被配置为至少部分地处于手动控制模式。
在一个实施方式中，该方法还包括：
使用所述海港航迹数据，确定所述航海船舶相对于海港航迹的一致性；以及
基于所确定的一致性选择航行方向。
根据本发明的第二示例方面，提供了一种用于自主进坞的航海船舶设备，包括：
至少一个传感器：
通信接口，所述通信接口用于收发数据；
至少一个处理器；以及
至少一个存储器，所述至少一个存储器包括计算机程序代码；
所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作；
确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段，其中，所述接近区域信息包括：
所述接近区域的位置区域信息；
进入所述接近区域的最大船舶速度；以及
进入所述接近区域的最大艏向偏差；
确定船舶位置、速度和艏向；
将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述位置区域信息包括所述船舶位置；
所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及
所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
在一个实施方式中，所述至少一个传感器被配置为提供位置相关数据或环境相关数据。
在一个实施方式中，所述至少一个传感器包括以下项中的至少一项：
全球导航卫星系统(GNSS)定位传感器；
进坞传感器，所述进坞传感器用于提供相对于泊位的相对定位信息；
陀螺罗盘传感器，所述陀螺罗盘传感器用于提供艏向信息；
运动参考单元(MRU)传感器，所述运动参考单元(MRU)传感器用于提供俯仰和侧倾信息；以及
风传感器，所述风传感器提供风速和风向信息。
在一个实施方式中，所述至少一个存储器和计算机程序代码还被配置为与所述至少一个处理器一起使所述装置：
在所述航迹段的第一集合中选择所述全球导航卫星系统(GNSS)定位传感器作为定位信息源；以及
确定到所述泊位的船舶距离，并且响应于所述船舶距离小于预定阈值而在所述航迹段的第二集合中选择所述进坞传感器作为定位信息源。
在一个实施方式中，所述至少一个存储器和计算机程序代码还被配置为与所述至少一个处理器一起使所述装置：
基于所述航点属性确定动态设定点，其中，所述动态设定点包括基于所述海港航迹数据而改变的设定点定位、设定点速度和设定点艏向。
在一个实施方式中，所述至少一个存储器和计算机程序代码还被配置为与所述至少一个处理器一起使所述装置：
使用闭环控制器确定所述动态设定点与所确定的船舶位置之间的差异信息；
基于所述差异信息确定力矢量；以及
基于所述力矢量控制所述自主进坞控制模式的推进器命令。
在一个实施方式中，该装置还包括：
至少一个推进器；并且
其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
确定外力信息；
将所述力矢量与所述外力信息组合；
基于所述组合确定所述推进器命令；以及
基于所述推进器命令控制所述至少一个推进器。
在一个实施方式中，所述外力信息包括风信息。
在一个实施方式中，该装置还包括：
多个推进器；并且
其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码还被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
通过将推力分配给所述多个推进器来控制全部量程三轴定位和航向。
根据本发明的第三示例方面，提供了一种在计算机可读介质上实现的计算机程序，所述计算机程序包括计算机可执行程序代码，所述计算机可执行程序代码在由装置的至少一个处理器执行时使所述装置：
确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作；
确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段，其中，所述接近区域信息包括：
所述接近区域的位置区域信息；
进入所述接近区域的最大船舶速度；
进入所述接近区域的最大艏向偏差；和
进入所述接近区域的最大横向偏差；
确定船舶位置、速度和艏向；
将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述位置区域信息包括所述船舶位置；
所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及
所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
前面已经说明了本发明的不同的非约束性示例方面和实施方式。前面的实施方式仅用于解释可以在本发明的实现中使用的所选方面或步骤。可以仅参考本发明的某些示例方面来呈现一些实施方式。应当理解，对应的实施方式也可以应用于其他示例方面。
附图说明
为了更完整地理解本发明的示例实施方式，现在参考以下结合附图进行的描述，其中：
图1示出了根据本发明的示例实施方式的系统的示意图；
图2呈现了可以应用本发明的各种实施方式的用户装置的示例框图；
图3呈现了可以应用本发明的各种实施方式的捕获设备的示例框图；
图4呈现了可以应用本发明的各种实施方式的服务器装置的示例框图；
图5呈现了可以应用本发明的各种实施方式的计算机装置的示例框图；
图6示出了一个流程图，该流程图示出了根据本发明的示例实施方式的操作；
图7示出了根据本发明的示例实施方式的控制系统的示意图；以及
图8示出了根据本发明的示例实施方式的闭环控制器框图的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，相似的数字表示相似的元素。
本发明的实施方式涉及自动船舶操纵系统(AVMS)，该系统将提供包括自主进坞和出坞的自动船舶操纵。
存在用于自主船舶控制的构件块，例如传感器处理、引导和控制逻辑、推进器分配等。然而，所公开的不同实施方式示出了在引导、控制、传感器处理、估计和推进器分配(尤其是在自主进坞或出坞时)的领域上的技术效果。
图1示出了根据示例实施方式的系统100的示意图。航海船舶121可以包括装置120，该装置120包括例如用于生成、处理和收发与航海船舶有关的数据的单元。装置120能够下载并本地执行软件程序代码。该软件程序代码可以是服务的客户端应用程序，该服务的客户端应用程序的可能的服务器应用程序正在系统100的服务器装置130、131上运行。装置120可以包括捕获设备，诸如用于提供与船舶有关的信号和数据的传感器设备。例如，传感器设备可以包括加速度计、倾斜仪、陀螺仪、风传感器、定位传感器、温度传感器、压力传感器或摄像头。例如，摄像头还可以用于提供视频数据，而麦克风可以用于提供音频数据。传感器设备还可以提供环境信号和数据。
在一个实施方式中，可以通过高速航迹遵循模式(High-Speed Track Followmode，HSTF)来提供航海船舶121的航迹遵循能力。在这种模式下，速度可以手动控制，而艏向则可以自动控制，以使用方向舵或可操纵的推进器保持航海船舶相对于航迹的横向位置。此模式不提供直接的摇摆控制，并且因此可能仅适用于中高速，其中可以通过控制偏航控制器的艏向设定点间接实现摇摆控制。
对于低速航迹，可以提供低速航迹遵循模式(LSTF)，其中直接全三轴定位和艏向控制是通过将推力分配给所有可用推进器来实现的。
在一个实施方式中，高速航迹遵循(HSTF)模式可以被配置为自动控制船舶速度。在航迹数据中定义速度命令，并且操作者可以根据需要在限制范围内向上或向下调整速度。GNSS数据还可以用于调整推力命令以遵循速度命令。
在一个实施方式中，自动船舶操纵系统(AVMS)包括另一种模式，即自动海港操纵(Automated Harbor Maneuvering，AHM)，其在自动位置和LSTF模式上进行了扩展以实现进坞和出坞的精确操纵。
