CN112429165B - 一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法，该方法将减摇鳍的鳍体等效成长方体模型，其中障碍物的等效球模型是将障碍物看成一个质点，质点与鳍体的安全距离作为半径，标记处于鳍体中的轴中心点、长方体模型右侧面中心点与这两点在后侧面所在平面的投影点，通过测距传感器分别测出障碍物与其余四点的距离，再测出两个中心点的距离和长方体模型的宽，若障碍物将与鳍发生碰撞，则需要在降低一定减摇效果的情况下改变鳍摆角实现避障，由折算关系可知所需改变的角度。本发明优点是方法简单、操作方便、实用性强，并且避免了鳍在遇到暗礁、较大悬浮物或特殊情况时发生碰撞的不利情况，解决了传统减摇鳍的鳍体缺乏实时自动避障的问题。

Description

一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法

技术领域

本发明涉及一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法，具体涉及的是装配两对或两对以上的船用减摇鳍在遇到海洋中的暗礁、悬浮物等较大障碍物或特殊情况时的实时自动避障方法。

背景技术

随着我国航海业的不断发展，开采探索的区域也变得越来越广阔，船在海上会遇到海风、海浪、海流等一些外在因素的影响，运动的船舶或停泊的船舶都会产生六自由度的运动，其中横摇运动带来的影响最为严重，因此如何减小船的横摇成为了一个技术难题，减摇鳍的装配使得船舶的减摇效果得到了大幅度的提升，但是由于我国航海业的快速发展且探索的区域变得越来越广泛，尤其是在探索未知海域时，难免会遇到一些比较复杂的情况或突发情况，比如说遇到暗礁、特殊情况或一些较大的悬浮障碍物等，这种情况下不仅仅需要考虑减摇，还需要考虑减摇鳍的鳍体的避障，以免鳍的损坏而导致减摇鳍的失效。因此减摇鳍的鳍体实时自动避障成为亟待解决的难点。此外，可以通过增加减摇鳍的数量来较为容易地解决避障时减摇效果降低的问题。

发明内容

本发明的目的提出一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法，所述方法简单、操作方便、实用性强，不用改变传统减摇鳍的结构，能够解决减摇鳍的鳍体的实时自动避障问题，避免一些由鳍的碰撞而带来的不必要的损失。

为了达到上述目的的要求，提出了一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法，具体包括以下步骤：

步骤1：获取减摇鳍的鳍体的长方体等效模型，将处于鳍体中的鳍轴1的中心点记为点O，所述长方体等效模型右侧面3的中心点记为点Q，将处于鳍体中的鳍轴1的中心点在长方体等效模型后侧面2所在平面的第二投影点记为点B，长方体等效模型右侧面3的中心点在长方体等效模型后侧面2所在平面的第三投影点记为点C；

步骤2：获取障碍物的等效球模型，所述障碍物的等效球模型是将障碍物看成一个质点，R为鳍与质点的安全距离，将第一个障碍物记为点P₁，R₁特指鳍与第一个障碍物P₁的安全距离，再以点P₁为球心R₁为半径作球，根据障碍物大小的不同安全距离R也会有所不同；

步骤3：获取减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图，所述主视图是在所述长方体等效模型后侧面2所在平面上的投影，过点P₁作水平轴X轴的垂线，与X轴和圆弧交点分别为E点和F点；

步骤4：结合减摇鳍的鳍体的长方体等效模型、障碍物的等效球模型，获得减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型，在所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型中，将∠OBP₁记为

∠QCP₁记为

此时

和

分别为

式中：在所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型中，m为点B与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，l为所述长方体等效模型宽利用测量的方法获得，n为点C与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，x为点O与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，y为点Q与点P₁的直线距离利用测距传感器测得；

步骤5：所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠OP₁Q记为β，此时β为：

式中：所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中，a为点O与点P₁的距离且满足

b为点Q与点P₁的距离且满足

d为处于鳍体中的鳍轴1的中心点O与所述长方体等效模型右侧面3的中心点Q的距离，利用测量的方法得到；

步骤6：所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠EP₁Q记为γ，此时γ为：

式中：h为所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中点Q与点F的距离，并且满足h²+R₁ ²＝b²；

