CN113126492A - 动力定位船舶自动路径跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种动力定位船舶自动路径跟踪方法，针对水面这一特殊作业环境，以动力定位船舶作为控制对象，制定特殊路径跟踪方法和完备路径跟踪功能。根据本发明方法，设计基于线性扰动观测器的动力定位船舶控制器，结合航迹点规划以及推力分配等策略，实现动力定位船舶自动路径跟踪功能。本发明方案能够抵抗环境扰动对动力定位船舶的影响，在环境干扰不易准确测量的情况下依旧保持动力定位船舶控制精度和稳定性，动力定位船舶能够完成自动动力定位以及自动路径跟踪，提供协助动力定位操作员手动操作的辅助功能，满足动力定位船舶实际需求。

Description

动力定位船舶自动路径跟踪方法

技术领域

本发明属于动力定位船舶控制技术领域，具体涉及一种动力定位船舶自动路径跟踪方法。

背景技术

动力定位船舶在海洋资源开发中发挥着重要作用，对于深海以及其他不易勘测地区，动力定位船舶能够对开发工作提供重要支撑。动力定位船舶分为手动控制和自动控制两种操作模式，由当前航行状态决定。手动控制和自动控制模式均需动力定位船舶自动路径跟踪功能作为基础，顶层控制指令发出后由动力定位控制器计算出完成指令所需力矩并由推力分配策略计算各个推进器所需动作。手动控制模式由动力定位操作员驾驶动力定位船舶进行作业，对船舶为动力定位操作员提供的协同性提出较高需求。当发生紧急情况需要操作员手动驾驶时，需要动力定位船舶能够提供辅助功能，辅助驾驶员完成操作。自动控制模式是由动力定位船舶自主决策并且精确控制航行轨迹，进而实现包括定点作业、艏向保持、单目标跟踪、多目标跟踪以及航向优化等具体功能。对于动力定位船舶来说，自动路径跟踪是一种非常重要的功能，与动力定位船舶的智能程度与实用性息息相关。现有路径跟踪方法，通常适用于陆地机车或者空中无人机，对处于有风有浪水面环境的船舶则很难适应，对于手动操作模式更没有提供相应辅助功能。考虑动力定位船舶工作特殊性与实际需求，本发明提出一种动力定位船舶自动路径跟踪功能及其实现方法。

现有公开技术：

专利申请号CN110134012A的专利《一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法》中提出了一种用于不确定系统的船舶路径跟踪控制方法。

专利申请号CN103777635A的专利《动力定位船舶鲁棒自适应航迹跟踪控制系统》中提供的是一种动力定位船舶鲁棒自适应航迹跟踪控制系统。

专利申请号CN103576555A的专利《一种动力定位船舶循迹导引控制方法》中公开了一种动力定位船舶循迹导引控制方法。

现有技术中存在的主要缺点在于：

在路径跟踪领域中，应用于海上等水面的路径跟踪需要考虑额外风浪和水流影响因此比陆地轨迹跟踪更加困难。现有技术一般是通过PID等负反馈控制来调节控制器，虽然这种方式比较简单，但对风浪流等扰动不具有良好抵抗能力。现有一些基于鲁棒控制的动力定位船舶控制器并未考虑手动与自动模式之间的切换，以及满足动力定位操作员所需的各种功能；而且对风浪等环境噪声需要大量计算，使得系统稳定性降低，响应速度变慢。当遇到特殊情况需要手动操作时，现有动力定位船舶提供给操作员的操作功能明显不足，满足不了动力定位船舶实际工作需要。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种动力定位船舶自动路径跟踪方法，针对水面这一特殊作业环境，以动力定位船舶作为控制对象，制定特殊路径跟踪方法和完备路径跟踪功能。根据本发明方法，设计基于线性扰动观测器的动力定位船舶控制器，结合航迹点规划以及推力分配等策略，实现动力定位船舶自动路径跟踪功能。本发明方案能够抵抗环境扰动对动力定位船舶的影响，在环境干扰不易准确测量的情况下依旧保持动力定位船舶控制精度和稳定性，动力定位船舶能够完成自动动力定位以及自动路径跟踪，提供协助动力定位操作员手动操作的辅助功能，满足动力定位船舶实际需求。