在港口之间，系统100将能够使用HSTF来遵循航线。然而，在进坞和出坞期间，系统100将在AHM模式下工作，以沿着“海港航迹”170自动遵循并执行精确的操纵。海港航迹170包括在进坞后的定位与HSTF航线之间操纵船舶121的所有必要信息。如果环境或其他约束如此要求，操作者可以在不同的海港航迹170之间进行选择。图1提供了沿海港航迹170到达其进坞定位171的船舶121的概念图。
在一个实施方式中，自动船舶操纵系统(AVMS)被配置为能够使得LSTF与HSTF行为之间的自动混合。在中等速度下，航海船舶121控制可以是两者的组合，这提供了平稳的转运并且允许以任何速度进行操作。例如，在低速时，使用直接摇摆控制。随着航海船舶121的加速，这种控制逐渐减小，从而在高速时没有直接摇摆控制。这种功能允许自动船舶操纵系统(AVMS)将航海船舶121从开阔水域中的高速降低至船坞171处停止。
可以使用单独的模式来执行港口之间的转运操作以及自主进坞/出坞操作。另选地，它们可以组合为单个模式。
手动船舶控制将涉及使用推力控制杆来手动控制船舶速度和艏向。自动船舶控制将涉及船舶推进的切换控制和操纵AVMS。这可以通过在船舶121内使用桥接器安装的机械式两定位开关来实现，其中一个定位专用于“手动”控制，另一定位专用于“AVMS”控制。使用开关可确保始终可以恢复对推力杆和指挥的管制。
在一个实施方式中，可以定义较低速度阈值和较高速度阈值，并且基于动态设定点和所确定的船舶位置来确定摇摆控制信息。在低速模式中，当航海船舶速度小于较低速度阈值时，基于通过激活全部量程三轴定位的摇摆控制信息以及通过将全部量程推力分配给航海船舶的至少一个推进器的艏向控制，控制航海船舶的该至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。在高速模式中，当航海船舶速度大于较高速度阈值时，禁用航海船舶的至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。在中速模式下，当航海船舶速度介于较低速度阈值与较高速度阈值之间时，基于通过激活部分量程三轴定位的摇摆控制信息以及通过将部分量程推力分配给航海船舶的至少一个推进器的艏向控制，控制航海船舶的该至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。部分量程小于全部量程，并且部分量程可以相对于航海船舶速度而在零与全部量程之间逐渐改变。例如，在中速模式下，部分量程可以相对于从较高速度阈值降低到较低速度阈值的航海船舶速度而从零逐渐增加到全部量程。
对于船舶121的转运和进坞，AVMS可以在三种可能状态中的一种状态下运行，例如：待机、进坞和航行。
当船舶121的控制最初转移到AVMS时，AVMS将处于待机状态。在这种状态下，推进器被设定为零命令，从而允许操作者配置系统。例如，以下操作可用于“待机”中：配置系统参数、传感器选择、海港航迹选择、推进器选择、推进器检查(自动命令/反馈测试)和监控。
根据特定情况的要求，AVMS可以从待机状态切换为进坞或航行状态。一旦进坞，AVMS可能会切换回“待机”状态，这取决于对特定泊位的要求。
在一个实施方式中，当两定位开光返回到手动定位时，AVMS将返回(或保持在)待机状态，但是在这种情况下，它将对推进器和操纵没有任何控制(推进器检查将不起作用)。
进坞状态涵盖需要AVMS将船舶121主动保持在进坞定位171一段时间的情况。在这种状态下，AVMS可以自动地(例如，由“坡道降低”信号触发)控制推进器，以在进行装载和卸载操作的同时将船舶121牢固地靠在泊位壁上。
转运到进坞状态也可以手动执行，因为它需要刚好在接触船坞之前发生。直到航海船舶121安全地停靠码头171才可以降低坡道。
航行状态包括涉及遵循航迹170和包含在一个或更多个航点181至187中的指令的所有操作。
AVMS被配置为支持涉及转运和进坞/出坞操纵的连续自动船舶121操作。虽然操作是自动化的，但是为了操作的安全性以及为了提供操作上的变化，可能需要一些用户输入。这样的示例可以是由于各种环境条件而存在多个航迹170的转运操作，或者是具有多个泊位的进坞操作。例如，从一个港口离开的船舶121可以具有多个另选的可能的目的地。在这种情况下，可能需要操作者在AVMS完成出坞操作之前选择下一个目标港口。在自动操作期间，所需的用户输入可以通过多功能显示器(MFD)上的可见请求以及最终的声音告警示出给用户。作为一种安全措施，如果操作者在要求的时间之前尚未完成所需的输入(例如，从船舶121准备进入接近走廊190时从多个可用泊位中选择泊位)，AVMS会将船舶121带到停放站，直到接收到进一步的操作者输入。多功能显示器(MFD)也可以配置为提供操作者界面。这种界面可以包括触摸屏，以既显示与船舶状态有关的信息，又允许操作者启动、停止和调整AVMS行为。例如，触摸屏显示船舶相对于航迹的状态以及告警和其他状态信息。
在一个实施方式中，航海船舶装置120被配置为维护停靠港口和港口内的停泊定位的海港航迹170数据，其中海港航迹数据包括：定义在海港操纵期间允许的最大航迹定位偏差的边界的接近走廊数据190；和接近区域180信息。接近区域180信息还包括进入接近区域180的最大横向偏差，并且AVMS方法还包括：将船舶位置、速度和艏向与接近区域信息进行比较，并且响应于船舶偏差小于进入接近区域180的最大横向偏差而从转运控制模式改变为自主进坞控制模式。
此外，可以响应于改变为自主进坞控制模式而确定进入支路数据，其中，进入支路数据被配置为将航海船舶121引导到由海港航迹数据定义的海港航迹170上。在转运控制模式中，航海船舶121被配置为至少部分地处于手动控制模式。
可以使用海港航迹数据确定航海船舶121相对于海港航迹170的一致性，并且基于所确定的一致性确定航海方向。
在本说明书中，船舶是指任何种类的水运船舶，通常是航海船舶。最典型地，该船舶是渡轮、货船或大型邮轮，但是本公开例如也适用于游艇。
装置120被配置为能够直接经由本地连接或经由通过无线连接122的无线通信网络140直接连接至诸如因特网之类的公共网络150。例如，无线连接122可以包括移动蜂窝网络、卫星网络或无线局域网(WLAN)。无线通信网络140可以通过数据连接141连接到公共数据通信网络150，例如因特网。装置120可以被配置为能够通过数据连接直接连接到公共数据通信网络150，例如因特网，该数据连接可以包括固定或无线移动宽带访问。无线通信网络140可以通过数据连接连接到系统100的服务器装置130。
在一个实施方式中，航海船舶装置120可以利用至少一个捕获设备和计算机设备在航海船舶121内建立本地连接。捕获设备(诸如传感器)可以集成到装置120或航海船舶121上、附接到航海船舶121的船体并连接到船舶控制系统，或者布置为单独的传感器设备并且能够通过单独的连接来连接到网络150。
例如，装置120及其客户端应用程序可以允许装置120登录在服务器130上运行的船舶数据服务。
在一个实施方式中，可以在装置120与服务器130之间提供实时交互以通过网络150协作获取航海船舶数据。还可以在装置120与远程用户设备160之间提供实时交互以通过网络150、161协作获取航海船舶数据。
传感器数据项是由船舶121的传感器设备生成的。传感器数据项也可以被发送到服务器130。传感器数据项可以在发送之前在装置120处被处理，或者可以不经进一步处理就被发送。
传感器数据还可以在通过网络150发送之前存储在装置120中。然后，再次，可以在服务器装置130或远程用户设备160处存储/和/或处理被发送的传感器数据。
装置120可以连接到多个不同的捕获设备和工具，并且装置120可以被配置为选择与哪些传感器设备主动协作。
装置120或远程用户设备160的用户/操作者可能需要利用用户凭证登录到网络服务器130的所选服务。