步骤7：完成避障时减摇鳍的鳍体与水平面的夹角记为θ，完成避障时减摇鳍的鳍体需要改变的角度记为Δθ，此时θ和Δθ分别为

Δθ＝θ-θ₀

式中：α为减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠EP₁O，并且满足等式α＝γ-β，θ₀为减摇鳍的鳍体与水平面的初始夹角。

本发明的有益效果有：

1.采用一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法解决了减摇鳍的鳍体的实时自动避障问题，所述的方法计算较为简单、实现较为方便且操作容易执行，不用改变传统减摇鳍的结构。

2.本发明所述方法解决了传统减摇鳍的鳍体缺乏避障的问题，也解决了减摇鳍的鳍体在航行时与障碍物碰撞的问题，还减少了鳍与障碍物的碰撞而带来的不必要的损失。

3.本发明所述方法是在牺牲一定减摇效果的情况下达到避障的要求，由于单对的减摇鳍在避障时降低的减摇效果较多，所以当减摇鳍有两对或两对以上时避障和减摇的效果会更好，通过协同其余鳍的控制可以较为容易的对降低的减摇效果进行补偿。

4.本发明所述的鳍体等效模型与障碍物等效球模型，实用性较强、适用范围较广，很好的解决了减摇鳍的鳍体在实时自动避障时建立模型较为困难的问题。

附图说明

图1为减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型；

图2为减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的主视图；

图3为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第一阶段；

图4为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第二阶段；

图5为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第三阶段；

图6为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第四阶段。

图中：1为鳍轴，2为长方体等效模型后侧面，3为长方体等效模型右侧面，O为处于鳍体中的轴中心点，Q为长方体等效模型右侧面的中心点，Q₀为右侧面中心点在后侧面所在平面投影点的初始位置，P₁为第一个障碍物，A为第一个障碍物在后侧面所在平面的第一投影点，B为处于鳍体中的轴中心点在后侧面所在平面的第二投影点，C为右侧面中心点在后侧面所在平面的第三投影点，E为第一个障碍物与X轴垂足点，F为第一个障碍物与X轴垂线在圆弧上的交点。

具体实施方式

下面将结合附图与具体实施方式去进一步更加详细的阐述本发明。

如图1所示，本发明减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型，所述整体的等效模型中主要考虑了避障时的实际情况，船速是V且方向是水平向左的，当鳍体与水平面平行时，将鳍体最长的水平长度等效成长方体的长d，将鳍体最长的纵向长度等效成长方体的宽l，将鳍体最长的竖直长度等效成长方体的高H，得到鳍体的长方体等效模型，另外，当减摇鳍的鳍体在避障时它与水平面形成的夹角记为θ。

所述整体的等效模型中在遇到障碍物需要避障时，先将障碍物看成一个质点P，再以点P为球心、R为半径作球并将R作为鳍与质点的安全距离，得到障碍物的等效球模型，实时自动避障时由于障碍物的大小有所不同，所以安全距离R也会有所不同。遇到第一个障碍物时记为P₁、安全距离记为R₁，第二个障碍物记为P₂、安全距离记为R₂，以此类推，第n个障碍物记为P_n、安全距离记为R_n。

运用上述方法建立的整体的等效模型实用性较强、适用范围较为广泛，也便于实时自动避障时对问题的分析。

如图2所示，本发明减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的主视图，所述主视图是根据实时自动避障时的具体情况而考虑的，结合图1将减摇鳍的鳍体的等效模型与障碍物的等效球模型投影在所述长方体等效模型后侧面2上，得到实时自动避障时的主视图，利用此方法得到的主视图适用性较为普遍，可以将避障时复杂的三维模型图进行降维处理，使复杂的三维问题变得更为简单直观，方便下一步的研究。结合图1可知第一、二、三投影点A、B、C在图2中分别与点P₁、点O、点Q重合。