该轨迹跟踪功能实现方法以动力定位船舶为载体，运用路径处理算法判断路径，航迹点规划算法得出船舶位姿，控制算法得出达到船舶位姿所需总推力，推力分配算法计算具体推进器所需推力，最终实现动力定位船舶动力定位功能。图1展示动力定位船舶控制框架，在实现动力定位船舶动力定位功能基础上，集中解决了动力定位船舶由自动模式切换到手动模式时出现的路径点变换，运行模式切换以及调头和停止策略三大类问题，进而允许实现包括定点作业、艏向保持、单目标跟踪、多目标跟踪以及航向优化等功能。本方法有效提高动力定位船舶抵抗风浪流等环境干扰的能力，使得船舶能够完成自动路径跟踪，提供协助动力定位操作员手动操作的辅助功能，满足动力定位船舶实际需求。

本发明具体采用以下技术方案：

一种动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于：以动力定位船舶为载体，运用路径处理算法判断路径，由航迹点规划算法得出船舶位姿，由控制算法得出达到船舶位姿所需总推力，由推力分配算法计算具体推进器所需推力，以实现动力定位船舶路径跟踪。

进一步地，包括以下步骤：

步骤S1：对于所要航行水域，确定一个包含地图信息和船体运动状态模型坐标系，将船舶运动状态进行坐标化表示，将地图点选取并发送给动力定位船舶核心处理器；

步骤S2：对动力定位船舶路径进行优化，采用拐弯锐角化处理，对动力定位船舶的航线进行优化，使得拐弯采用劣弧；

步骤S3：所述动力定位船舶核心处理器接收离散坐标点并进行处理，得到具体剩余坐标，使船舶轨迹完整化，获得轨迹曲线；并选取一定间隔作为采样点，使得动力定位船舶在每个小距离段之间行进；

步骤S4：所述动力定位船舶核心处理器对每个采样点进行处理，计算出到达下一个点所需船舶位姿，即艏向和坐标；

步骤S5：计算动力定位船舶到达下一指定位姿所需船舶总推力；

步骤S6：进行推力分配计算，所述动力定位船舶核心控制器对各个推进器发出指令，动力定位系统按照推力分配策略使船舶始终保持在指定位置或沿预定方向航行。

进一步地，步骤S1具体包括以下过程：

选取北东坐标系为惯性坐标系，定义北东坐标系o₁-x₁y₁z₁：原点选择在海面或海中某一点，o₁x₁轴指向正北方向，o₁y₁轴指向正东方向，o₁z₁垂直指向大地；

建立一个随船坐标系，该坐标系o-xyz固联在船上且与船一起运动，选取船上任意点作为原点o：ox轴平行于水平面，指向船艏；oy轴平行于水线面与ox轴垂直，且指向右舷方向；oz轴与oxy面垂直，并指向船底；

船舶运动过程中，船舶位置和速度在o₁-x₁y₁z₁坐标系中测得；在对位置和速度进行运算时，则将测量值转换到o-xyz坐标系中，将运算后的船姿和速度重新变换到o₁-x₁y₁z₁坐标系中；