在一个实施方式中，系统100包括传感器设备，该传感器设备被配置为通过本地连接而包括于或能够连接到装置120。本地连接可以包括有线连接或无线连接。例如，有线接口可以包括诸如通用串行总线(USB)或美国国家海洋电子协会(NMEA)0183/2000标准。例如，无线连接可以包括声学连接、BluetoothTM、射频识别(RF-ID)或无线局域网(WLAN)。例如，近场通信(NFC)也可以用于传感器设备与装置120之间的传感器设备识别。
在一个实施方式中，系统100可以包括服务器装置130，该服务器装置130包括通过数据连接151存储服务数据、服务度量和订户信息的存储设备131。例如，服务数据可以包括AVMS相关数据、航点属性相关数据、船舶相关数据、环境数据、配置数据、帐户创建数据、传感器数据、传感器ID、参考数据项、用户输入数据、实时协作数据、预定义设置和属性数据。
在一个实施方式中，装置120中的专有应用程序可以是服务的客户端应用程序，该客户端应用程序的服务器应用程序正在系统100的服务器装置130上运行。
装置120的专有应用程序可以接收传感器输入数据并提供输出数据。输入数据可以包括由诸如传感器设备或摄像头之类的捕获设备捕获的数据。
在一个实施方式中，可以由服务器130自动下载和配置用于任何装置的配置信息或应用程序下载信息。因此，设备的用户可能不需要针对服务进行任何初始化或配置。系统服务器130还可以负责诸如传感器设备、装置和用户之类的服务的帐户创建过程。下载的定时也可以被配置为自动的，并且根据船舶的行进计划进行优化。例如，当航海船舶在港口处进坞时，下载可能会自动进行。
在一个实施方式中，设备的关联可以是一次性的，或者可以永久地存储在任何设备或服务器130上。
在一个实施方式中，系统服务器130上的传感器设备或装置120的认证可以利用硬件或SIM凭证，例如国际移动设备标识(IMEI)或国际移动用户标识(IMSI)。例如，传感器设备或装置120可以将包括IMEI和/或IMSI的认证信息发送到系统服务器130。例如，系统服务器130通过将接收到的认证信息与存储在系统服务器数据库131中的注册用户/设备/船舶/装置的认证信息进行比较来对设备进行认证。这样的认证信息可以用于对设备和/或装置进行配对，以在它们之间产生关联以用于船舶数据连接。
在一个实施方式中，服务网络应用程序可以被用于系统的配置。例如，服务网络应用程序可以在任何用户设备、管理设备或远程控制设备160(诸如连接到公共数据网络(诸如，因特网150)的个人计算机)上运行。控制装置160还可以通过本地连接123本地连接到装置120，并且可以将装置120的网络连接用于配置目的。控制装置的服务网络应用程序可以例如提供搜索/添加工具、确定属性、设备设置和配置。例如，控制装置160的服务网络应用程序可以是针对太复杂而不能在装置120的用户接口上执行的任务的通用配置工具。
在一个实施方式中，可以对远程控制设备160进行认证，并且可以将配置数据从控制装置160发送到系统服务器130、131，其中可以基于接收到的数据来修改配置设置。在一个实施方式中，修改后的设置然后可以通过网络150和本地连接或无线运营商被发送到装置120。例如，修改后的设置也可以相应地通过装置120或直接通过网络150被发送到外部设备。
在一个实施方式中，传感器设备可以是无线的或有线的。
系统100还可以包括绕地球轨道运行的多个卫星110。各个卫星110的轨道不一定与其他卫星的轨道同步，并且实际上很可能是异步的。示出了诸如结合本发明的优选实施方式描述的全球定位系统接收器装置那样的全球定位系统接收器装置，该全球定位系统接收器装置从各种卫星110接收扩频全球导航卫星系统全球定位系统(GNSS)卫星信号112。
远程控制装置160可以被配置为由船舶121的远程操作者进行操作。例如，远程控制装置160可以被布置在地面站上、在船舶121上或在另一艘船舶上。
在一个实施方式中，开始自动操作可以包括使AVMS接合，然后激活多功能显示器(MFD)上的“航行”，这将使AVMS转运为航行模式。要求在激活“航行”之前正确配置AVMS，否则AVMS将不会转运为航行模式。
AVMS的配置要求足够的传感器是在线并被选择的、足够多的推进器是在线并被选择的、并且已经选择了航迹170和目的地171。取决于船舶121的位置(进坞或在管制控制下转运)，操作者可能必须从航迹库中的多个航迹170中进行选择，或者可能必须在激活“航行”模式之前靠近所选择的航迹170上的航点180至187。
在一个实施方式中，自动船舶操纵系统(AVMS)被配置为支撑双端船舶。自动船舶操纵系统(AVMS)被配置为在启动AVMS时根据船舶121与航迹170的一致性自动挑选航行方向。
在一个实施方式中，对于操作者而言，港口之间的自动操纵将是无缝操作，该无缝操作是在装载斜坡上升且船舶121准备出坞之后开始，并且在船舶121在下一个呼叫港口的泊位中就位并准备降低装载坡道时结束。自动操纵操作可以分为以下三个阶段：转运、进坞和出坞，如以下段落中所定义的那样。
在一个实施方式中，航海船舶装置120被配置为基于航点属性来确定动态设定点，其中，动态设定点包括基于海港航迹数据而改变的设定点定位、设定点速度和设定点艏向。此外，可以使用闭环控制器在动态设定点和所确定的船舶位置之间确定差异信息，基于该差异信息确定力矢量，以及基于力矢量控制自主进坞控制模式的推进器命令。
在一个实施方式中，船舶艏向可以与设定点艏向一致，并且船舶速度可以与设定点速度一致，其中设定点艏向和设定点速度是可配置参数。
此外，可以基于航海船舶在航迹段上的位置来将设定点艏向和设定点速度插值到航点和相应设定点值之间，以及使船舶艏向与插值后的设定点艏向一致，并且使船舶速度与插值后的设定点速度一致。可以基于航海船舶正在驶向的航点的航点属性来启用插值。
进坞
AVMS将针对各个停靠港口以及港口内的各个停泊定位171包含预先计划的海港航迹170，为了自动进坞，可以从海港进入区域180到泊位171遵循该预先计划的海港航迹170。该航迹170将包括接近走廊190，该接近走廊190设定在海港操纵期间允许的最大航迹定位偏差的边界，并且包括在转运到进坞阶段时使用的进入区域180。海港航迹170数据存储在用于AVMS操作的航海船舶装置120内，并且包括用于AVMS的所有必要数据，诸如与海港航迹170、停泊定位171、航点181至187、海港进入区域180和接近走廊190有关的数据。
必须考虑一些场景。一种场景涵盖以下情况：船舶121正在从自主转运到进坞阶段，第二种场景涵盖以下情况：船舶121处于手动模式(操作者使用管制进行手动转运)并且正在转运到(自主的)进坞阶段。对于这两种情况，船舶121必须定位在接近区域180内，并且必须满足所要求的前提条件，以允许转运到进坞阶段。
转运到进坞阶段的前提条件可以包括，例如：
a.船舶速度必须小于接近走廊的航点181至187指定的最大值
b.艏向偏差必须小于接近走廊190的航点181至187指定的最大值
c.横向偏差必须小于接近走廊190的宽度
d.艏向和横向偏差将一起检查。如果船舶121正朝着海港航迹170转向而不是转向离开航迹170，则可以接受更大的艏向偏差。
一旦将船舶121定位在接近区域180内，并且满足前提条件(参见上文)，就会自动计算出“进入支路”，AVMS会使用该“进入支路”将船舶121自动引导到海港航迹170上。此时，进坞阶段已经开始，并且AVMS使用港湾轨迹170数据中指定的预编程的速度和步骤，继续将船舶121操纵到船坞171。
在初始接近期间，航海船舶装置120可以使用GNSS 110进行定位。一旦船舶121到达指定泊位171的附近，系统就可以自动开始跟踪船舶121相对于泊位171的定位和艏向。在最后接近期间，航海船舶装置120可以使用相对定位(进坞传感器)来在进坞期间获得更高的精度。绝对定位与相对定位之间的转运可以由AVMS以无碰撞的方式自动处理。