如图3-图6所示，本发明减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图，图3为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第一阶段，在鳍体与障碍物有一定距离时，此时检测到障碍物且需要避障时的情形；图4为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第二阶段，开始避障时且鳍体与障碍物水平距离相距R₁时，此时的减摇鳍的鳍体已经调整好需要避障的角度开始避障，与此同时该减摇鳍需要牺牲一定的减摇效果去完成避障，该鳍降低的减摇效果由其余未在避障的减摇鳍去增加所需的减摇效果；图5为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第三阶段，避障将结束时且鳍体与障碍物水平距离相距R₁时，此时的安全距离刚好使得减摇鳍的鳍体能够安全的通过障碍物；图6为减摇鳍的鳍体实时自动避障的过程示意图第四阶段，减摇鳍的鳍体完成避障时，恢复正常工作时的情形。由图3-图6可知，当船体两侧剩余的鳍在遇到障碍物需要避障时，都可以采取本发明所述的方法去完成避障。

一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法，具体包括以下步骤：

步骤1：结合图1获取减摇鳍的鳍体的长方体等效模型，将处于鳍体中的鳍轴1的中心点记为点O，所述长方体等效模型右侧面3的中心点记为点Q，将处于鳍体中的鳍轴1的中心点在长方体等效模型后侧面2所在平面的第二投影点记为点B，长方体等效模型右侧面3的中心点在长方体等效模型后侧面2所在平面的第三投影点记为点C；

步骤2：结合图1可获取障碍物的等效球模型，所述障碍物的等效球模型是将障碍物看成一个质点，R为鳍与质点的安全距离，将第一个障碍物记为点P₁，R₁特指鳍与第一个障碍物P₁的安全距离，再以点P₁为球心R₁为半径作球，根据障碍物大小的不同安全距离R也会有所不同；

步骤3：结合图1可获取减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图，所述主视图是在所述长方体等效模型后侧面2所在平面上的投影，结合图2可知E为第一个障碍物与X轴垂足点，F为第一个障碍物与X轴垂线在圆弧上的交点；

步骤4：结合减摇鳍的鳍体的长方体等效模型、障碍物的等效球模型，获得减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型，在所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型中，将∠OBP₁记为

∠QCP₁记为

此时

和

分别为

式中：在所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型中，m为点B与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，l为所述长方体等效模型宽利用测量的方法获得，n为点C与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，x为点O与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，y为点Q与点P₁的直线距离利用测距传感器测得；

步骤5：结合图2所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠OP₁Q记为β，此时β为：

式中：所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中，a为点O与点P₁的距离且满足

b为点Q与点P₁的距离且满足

d为处于鳍体中的鳍轴1的中心点O与所述长方体等效模型右侧面3的中心点Q的距离利用测量的方法得到；

步骤6：结合图2所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠EP₁Q记为γ，此时γ为：

式中：h为所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中点Q与点F的距离，并且满足h²+R₁ ²＝b²；

步骤7：结合图1可知完成避障时减摇鳍的鳍体与水平面的夹角记为θ，完成避障时减摇鳍的鳍体需要改变的角度记为Δθ，此时θ和Δθ分别为

Δθ＝θ-θ₀

式中：α为减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠EP₁O，并且满足等式α＝γ-β，θ₀为减摇鳍的鳍体与水平面的初始夹角。

此外，为了进一步说明本发明所述方法的技术方案，通过一种减摇鳍示例参数来说明，其中具体参数分别为：弦长为2.94m且鳍轴距离首缘

的位置，由这两个数据可求出长方体等效模型d＝2.35m，通过展长1.22m可求出l＝1.22m，此时减摇鳍的鳍体与水平面的初始夹角θ₀＝25°，障碍物等效球模型的安全距离R₁＝1.00m，通过测距传感器测得图1中m＝8.00m、n＝12.00m、x＝7.49m、y＝11.48m。根据上面的数据，可以利用本发明所述的方法，求得完成避障时减摇鳍的鳍体所需要的改变的角度Δθ，此时的Δθ＝-5.10°，即完成避障时减摇鳍的鳍体向下摆5.10°就可以完美的避开障碍物，完成避障时的具体情况如图3-图6所示。以上示例仅仅是用来说明本发明方法的技术方案，并不是为了限制本发明方法。