设惯性坐标系和随船坐标系的原点重合，艏向角为

则两个坐标系满足转换关系式：

当动力定位船舶需要执行路径跟踪功能时，首先选取运动坐标系或者惯性坐标系位置点，经由以上公式转换成所需坐标格式，再将坐标点输入动力定位船舶核心控制器。

进一步地，步骤S3中获得轨迹曲线具体包括以下过程：

定义均差,f的一阶均差

其中i≠j；f在x_i,x_j,x_k的二阶均差

k阶均差

由此得出多项式的公式为

将得到的p_n(x,y)作为轨迹曲线。式中x为船舶在各点时的横坐标值,，y为船舶在各点时的纵坐标值，f为船舶位置坐标函数，p_n(x,y)为船舶轨迹曲线函数。

进一步地，步骤S6中进行推力分配计算的过程具体为：

设动力定位船舶数学模型为：

式(3)、(4)中，

表示船舶实际位置及艏向值，x、y、

分别表示船舶横坐标、纵坐标以及航向角值，υ＝[u v r]^T表示船舶实际速度及转弯速率，u、v、r分别表示纵荡速度、横荡速度以及艏摇速度，τ＝[τ₁ τ₂ τ₃]^T，τ₁、τ₂、τ₃分别为船舶推进器控制输入前进力矩，横漂力矩以及艏摇力矩组成的控制向量；f(η,υ)∈R³表示船舶建模不确定量；d＝[d₁d₂ d₃]^T,d₁、d₂、d₃分别为船舶在附体坐标系下风浪流等引起的横向干扰力矩、纵向干扰力矩以及艏向干扰力矩组成的外部环境扰动向量；M为船舶重量惯性和水动力附加惯性组成矩阵；C(υ)为科里奥利矩阵；D为线性水动力阻尼参数矩阵；

设计线性扰动观测器，根据接受扰动实际值与所设计扰动观测器估计输出值之间差值，对扰动观测器所估计输出进行修正，使得所设计扰动观测器能够观察实际扰动值；所述扰动观测器的方程为：

式(5)中，

为观测器输出扰动估计值所组成的向量；

为扰动估计值的导数；k₀为所设计的正定参数对角矩阵；

定义非线性扰动观测器中间辅助状态向量：

并获得非线性扰动观测器形式为：

控制系统设置过程为：

步骤S61：定义船舶位置误差向量z₁∈R³：

z₁＝η-η_d (9)

式(9)中，

为轨迹跟踪船舶期望位置和艏摇角所组成向量；设计虚拟控制量α₁∈R³：

式(10)中，k₁∈R^3×3为设计正定参数对角矩阵；综合得到：

步骤S62：重新定义船舶速度误差向量z₂∈R³：

z₂＝ν-ν_d (12)

采用以下控制率：

式(14)中，sgn(z₂)＝diag(sgn(z₂-1),sgn(z₂,2),sgn(z₂,3))∈R³；d^*为未知外部环境扰动d的上界向量；k₂∈R^3×3为设计正定参数对角矩阵；

用于消除耦合项；为了避免抖振问题，修正控制率为：

得到动力定位船舶推进器推力分配公式为：

f＝w^-1P^TA^T(APw^-1P^TA^T)^-1τ (16)

式(16)中，f为扩展推力，矩阵A和P由推进器类型和位置决定，w为各推进器权重矩阵；其中A^T为矩阵A的转置，w为正定对角矩阵，伪逆法作为广义上的逆运算，原矩阵无须是方阵或是满秩矩阵。

进一步地，还包括目标跟踪方法：选取目标上的一个或多个固定点作为跟踪点，在初始阶段记录当前相对位置；当目标发生平移和旋转时，动力定位船舶计算对应点以及对应艏向，并将对应点存为目标点，对应艏向存为目标艏向；经由步骤S2的航迹点规划，按照公式

由步骤S1-步骤S6的流程完成目标跟踪。

进一步地，还包括航向优化方法：考虑函数

在一个n维定义域中，有m个未知量组成一个决策向量Φ_i＝(Φ_i1,Φ_i2,...,Φ_in),i＝1,2,...,m，将Φ_i代入目标函数或目标模型，计算获得其优化值；其中P代表优化指标，

代表求得优化指标的函数，Φ_i代表函数参数；在航向优化中P表示船舶消耗能量，g_i(Φ_i)表示船舶航行约束，Φ_i表示航向角并作为输入值。

本发明及其优选方案以动力定位船舶为载体，实现了动力定位船舶轨迹自动跟踪的一系列功能。本方法包含轨迹生成，所需实时推力计算以及针对推进器的推力分配，最终实现动力定位船舶动力定位功能。在路径点变换，运行模式切换以及调头和停止策略三大类基本功能的基础上，动力定位船舶通过组合这三大类功能进而实现包括定点作业、艏向保持、单目标跟踪、多目标跟踪以及航向优化等具体功能，最终完成动力定位船舶自动路径跟踪功能，提供协助动力定位操作员手动操作的辅助功能，满足动力定位船舶实际需求。