例如，当船舶121已到达最终航点187，停泊在定位171并准备降低装载坡道时，到达进坞阶段的结束。在海港航迹170的终点171处的行为可以在以下选项中在最终航点187属性中进行配置，例如：保持站(Hold Station)(这与站保持(station keeping)相同)、转运到待机状态(切换回手动控制)、并且转运到进坞状态。
在所有情况下，除了保持站之外，在降低装载坡道之前可能都需要转运退出进坞阶段(航行状态)，因为在展开坡道之前应确保船舶121的定位。
另外，AVMS可以选择保存在随后的取消出坞阶段所需的特定参数(这主要涉及形成闭环控制器动态组件的“积分”)。
在一个实施方式中，为了在停泊的同时继续自主操作，AVMS可以被配置为使用最终航点187属性中包含的信息，自动使用船舶推进器将船舶121靠在船坞171上。在这种情况下，当船舶121已完成进坞阶段时，它将自动转运到进坞状态，并且推进器将倾斜以将船舶推向船坞。
出坞
出坞基本上是与进坞相反的过程。为了使船舶121进入出坞阶段，必须选择一个新的目的地(以及(与航迹数据相关联的)可能航迹，如果有若干个航迹可用的话)，装载坡道必须上升，并且操作者必须确认船舶121明确要出坞。一旦已经选择了目的地和航迹(以及航迹数据)并且升高了装载坡道，MFD上可能会出现确认请求消息。可能会要求操作者确认AVMS明确出坞请求以转运到出坞阶段并开始离开泊位171。一旦确认，AVMS将继续使用预先编程的速度以及航迹数据中包含的步骤来操纵船舶121离开船坞。
对于进坞阶段，AVMS可以利用离港航迹、离港走廊和退出区域将船舶121引导出海港区域。在大多数情况下，这些区域将与用于海港进入的航迹170、走廊190和区域180相同。离港航迹将在退出区域终止。
转运
船舶121从退出区域中的最终海港航迹航点和针对下一个港口的进入区域180中的首个海港航迹航点181进行的自主操纵被称为转运阶段。在此阶段，AVMS将使用包括在航迹数据中的航点内包含的信息来遵循转运航迹，以控制船舶的速度和艏向。
在转运阶段和进坞/出坞阶段之间的转运被配置为较少碰撞。在这些转运期间，AVMS将随着速度逐渐在高速航迹遵循模式(HSTF)和低速航迹遵循模式(LSTF)之间进行转运，但是此转运对操作者而言可能是透明的。
在进坞阶段和出坞阶段期间，系统将在自动海港操纵(AHM)模式下操作，以自动遵循并执行沿海港航迹170的精确操纵。海港航迹170数据包括在进坞定位171和进入/退出区域180之间操纵船舶的所有必要信息。
海港航迹170可以包括在航点181至187处连接的直线段(腿)，具有独立的预定义转弯半径，以在海港内和靠近泊位171处进行精确操纵。由于在海港内和靠近泊位处的精确操纵要求，海港航迹170将包括一组全面的航点属性，这不仅有助于引导船舶121，而且还控制控制系统沿航迹170的行为。下表列出了一些可以用于海港航迹170目的的航点属性。
Figure BDA0002810760200000161
Figure BDA0002810760200000171
Figure BDA0002810760200000181
当遵循海港航迹170时，可能需要多个动作和参数。以下特征仅是示例性的，并不一定需要所有特征。
调整速度
使用航点181至187将AHM模式的默认设定点速度预编程到海港航迹170数据中。例如，操作者可以使用MFD屏幕控制(在0到100％之间缩放)来覆盖(降低)设定点速度。
例如，在一个实施方式中，操作者可以例如以0.5海里的增量来调整速度。只要速度保持在定义的航迹限制内，就可以提高或降低速度。
停止
在AHM模式下，操作者可以通过激活MFD“当前定位”功能随时将船舶121停在航迹上。通过遵循指定的减速曲线，这将使船舶121停在航迹170上。在减速期间，可以在用户接口上表示“当前定位”功能，以指示正在进行减速。如果操作者在操作过程中第二次激活“当前定位”功能，则设定点将立即停止。上述两种动作可能都需要有MFD屏幕上确认，以防止意外动作。当船舶121正在停止或停止了时，将启用“继续”功能。通过激活“继续”功能，它将继续执行在海港航迹170数据中定义的操纵步骤。
航迹偏移
在处于AHM模式下时，操作者可以例如通过使用MFD的屏幕上的“港口”和“右舷”偏移功能来调整船舶121相对于航迹170的横向定位。每次激活功能时，横向偏移将沿激活功能的方向递增(例如，触摸显示器上的基于触摸的按钮或图标)。偏移可以数字和图形方式显示在MFD概览显示器上。另外，可以相对于默认航迹显示偏移航迹线。该偏移将受到在设定点定位处的海港航迹170的走廊190宽度的限制。如果操作者试图将偏移放置在走廊190的外部，则可能在MFD上显示警告。如果在船舶121沿航迹170移动时走廊190的宽度减小，则将自动减小航迹偏移以将船舶121安全地保持在走廊190内。将提供偏移重置功能以允许操作者在单个步骤中移除偏移。
航迹控制
在高速航迹期间，船舶121可以通过必要的艏向调整遵循航迹170的艏向，以保持零交叉航迹误差。艏向调整将使用高速转向分配(例如方向舵或主方位推进器)进行。
在低速航迹期间，船舶121可以选择性地使其艏向与预编程的设定点艏向一致。这允许船舶121在接近期间执行横漂操纵(crabbing maneuver)。艏向和速度设定点是能够配置的航点181至187属性。在航点181至187之间，可以基于船舶121在航迹170上的位置对速度和艏向设定点进行插值。插值选项能够由船舶121驶向的航点181至187的航点属性来配置。
偏航枢轴点是船舶121中心线上的如下的点，即，该点对于船上观察者而言似乎是旋转中心。在该点处的横向摇摆速度为定义零。这很重要，因为这意味着如果将枢轴点用作控制点，则在转弯时无需使用摇摆控制力。船舶121的偏航枢轴点的位置可以取决于船舶的转弯速率和横向速度。
在一个实施方式中，在接合自动操纵之前，有必要验证所有必要的推进器是完全可操作的。由于推进器可能没有长时间使用，因此推进器就绪指示可能不足以保证推进器的操作。为此，使用了自动推进器检查功能，该功能可以自动发出命令并验证推进器是否按照预期进行遵循。可以包括在接合AHM之前立即成功地进行推进器检查，以作为系统准备就绪的条件。
在一个实施方式中，例如，根据航迹属性(航迹数据)和船舶速度确定航海船舶121的控制模式。然后可以使用闭环控制器来确定动态设定点与所确定的船舶位置之间的差异信息，并基于该差异信息来确定力矢量。根据控制模式和力矢量确定推进器命令。
此外，装置120可以确定外力信息，然后可以将力矢量与外力信息组合，并基于该组合确定推进器命令。可以基于推进器命令来控制至少一个推进器。例如，外力信息可以包括，例如，使用捕获设备(例如，风传感器)检测到的风信息。
图2呈现了可以应用本发明的各种实施方式的航海船舶装置120的示例框图。航海船舶装置120被配置为操作用于自主进坞。
航海船舶装置120的总体结构包括用户接口240、通信接口250、卫星定位设备(GNSS)270、用于捕获当前船舶活动数据和当前环境数据的捕获设备260、处理器210和联接到处理器210的存储器220。航海船舶装置120还包括存储在存储器220中并且能够工作以被加载到处理器210中并在处理器210中执行的软件230。软件230可以包括一个或更多个软件模块，并且可以采用计算机程序产品的形式。航海船舶装置120还可包括用户接口控制器280。
处理器210可以是例如中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元等。图2示出了一个处理器210，但是装置120可以包括多个处理器。
存储器220可以是例如非易失性存储器或易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、数据盘、光学存储部、磁性存储部、智能卡等。装置120可以包括多个存储器。存储器220可以被构造为装置120的一部分，或者可以被用户插入到用户装置120的插槽、端口等中。存储器220可以仅用于存储数据，或者可以被构造为用于其他目的(例如，处理数据)的装置的一部分。专有的自主航海船舶进坞应用程序、航迹数据、自主航海船舶模式相关数据、传感器数据、船舶相关数据或环境数据可以存储到存储器220。