综上所述，本发明的一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法，首先在减摇鳍的鳍体的等效模型上标出处于鳍体中的鳍轴1的中心点，再标出所述长方体等效模型右侧面3的中心点，最后在长方体等效模型后侧面2上标出上述的两个投影点；障碍物的等效球模型是将障碍物看成一个质点，再以它为圆心，质点与鳍体的安全距离作为半径作一个球；当得到减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型后，由上述的两个中心点、两个投影点和质点可以利用测距传感器测得它们分别与质点的距离，当减摇鳍在工作时且已知此时减摇鳍的鳍体与水平面的夹角时，再根据折算关系可以求得成功避障时减摇鳍的鳍体与水平面所需要的夹角。此时需要牺牲正在避障的减摇鳍一定的减摇效果去进行避障，由于单对的减摇鳍在避障时降低的减摇效果较多，所以当减摇鳍有两对或两对以上时避障和减摇的效果会更好，通过协同其余鳍的控制可以较为容易的对减少的减摇效果进行补偿，通过这种方法可以在牺牲一定减摇的情况下达到避障的效果。本发明的优点是方法简单、操作方便、实用性强，不用改变传统减摇鳍的结构，并且避免了鳍在遇到暗礁、较大悬浮物或特殊情况时发生碰撞的不利情况，解决了传统减摇鳍的鳍体缺乏避障的问题。

Claims (1)

1.一种船用减摇鳍的鳍体实时自动避障方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：获取减摇鳍的鳍体的长方体等效模型，将处于鳍体中的鳍轴(1)的中心点记为点O，所述长方体等效模型右侧面(3)的中心点记为点Q，将处于鳍体中的鳍轴(1)的中心点在长方体等效模型后侧面(2)所在平面的第二投影点记为点B，长方体等效模型右侧面(3)的中心点在长方体等效模型后侧面(2)所在平面的第三投影点记为点C；

步骤2：获取障碍物的等效球模型，所述障碍物的等效球模型是将障碍物看成一个质点，R为鳍与质点的安全距离，将第一个障碍物记为点P₁，R₁特指鳍与第一个障碍物P₁的安全距离，再以点P₁为球心R₁为半径作球，根据障碍物大小的不同安全距离R也会有所不同；

步骤3：获取减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图，所述主视图是在所述长方体等效模型后侧面(2)所在平面上的投影，过点P₁作水平轴X轴的垂线，与X轴和圆弧交点分别为E点和F点；

步骤4：结合减摇鳍的鳍体的长方体等效模型、障碍物的等效球模型，获得减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型，在所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型中，将∠OBP₁记为

∠QCP₁记为

此时

和

分别为

式中：在所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时整体的等效模型中，m为点B与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，l为所述长方体等效模型宽利用测量的方法获得，n为点C与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，x为点O与点P₁的直线距离利用测距传感器测得，y为点Q与点P₁的直线距离利用测距传感器测得；

步骤5：所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠OP₁Q记为β，此时β为：

式中：所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中，a为点O与点P₁的距离且满足

b为点Q与点P₁的距离且满足

d为处于鳍体中的鳍轴(1)的中心点O与所述长方体等效模型右侧面(3)的中心点Q的距离，利用测量的方法得到；

步骤6：所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠EP₁Q记为γ，此时γ为：

式中：h为所述减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中点Q与点F的距离，并且满足h²+R₁ ²＝b²；

步骤7：完成避障时减摇鳍的鳍体与水平面的夹角记为θ，完成避障时减摇鳍的鳍体需要改变的角度记为Δθ，此时θ和Δθ分别为

Δθ＝θ-θ₀

式中：α为减摇鳍的鳍体实时自动避障时的主视图中的∠EP₁O，并且满足等式α＝γ-β，θ₀为减摇鳍的鳍体与水平面的初始夹角。

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