此方法解决了从路径规划到推进器推力分配等一系列问题，使得动力定位船舶能够实现自动路径跟踪功能。与现有技术相比，解决了控制器需要受到环境较大干扰的问题，动力定位船舶的自动路径跟踪精度得到提高。通过提供协助动力定位操作员手动操作的辅助功能，有效提高动力定位船舶的实用性以及紧急避险性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1为本发明实施例动力定位船舶控制结构示意图；

图2为本发明实施例动力定位船舶自动路径跟踪流程示意图；

图3为本发明实施例基本动力定位功能示意图；

图4为本发明实施例航向优化结构简图；

图5为本发明实施例航路点调整功能示意图；

图6为本发明实施例运行模式选择功能示意图；

图7为本发明实施例调头以及停止策略示意图；

图8为本发明实施例船舶坐标系示意简图；

图9为本发明实施例转弯半径计算示意简图；

图10为本发明实施例带非线性扰动观测器的全驱动船舶轨迹跟踪控制图；

图11为本发明实施例动力定位船舶目标跟踪示意图；

图12为本发明实施例动力定位船舶模拟器界面图。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图2所示，本实施例提供的动力定位船舶自动路径跟踪方法的整体设计分为基础动力定位功能以及扩展路径跟踪功能。

首先实现动力定位船舶的动力定位功能，如图3所示有以下步骤：

步骤1，对于所要航行水域，确定一个包含地图信息和船体运动状态模型坐标系，将船舶运动状态进行坐标化表示，将地图点选取并发送给动力定位船舶核心处理器；

步骤2，此时改进算法介入，对动力定位船舶路径进行优化。采用拐弯锐角化处理，如图4所示，对动力定位船舶的航线进行优化，使得拐弯采用劣弧，避免动力定位船舶按照优弧拐弯，进而动力定位船舶航行更符合实际情况；

步骤3，动力定位船舶核心处理器接收离散坐标点。动力定位船舶需要足够多坐标点，否则的话，如果参考坐标点过少，则不能按照所需路径行进(会按照特定规律，如最短距离等规则行进)。动力定位船舶核心处理器进行算法处理，得到具体剩余坐标，使得船舶轨迹完整化；

步骤4，动力定位船舶核心处理器对每个点进行处理，计算出到达下一个点所需船舶位姿，即艏向和坐标；

步骤5，此时需要计算出动力定位船舶到达下一指定位姿所需船舶总推力，这时采用算法处理，计算出船舶需要的实时总推力；

步骤6，由算法进行推力分配计算，动力定位船舶核心控制器对各个推进器发出指令。就推力分配问题来说，动力定位系统按照推力分配策略使船舶始终保持在指定位置或沿预定方向航行。

对于扩展的轨迹跟踪功能，可以分为路径点变换，运行模式切换以及调头和停止策略三大类及辅助子功能来介绍。具体的操作在下文的具体实施方式中给出。

首先路径点变换，当出现需要驾驶员切换为手动操作的紧急情况时，经常需要根据路径点判断新路径。如图5所示，路径点变换包括新路径点的添加、在原有路径点上修改航向或者速度、选取特定路径点来开始新航行以及路径点回复。然后运行模式设置，在新航行中，需要驾驶员根据情况来决定采取如图6所示三种情况中某一种。最后调头及停止策略，如图7所示则考虑各种特殊情况，如掉头时选择停船并倒车且不改变航向速度或者直接调头且重新设计航向速度。停止时可以选择减速并停止到当前位置、减速停止到按下停止按键时的位置或者采用停船最大可用力进行最快停船。动力定位船舶可以通过组合这三大类功能进而实现定点作业、艏向保持、单目标跟踪、多目标跟踪以及航向优化等具体功能。