在一个实施方式中，装置120被构造为执行自主航海船舶进坞的计算机实现方法，该方法包括确定与定义港口之间的转运操作的航线计划数据相关联的转运控制模式；确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段。接近区域信息包括接近区域的位置区域信息；进入接近区域的最大船舶速度；以及进入接近区域的最大艏向偏差。该方法还包括确定船舶位置、速度和艏向；将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：所述位置区域信息包括所述船舶位置；所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
用户接口控制器280或用户接口240可以包括：用于例如经由键盘接收来自航海船舶装置120的用户的输入的电路、显示在航海船舶装置120的用户接口240的显示器上的图形用户接口、语音识别电路或附件设备(例如耳机)，并经由例如图形用户接口或扬声器向用户提供输出。
全球导航卫星系统(GNSS，诸如GPS)设备270被配置为提供位置信息。这样的信息可以包括例如定位坐标、速度、运动方向和浪高信息。
通信接口模块250实现数据传输的至少一部分。通信接口模块250可以包括例如无线或有线接口模块。无线接口可以包括诸如WLAN、蓝牙、红外(IR)、射频识别(RF ID)、GSM/GPRS、CDMA、WCDMA、LTE(长期演进)或5G无线电模块。例如，有线接口可以包括诸如通用串行总线(USB)或美国国家海洋电子协会(NMEA)0183/2000标准。通信接口模块250可以被集成到航海船舶装置120中，或者被集成到可以被插入到航海船舶装置120的合适的插槽或端口中的适配器、卡等中。通信接口模块250可以支持一种无线电接口技术或多种技术。航海船舶装置120可以包括多个通信接口模块250。
技术人员将认识到，除了图2所示的元件之外，航海船舶装置120还可以包括其他元件，例如麦克风、额外的显示器以及附加电路，诸如输入/输出(I/O)电路、存储芯片、专用集成电路(ASIC)、用于特定目的的处理电路(诸如源编码/解码电路、信道编码/解码电路、加密/解密电路等)。附加地，航海船舶装置120可以包括一次性或可充电电池(未示出)，以在外部功率(如果有外部电源)不可用时进行供电。
在一个实施方式中，航海船舶装置120包括语音识别工具。例如，使用这些工具，可以从语音中识别出预定义的短语，并将其翻译为针对装置120的控制信息。
卫星定位设备270和捕获设备260可以被配置为包括在航海船舶装置120中，或者作为单独的设备连接到装置120。在将卫星定位设备270和捕获设备260包括在装置120中的情况下，它们可以使用装置120的内部总线连接到装置120。在卫星定位设备270和捕获设备260是连接到装置120的外部设备的情况下，它们可以使用装置120的通信接口250或使用到内部总线的连接来连接到装置120。
在一个实施方式中，捕获设备260可以包括全球导航卫星系统(GNSS)定位传感器和进坞传感器。航海船舶装置120被配置为在航迹段的第一集合中选择全球导航卫星系统(GNSS)定位传感器作为定位信息源，确定到泊位的船舶距离，并响应于船舶距离小于预定阈值而在航迹段的第二集合中选择进坞传感器作为定位信息源。
图3呈现了可以应用本发明的各种实施方式的捕获设备260(诸如传感器或传感器设备)的示例框图。例如，捕获设备260可以包括用于活动数据检测和环境数据检测的各种工具。捕获设备260可以用于参考数据和当前数据捕获两者。
在一个实施方式中，捕获设备260可以包括以下设备中的至少一个设备：
-用于提供风信息的风速计；
-用于提供风信息的风传感器；
-用于提供浪高信息的传感器；
-用于测量气压的气压计；
-用于测量环境温度的温度传感器；
-用于测量深度信息的水深传感器；
-用于提供定位信息的图表绘图仪；
-用于提供帆信息的帆传感器；
-用于提供速度信息的速度传感器；
-用于提供视频信号的视频摄像头；
-用于提供方向信息的陀螺罗盘；
-GNSS设备，即基于卫星导航的绝对定位传感器(GLONASS、GPS、GALILEO)；以及
-运动参考单位(MRU)传感器，即俯仰和侧倾传感器。
在一个实施方式中，航海船舶装置120可以包括一组传感器260，其将提供定位和环境数据以支持控制器工作。GNSS传感器包括基于卫星导航(GLONASS、GPS、GALILEO)的绝对定位传感器，该绝对定位传感器提供了船舶在地球表面上的当前测量定位。可以使用的GNSS系统是例如Fugro OceanStarTM3，它利用三个GNSS接收器的组合为位置测量提供分米精度。数据也可以从各个接收器获得，作为备用定位测量方法，但可用精度较低。陀螺罗盘包括绝对艏向传感器，该绝对艏向传感器可以提供船舶相对于真实北向的测量偏移。运动参考单元(MRU)传感器包括俯仰和侧倾传感器，该俯仰和侧倾传感器可针对俯仰和侧倾提供相对于垂直方向的测量偏移。GNSS系统可以包括其自身的捕获运动参考单元(MRU)。这可能是提高GNSS精度所要求的，因为GNSS天线在俯仰和侧倾期间会大弧度摆动。可以基于俯仰和侧倾测量值，使用数学计算将测量值标准化到垂直方向上的值。
捕获设备260还可以包括若干捕获设备260、任何上述设备的组合等。环境温度例如可以包括空气温度、水温度或地面温度。
在一个实施方式中，风传感器260被配置为确定或测量风向角和风速。风传感器260可以包括能够工作以感测风相关信息以供用户装置120使用的元件组合中的任何元件。例如，风传感器260能够工作为感测视在风速、视在风向角、真实风速、真实风向角、风速变好(wind velocity made good，VMG)及其组合等。
在一个实施方式中，帆传感器260被配置为确定帆信息。帆信息提供了艇上当前使用的帆的状态及其改变的定时。帆传感器260可以包括在艇的桅杆中的第一传感器和在帆中的第二传感器，以识别在桅杆中使用的是哪个帆。基于从这些传感器中接收的信息，用户装置120可以定义在哪些桅杆中使用哪个帆以及改变帆的定时。帆信息因此可以用作参考活动数据和当前活动数据的一部分。帆也可以包括转子帆或其他类似的机械帆系统。
在一个实施方式中，摄像头260被配置为提供视频信号。基于视频信号，航海船舶装置120可以确定航海船舶121周围的环境数据或对象信息的至少一部分。例如，可以基于来自摄像头260的视频信号来确定浪高。例如，可以通过视频图像处理、模式识别、测量地平线的摇摆运动或相对运动来完成该确定。
捕获设备260可以包括实现数据传输的至少一部分的通信接口模块。通信接口模块可以包括例如无线或有线接口模块。无线接口可以包括诸如WLAN、蓝牙、红外(IR)、射频识别(RF ID)、GSM/GPRS、CDMA、WCDMA、LTE(长期演进)或5G无线电模块。例如，有线接口可以包括诸如通用串行总线(USB)或美国国家海洋电子协会(NMEA)0183/2000标准。通信接口模块可以集成到捕获设备260中，或者集成到可以插入捕获设备260的合适的插槽或端口中的适配器、卡等中。通信接口模块可以支持一种无线电接口技术或多种技术。捕获设备260可以包括多个通信接口模块。
图4呈现了可以应用本发明的各种实施方式的服务器装置130的示例框图。
服务器装置130的总体结构包括处理器410和联接到处理器410的存储器420。服务器装置130还包括存储在存储器420中并且能够工作以被加载到处理器410中并在处理器410中执行的软件430。软件430可以包括一个或更多个软件模块，并且可以是计算机程序产品的形式。
处理器410可以是例如中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元等。图4示出了一个处理器410，但是服务器装置130可以包括多个处理器。