针对现有动力定位船舶易受环境干扰以及可供动力定位操作员选择的辅助功能不足等问题。本实施例首先解决目标水域坐标系与船舶坐标系转换问题，使得坐标信息顺利转换。然后提出一种基于扰动观测器的控制策略，解决了动力定位船舶实际航行中易受风浪流等环境扰动问题。在实现了基于控制策略和推力分配策略的动力定位功能基础上，结合航迹点规划等措施，实现路径点变换、运行模式切换以及调头和停止策略三大类基本功能。动力定位船舶通过组合这三大类功能进而实现包括定点作业、艏向保持、单目标跟踪、多目标跟踪以及航向优化等具体功能，提供协助动力定位操作员手动操作的辅助功能，有效提高动力定位船舶的实用性以及紧急避险性能。

在动力定位船舶执行自动路径跟踪功能时，有时需要给出以船舶为中心的轨迹，需要惯性坐标系和运动坐标系互相转化。在船舶动力系统研究中，一般选取北东坐标系为惯性坐标系。如图8所示，定义北东坐标系o₁-x₁y₁z₁：原点可以选择在海面或海中某一点，o₁x₁轴指向正北方向，o₁y₁轴指向正东方向，o₁z₁垂直指向大地。船舶所受阻力和船与海水之间相对运动有关，因此需要建立一个随船坐标系，即运动坐标系。在图8中，可知该坐标系o-xyz固联在船上且与船一起运动，可以选取船上任意点作为原点o，通常坐标原点选为重心处，若是左右对称的船体结构，则可以在对称面上选取原点：ox轴平行于水平面，指向船艏；oy轴平行于水线面与ox轴垂直，且指向右舷方向；oz轴与oxy面垂直，并指向船底。船舶运动过程中，船舶位置和速度在o₁-x₁y₁z₁坐标系中测得，如想对位置和速度进行运算，需要将测量值转换到o-xyz坐标系中，将运算后的船姿和速度重新变换到o₁-x₁y₁z₁坐标系中来研究船舶位姿。

设两坐标系的原点重合，艏向角为

则两个坐标系满足转换关系式：

当动力定位船舶需要执行路径跟踪功能时，首先选取运动坐标系或者惯性坐标系位置点，经由上面公式转换成所需坐标格式，再将坐标点输入动力定位船舶核心控制器。

动力定位船舶核心处理器接收离散的坐标点，然后采取图9所示算法进行航线优化，使得动力定位船舶能够按照圆滑曲线行驶，并按照劣弧完成拐弯行为。动力定位船舶需要更多坐标点来使得船舶按照设定轨迹行进，如参考坐标点过少，则不具有所需效果(会按照特定规律，如最短距离等规则行进)。计算出轨迹曲线：首先,定义均差,f的一阶均差

其中i≠j；f在x_i,x_j,x_k的二阶均差

k阶均差

由此得出多项式的公式为

将得到的p_n(x,y)作为轨迹曲线。式中x为船舶在各点时的横坐标值,，y为船舶在各点时的纵坐标值，f为船舶位置坐标函数，p_n(x,y)为船舶轨迹曲线函数。将得到的p_n(x)作为轨迹曲线，再取一定间隔作为采样点，使得动力定位船舶可以在每个小距离段之间行进。

动力定位船舶数学模型为：

式(3)、(4)中，

表示船舶实际位置及艏向值，x、y、

分别表示船舶横坐标、纵坐标以及航向角值，υ＝[u v r]^T表示船舶实际速度及转弯速率，u、v、r分别表示纵荡速度、横荡速度以及艏摇速度，τ＝[τ₁ τ₂ τ₃]^T，τ₁、τ₂、τ₃分别为船舶推进器控制输入前进力矩，横漂力矩以及艏摇力矩组成的控制向量；f(η,υ)∈R³表示船舶建模不确定量；d＝[d₁d₂ d₃]^T,d₁、d₂、d₃分别为船舶在附体坐标系下风浪流等引起的横向干扰力矩、纵向干扰力矩以及艏向干扰力矩组成的外部环境扰动向量；M为船舶重量惯性和水动力附加惯性组成矩阵；C(υ)为科里奥利矩阵；D为线性水动力阻尼参数矩阵。

首先设计线性扰动观测器，由图10可得，根据接受扰动实际值与所设计扰动观测器估计输出值之间差值，对扰动观测器所估计输出进行修正，使得所设计扰动观测器能够观察实际扰动值。扰动观测器的方程：

式(5)中，

为观测器输出扰动估计值所组成的向量；k₀为所设计的正定参数对角矩阵，

为扰动估计值的导数。然后定义非线性扰动观测器中间辅助状态向量：

综上所述设计非线性扰动观测器形式为：

然后是控制器设计，以下为控制系统设置过程。

第1步定义船舶位置误差向量z₁∈R³：

z₁＝η-η_d (9)

式(9)中，

为轨迹跟踪船舶期望位置和艏摇角所组成向量。设计虚拟控制量α₁∈R³：

式(10)中，k₁∈R^3×3为设计正定参数对角矩阵。综合可以得到：

第2步按照上述分析，重新定义船舶速度误差向量z₂∈R³：

z₂＝ν-ν_d (12)

上述式子存在外部环境扰动d，实际情况下很难测出，因此采用以下控制率：

式(14)中，sgn(z₂)＝diag(sgn(z₂-1),sgn(z₂,2),sgn(z₂,3))∈R³；d^*为未知外部环境扰动d的上界向量；k₂∈R^3×3为设计正定参数对角矩阵；

用于消除耦合项。传统控制采用的符号函数易引起控制量抖振，损坏设备装置，为了避免抖振问题，故修正控制率为：

动力定位船舶推进器推力分配公式为：

f＝w^-1P^TA^T(APw^-1P^TA^T)^-1τ (16)

式(16)中，f为扩展推力，矩阵A和P由推进器类型和位置决定，w为各推进器权重矩阵。其中A^T为矩阵A的转置，w为正定对角矩阵，伪逆法作为广义上的逆运算，原矩阵无须是方阵或是满秩矩阵。采用此方法进行推力分配计算，具有可靠性高的优点。

以下将对拓展轨迹跟踪部分三大功能做出详细解释。首先是航路点的调整功能，如图5所示，此功能包含新路径点添加、在原有路径点上修改航向或者速度、选取特定路径点开始新航行以及路径点回复。具体来说，新路径点添加就是在原来路径航迹表中加入在紧急情况下由操作员输入需要动力定位船舶到达目标点，在加入新目标点后，需按照图9所示规律重新规划航迹。对于需要修改的目标航路点，可按照需要目标航向和速度进行输入，进而得到修改后航迹。如果需从特定航路点开始新航迹，则可以选择航迹表中任一航路点，选择顺或者逆航迹表开始新航线，值得注意的是在这一功能中，需要清除原航线。对于路径点回复给操作员提供了查看以往航线功能，有助于操作员清晰以及利用原航线，使得操作更加便捷准确。

对于航行模式选择，本实施例方案提供偏移航行，低速航行和高速航行三种模式。对于操作模式选择，不仅仅在速度上有所不同，更是三种操作模式下一系列转弯以及航迹规划的区别：

偏移模式：在该模式前，允许选择航线开始点、船舶偏移范围以及轨迹航向。在自动路径跟踪模式启动前，必须有一个起始点，默认为航路点1。当选择航路点0时，航路恢复点(离开自动路径跟踪模式时的起始点)为起始点。船舶偏移范围分为：船舶偏移到航迹左侧和船舶偏移到航迹右侧，当已经开启模式时，此功能不能更改。轨迹航向：分为航路点升序和航路点降序,进入航行模式后，该设置将无效，此时速度控制为自动模式。

低速航行模式：在低速模式下，船舶每到达一个航迹点，将停留在该点以完成航向纠正，当船艏指向下一个航迹点时，方可开始航行。在无人员干扰状态下，这些动作将自动按顺序运行。在此模式下，可以指定方向盘转动限制，同时速度在3节以下。