存储器420可以是例如非易失性存储器或易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、数据盘、光学存储部、磁性存储部、智能卡等。服务器装置130可以包括多个存储器。存储器420可以被构造为服务器装置130的一部分，或者可以被用户插入到服务器装置130的插槽、端口等中。存储器420可以仅用于存储数据，或者可以被构造为用于其他目的(例如，处理数据)的装置的一部分。
通信接口模块450实现无线电传输的至少一部分。通信接口模块450可以包括例如无线或有线接口模块。无线接口可以包括诸如WLAN、蓝牙、红外(IR)、射频识别(RF ID)、GSM/GPRS、CDMA、WCDMA、LTE(长期演进)或5G无线电模块。例如，有线接口可以包括诸如通用串行总线(USB)或美国国家海洋电子协会(NMEA)0183/2000标准。通信接口模块450可以被集成到服务器装置130中，或者被集成到可以被插入服务器装置130的合适的插槽或端口中的适配器、卡等中。通信接口模块450可以支持一种无线电接口技术或多种技术。服务器装置130可以使用通信接口450来接收所捕获的航海船舶装置120的自主进坞相关数据、航迹数据、相关联的船舶活动数据或环境数据。可以将数据存储用于备份或处理，并提供给航海船舶装置。例如，该数据可以用于另一艘航海船舶或另一队航海船舶的AVMS。
电子邮件服务器处理460，其经由网络150接收从航海船舶装置120和计算机装置160发送的电子邮件消息。服务器460可以包括内容分析器模块461，内容分析器模块461检查所接收到的消息的内容是否满足针对服务的新活动数据项设置的标准。例如，内容分析器模块461例如可以检查电子邮件消息是否包含有效的船舶活动数据项，该有效的船舶活动数据项在进一步的自主船舶处理中用作参考数据项。然后，由电子邮件服务器接收的有效参考数据项被发送到应用程序服务器440，该应用程序服务器440提供例如与存储在用户数据库470中的用户账户和内容管理服务的内容有关的应用程序服务。服务系统100提供的内容存储在内容数据库480中。
技术人员将理解，除了图4所示的元件之外，服务器装置130可以包括其他元件，诸如麦克风、显示器以及附加电路，诸如输入/输出(I/O)电路、存储器芯片、专用集成电路(ASIC)、用于特定目的的处理电路(诸如源编码/解码电路、信道编码/解码电路、加密/解密电路等)。
图5呈现了可以应用本发明的各种实施方式的计算机装置160的示例框图。计算机装置160可以是用户设备(UE)、用户装备或装置，诸如移动终端、智能电话、膝上型计算机、台式计算机或其他通信设备。
计算机装置160的一般结构包括用户接口540、通信接口550、处理器510和联接至处理器510的存储器520。计算机装置160还包括存储在存储器520中并能够工作以被加载到处理器510中并在处理器510执行的软件530。软件530可以包括一个或更多个软件模块，并且可以是计算机程序产品的形式。计算机装置160可以进一步包括用户接口控制器560。
处理器510可以是例如中央处理单元(CPU)、微处理器、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元等。图5示出了一个处理器510，但是计算机装置160可以包括多个处理器。
存储器520可以是例如非易失性存储器或易失性存储器，诸如只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、数据盘、光学存储部、磁性存储部、智能卡等。计算机装置160可以包括多个存储器。存储器520可以被构造为计算机装置160的一部分，或者可以被用户插入到用户装置160的插槽、端口等中。存储器520可以仅用于存储数据，或者可以被构造为用于其他目的(例如，处理数据)的装置的一部分。
用户接口控制器560可以包括：用于例如经由键盘接收来自计算机装置160的用户的输入的电路、显示在计算机装置160的用户接口540的显示器上的图形用户接口、语音识别电路或附件设备(例如耳机)，并经由例如图形用户接口或扬声器向用户提供输出。
通信接口模块550实现无线电传输的至少一部分。通信接口模块550可以包括例如无线或有线接口模块。无线接口可以包括诸如WLAN、蓝牙、红外(IR)、射频识别(RF ID)、GSM/GPRS、CDMA、WCDMA、LTE(长期演进)或5G无线电模块。例如，有线接口可以包括诸如通用串行总线(USB)或美国国家海洋电子协会(NMEA)0183/2000标准。通信接口模块550可以被集成到计算机装置160中，或者被集成到可以被插入到计算机装置160的合适的插槽或端口中的适配器、卡等中。通信接口模块550可以支持一种无线电接口技术或多种技术。计算机装置160可以包括多个通信接口模块550。
技术人员将认识到，除了图5所示的元件之外，计算机装置160还可以包括其他元件，例如麦克风、额外的显示器、以及附加电路，诸如输入/输出(I/O)电路、存储芯片、专用集成电路(ASIC)、用于特定目的的处理电路(诸如源编码/解码电路、信道编码/解码电路、加密/解密电路等)。附加地，计算机装置160可以包括一次性或可充电电池(未示出)，以在外部功率(如果有外部电源)不可用时进行供电。
图6示出了示出根据本发明的示例实施方式的操作的流程图。在步骤600中，开始了一种自主进坞航海船舶的计算机实现方法。在步骤610中，确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作。在步骤620中，确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段，其中，所述接近区域信息包括：
所述接近区域的位置区域信息；
进入所述接近区域的最大船舶速度；以及
进入所述接近区域的最大艏向偏差。
在步骤630中，确定船舶位置、速度和艏向。在步骤640，将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述位置区域信息包括所述船舶位置；
所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及
所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
该方法在步骤650中结束。
图7示出了根据本发明的示例实施方式的控制系统(AVMS)700的示意图。图2的航海船舶装置120包括系统700的大多数元件。
自动化船舶操纵系统(AVMS)700可以包括双控制处理器(CP)710、720，以及使用双冗余网络711、721互连的双操作者工作站730、740，如图7所示。
例如，MFD(多功能显示器)730、740可以包括计算机、具有触摸屏的显示器以及非弹簧加载的3轴操纵杆731、741。MFD 730、740可以被配置用于所有操作者与系统的交互，并且可以为操作者提供一种选择船舶的航线、目的地和海港航迹信息的方法。MFD还可负责在操作期间呈现告警信息。
GNSS系统750被配置为提供基于卫星导航(GLONASS、GPS、GALILEO)的绝对定位传感器，该绝对定位传感器可以包括多个GNSS接收器；自身的运动参考单元(MRU)752以及例如提供了船舶在地球表面上的当前测量定位的桥柜(bridge cabinet)751。GNSS系统750可以包括例如Fugro OceanStarTM3，它利用三个GNSS接收器的组合为位置测量提供分米精度，如图7所示。作为备用定位测量方法，数据也可以从各个接收器获得，但可用精度较低。
还例示了其它传感器753至755，例如现有的船上陀螺仪传感器755、风传感器753和引导航海运动参考单元(MRU)传感器754。传感器750至755可以通过串行总线760连接到控制处理器710至720。控制处理器710、720还可以分别与混合控制器(FWD)711和混合控制器(AFT)721在操作上连接。混合控制器711、721与控制处理器710、720之间的连接例如可以使用Modbus RTU来执行。控制处理器710、720还可以被配置为提供对去往/来自航海船舶推进器的I/O访问712、722。
在一个实施方式中，航海船舶可以包括多个推进器。操纵推进器(船首推进器或船尾推进器)是一种内置或安装在船或艇的船首或船尾的横向推进设备，以使其更具操纵性。船首推进器使进坞更加容易，因为它们可以使船舶转向到左舷或右舷，而无需使用需要一些向前运动才能进行转向的主推进机构。推进力的有效性会因宽德效应而受到任何向前运动的限制。安装在船尾的船尾推进器具有相同的原理。大型船可能有多个船首推进器和船尾推进器。大型船舶通常在水线以下的船头上具有一个或更多个隧道推进器。隧道中的叶轮可向任一方向产生推力，从而使船转向。大多数隧道推进器由电动机驱动，但有些由液压驱动。这些船首推进器(也称为隧道推进器)可以使船在没有拖船协助的情况下进坞，从而节省了这种服务的成本。
在一个实施方式中，航海船舶的自动船舶操纵系统(AVMS)可以被配置为以不同的速度自动控制摇摆控制设备，例如推进器。因此，可以实现从港口之间的高速转运到港口接近和自主进坞的平稳过渡，并允许以任何速度进行操作。例如，在低速时，使用直接摇摆控制。随着船舶的加速，这种控制逐渐减少，因此在高速下不存在直接摇摆控制。此功能使自动船舶操纵系统(AVMS)能够将船舶从开阔水域中的高速降低至在船坞处停止。
图7所示的设置仅是示例。例如，可以根据冗余和网桥布局需求以各种方式配置系统。因此，例如，该系统可以包括1、2或3个控制处理器710、720以及任意数量的MFD(多功能显示器)730、740以及不同数量的传感器750至754。
图8示出了根据本发明的示例实施方式的闭环控制器框图800的示意图。
如图7所示的控制处理器710、720可以包括闭环控制器810和IO 820至850的机架，所述机架用于将系统与例如船舶上的推进器上进行接口。
控制处理器包括与传感器处理模块860和推力器分配逻辑(TAL)模块870协同工作的闭环控制器810。简而言之，闭环控制器810用于基于定位和艏向设定点信息840将船舶保持在定位和艏向设定点上，该定位和艏向设定点信息840可以相对于海港航迹信息的航点来被预先编程和访问。对于站保持而言，设定点将包括固定的位置和方位(bearing)，但是对于转运和进坞操作，设定点包括随着沿在一系列航点之间的航迹移动而不断改变的定位和艏向。随着设定点的移动，闭环控制器810将计算设定点840与实际船舶定位之间的差异，并将使用该差异来计算消除两个定位之间的距离所需的力矢量。基于定位和艏向传感器数据830计算实际的船舶定位，该实际的船舶定位由传感器处理模块860处理以提供定位估计，该定位估计由卡尔曼滤波器模块880过滤以提供定位和艏向估计以与设定点840进行比较。力矢量可以由比例积分微分控制器(PID控制器或三项控制器)890确定，并通过推力器分配逻辑(TAL)870将该力矢量转变为实际的推进器命令(在减去环境数据850之后，诸如像风一样的外力)，然后使用IO架820将这些命令传递给各个推进器。
已经呈现了各种实施方式。应当理解，在本文档中，词语“包括”、“包括有”和“包含”分别用作不意图排他的开放式表述。如果需要，可以以不同的顺序和/或彼此同时地执行本文讨论的不同功能。此外，如果需要，上述功能中的一个或更多个可以是可选的或可以被组合。尽管在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但是本发明的其他方面包括来自所描述的实施方式和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的其他组合，而不仅仅是在权利要求中明确列出的组合。
在不以任何方式限制下面出现的权利要求书的范围、解释或应用的情况下，本文公开的一个或更多个示例实施方式的技术效果是用于自主航海船舶进坞的改进的方法和装置。
本文公开的一个或更多个示例实施方式的另一技术效果是，它使得能够以可能的最安全和最有效的方式自动执行进坞操纵。该程序意味着，当船舶接近船坞时，将使用所有相关变量(例如风速、重量、俯仰、侧倾、水深和水流)对其进行编程。该数据使它能够以最安全、最有效的方式自动执行进坞操作。尽管船长可以监督，但转向主要由软件处理。该系统具有两个控制处理器，以在进坞期间提供完全的冗余性和安全性。它还具有两个操作者工作站以便于查看，无论船是向船首方向航行还是向船尾方向航行。完全冗余性也被应用于系统的传感器。
本文公开的一个或更多个示例实施方式的另一技术效果是由于人为错误的可能性较小而提高了安全性；由于推进器得到有效利用，因此摩擦和磨损更少；以及更高的进坞效率，这允许在泊位处留有更多时间。
尽管在独立权利要求中阐述了本发明的各个方面，但是本发明的其他方面包括来自所描述的实施方式和/或从属权利要求的特征与独立权利要求的特征的其他组合，而不仅仅是在权利要求中明确阐述的组合。
在此还应注意，尽管以上描述了本发明的示例实施方式，但是这些描述不应以限制性的意义来看待。相反地，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可以进行若干变型和修改。

Claims (28)

1.一种自主航海船舶进坞的计算机实现方法，所述计算机实现方法包括：
确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作；
确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段，其中，所述接近区域信息包括：
所述接近区域的位置区域信息；
进入所述接近区域的最大船舶速度；以及
进入所述接近区域的最大艏向偏差；
确定船舶位置、速度和艏向；
将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述位置区域信息包括所述船舶位置；
所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及
所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
2.根据权利要求1所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
基于所述航点属性确定动态设定点，其中，所述动态设定点包括基于所述海港航迹数据而改变的设定点定位、设定点速度和设定点艏向。
3.根据权利要求2所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
使用闭环控制器确定所述动态设定点与所确定的船舶位置之间的差异信息；
基于所述差异信息确定力矢量；以及
基于所述力矢量控制所述自主进坞控制模式的推进器命令。
4.根据权利要求2或3所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
使所述船舶艏向与所述设定点艏向一致，并且使所述船舶速度与所述设定点速度一致，其中，所述设定点艏向与所述设定点速度是可配置参数。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
基于所述航海船舶在所述航迹段上的位置，将所述设定点艏向和所述设定点速度插值到航点和相应的设定点值之间；以及
使所述船舶艏向与插值后的设定点艏向一致，并且使所述船舶速度与插值后的设定点速度一致。
6.根据权利要求5所述的计算机实现方法，其中，基于所述航海船舶正在驶向的所述航点的航点属性来启用插值。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
定义较低速度阈值和较高速度阈值；以及
基于所述动态设定点和所确定的船舶位置确定摇摆控制信息。
8.根据权利要求7所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
当所述航海船舶速度小于所述较低速度阈值时，基于通过激活全部量程三轴定位的所述摇摆控制信息以及通过将全部量程推力分配给所述航海船舶的至少一个推进器的艏向控制，在低速模式下控制所述航海船舶的该至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。
9.根据权利要求7或8所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
当所述航海船舶速度大于所述较高速度阈值时，在高速模式下禁用所述航海船舶的至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
当所述航海船舶速度介于所述较低速度阈值与所述较高速度阈值之间时，基于通过激活部分量程三轴定位的所述摇摆控制信息以及通过将部分量程推力分配给所述航海船舶的至少一个推进器的艏向控制，在中速模式下控制所述航海船舶的该至少一个推进器的摇摆控制推进器命令。
11.根据权利要求10所述的计算机实现方法，其中，所述部分量程小于所述全部量程。
12.根据权利要求10或11所述的计算机实现方法，其中，在所述中速模式下，所述部分量程相对于所述航海船舶速度在零与所述全部量程之间逐渐改变。
13.根据权利要求12所述的计算机实现方法，其中，在所述中速模式下，所述部分量程相对于从所述较高速度阈值降低到所述较低速度阈值的所述航海船舶速度从零逐渐增加到所述全部量程。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
维护停靠港口的所述海港航迹数据和该港口内的停泊定位，其中，所述海港航迹数据包括：
接近走廊数据，所述接近走廊数据定义海港操纵期间允许的最大航迹定位偏差的边界；以及
所述接近区域信息。
15.根据权利要求14所述的计算机实现方法，其中，所述接近区域信息还包括进入所述接近区域的最大横向偏差，并且所述方法还包括：
将船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述船舶偏差小于进入所述接近区域的所述最大横向偏差。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
响应于改变为所述自主进坞控制模式而确定进入支路数据，其中，所述进入支路数据被配置为将所述航海船舶引导到由所述海港航迹数据定义的海港航迹上。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的计算机实现方法，其中，在所述转运控制模式中，所述航海船舶被配置为至少部分地处于手动控制模式。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的计算机实现方法，所述计算机实现方法还包括：
使用所述海港航迹数据，确定所述航海船舶相对于海港航迹的一致性；以及
基于所确定的一致性选择航行方向。
19.一种用于自主进坞的航海船舶装置，所述航海船舶装置包括：
至少一个传感器：
通信接口，所述通信接口用于收发数据；
至少一个处理器；以及
至少一个存储器，所述至少一个存储器包括计算机程序代码；
所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作；
确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段，其中，所述接近区域信息包括：
所述接近区域的位置区域信息；
进入所述接近区域的最大船舶速度；以及
进入所述接近区域的最大艏向偏差；
确定船舶位置、速度和艏向；
将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述位置区域信息包括所述船舶位置；
所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及
所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
20.根据权利要求19所述的航海船舶装置，其中，所述至少一个传感器被配置为提供位置相关数据或环境相关数据。
21.根据权利要求19或20所述的航海船舶装置，其中，所述至少一个传感器包括以下项中的至少一项：
全球导航卫星系统(GNSS)定位传感器；
进坞传感器，所述进坞传感器用于提供相对于泊位的相对定位信息；
陀螺罗盘传感器，所述陀螺罗盘传感器用于提供艏向信息；
运动参考单元(MRU)传感器，所述运动参考单元(MRU)传感器用于提供俯仰和侧倾信息；以及
风传感器，所述风传感器提供风速和方向信息。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的航海船舶装置，其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
在所述航迹段的第一集合中选择所述全球导航卫星系统(GNSS)定位传感器作为定位信息源；以及
确定到所述泊位的船舶距离，并且响应于所述船舶距离小于预定阈值而在所述航迹段的第二集合中选择所述进坞传感器作为定位信息源。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的航海船舶装置，其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
基于所述航点属性确定动态设定点，其中，所述动态设定点包括基于所述海港航迹数据而改变的设定点定位、设定点速度和设定点艏向。
24.根据权利要求19至23中任一项所述的航海船舶装置，其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
使用闭环控制器确定所述动态设定点与所确定的船舶位置之间的差异信息；
基于所述差异信息确定力矢量；以及
基于所述力矢量控制所述自主进坞控制模式的推进器命令。
25.根据权利要求24所述的航海船舶装置，所述航海船舶装置还包括：
至少一个推进器；并且
其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
确定外力信息；
将所述力矢量与所述外力信息组合；
基于所述组合确定所述推进器命令；以及
基于所述推进器命令控制所述至少一个推进器。
26.根据权利要求25所述的航海船舶装置，其中，所述外力信息包括风信息。
27.根据权利要求25所述的航海船舶装置，所述航海船舶装置还包括：
多个推进器；并且
其中，所述至少一个存储器和所述计算机程序代码被配置为与所述至少一个处理器一起使所述航海船舶装置：
通过将推力分配给所述多个推进器来控制全部量程三轴定位和航向。
28.一种在计算机可读介质上实现的计算机程序，所述计算机程序包括计算机可执行程序代码，所述计算机可执行程序代码在由装置的至少一个处理器执行时使所述装置：
确定与航线计划数据相关联的转运控制模式，所述航线计划数据定义港口之间的转运操作；
确定与海港航迹数据相关联的自主进坞控制模式，所述海港航迹数据包括航点属性的集合并且定义接近区域信息和在航点处连接的航迹段，其中，所述接近区域信息包括：
所述接近区域的位置区域信息；
进入所述接近区域的最大船舶速度；以及
进入所述接近区域的最大艏向偏差；
确定船舶位置、速度和艏向；
将所述船舶位置、速度和艏向与所述接近区域信息进行比较，并响应以下情况而从所述转运控制模式改变为所述自主进坞控制模式：
所述位置区域信息包括所述船舶位置；
所述船舶速度低于进入所述接近区域的所述最大船舶速度；以及
所述船舶艏向匹配由进入所述接近区域的所述最大艏向偏差定义的标准。
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