高速航行模式：根据航迹点分布和船速，自动计算含有转弯半径的详细轨迹，以合适的转弯半径漂移通过转向点。如图4和图9。在高速航行模式下通常采用恒定速度。

可供操作员选择的策略选择有转弯、调头和停止策略。当动力定位船舶转弯时，可选择按照转向点列表转向半径或由动力定位船舶自动计算(船速越高，半径越大)，如果需要提供特殊转弯半径，则手动按照程序提供设置接口设置半径。值得注意的是，动力定位船舶转弯半径也取决于运行模式选择。当运行至航程最后阶段，需要做出停止策略，判断减速并停止到当前位置、减速停止到按下停止按键时位置或者按照停船最大可用力来进行最快速停船。动力定位船舶可以实现自动路径跟踪功能，在给定的轨迹中实现良好的行进，不会因为外部环境的扰动而产生跟踪精度的误差，提供一系列辅助驾驶功能使得动力定位船舶操作员在紧急情况下手动操作时能快速准确作出反应。

如图2所示，基于以上基本功能，很多辅助驾驶功能得以开发。

艏向保持：动力定位船舶的艏向保持功能在实际航行中起着重要作用，在船舶实际运行中经常需要保持恒定艏向以通过某一水域。当操作模式选择为艏向保持时，有以下两种方式：1.按照当前艏向继续航向。此时动力定位船舶自动记录当前艏向值，并且将此艏向值储存为艏向值0，对于航迹剩余路径点，艏向值替换为艏向值0。2.由操作员手动赋予艏向值。此时操作与方式1相同，但动力定位船舶会按照图9所示，进行自动规划路径，并将原路径替换为新路径。在完成了图5中的航迹点替换后，动力定位船舶将会按照新航线执行自动路径跟踪功能，也就是完成自动路径跟踪中的艏向保持。

定点作业：作为动力定位船舶最基本功能之一，定点作业的实现也较为简单。依托于已经开发包含动力定位船舶控制器和推力分配的核心设计，动力定位船舶得以实现精确控制。对于目标点输入，允许采用手动和自动两种方式。手动输入目标点后动力定位船舶按照图9所示进行航迹点规划，动力定位船舶按照轨迹进行自动跟踪，并且到达目标点后恢复指定航向。自动模式输入允许船舶提前储存一些列目标点，并且在每个目标点停留预设时间。

单目标跟踪以及多目标跟踪：如图11所示，动力定位船舶在实际运行中经常需要跟踪一个或者多个目标点，例如安装在移动平台不同位置的多个应答器或者GPS定位器等，通过这些参考点可以获取移动平台的实时位置和实时艏向信息。以图中平台为例，动力定位船舶需要与其保持相对位置不变。在左图中，选取移动平台三个固定点作为跟踪点，在目标跟踪模式初始阶段记录当前相对位置。当目标平台发生平移和旋转时，动力定位船舶计算对应点以及对应艏向，并将对应点存为目标点，对应艏向存为目标艏向。经由图9所示航迹点规划，按照公式

进行插值计算，由图3所示流程完成目标跟踪。

航向优化：普通航行模式下动力定位船舶航迹点规划考虑时效性按照轨迹切线方向设计，不考虑风浪流等对船舶的影响。航向优化出于节能减排等考虑，将风浪流等环境因素考虑在内，重新设计航迹点。考虑函数

在一个n维定义域中，有m个未知量组成一个决策向量Φ_i＝(Φ_i1,Φ_i2,...,Φ_in),i＝1,2,...,m，将Φ_i代入目标函数或目标模型，计算获得其优化值；其中P代表优化指标，

代表求得优化指标的函数，Φ_i代表函数参数；在航向优化中P表示船舶消耗能量，g_i(Φ_i)表示船舶航行约束，Φ_i表示航向角并作为输入值。将检测到风浪流作为约束，航向角作为输入得出优化后航向角并载入目标路径点。

如图11、图12所示，本实施例在自主研发动力定位模拟器上进行动力定位船舶自动路径跟踪功能及其实现方法验证，由照片可得所提出方法能够很好实现存在未知环境扰动下的动力定位船舶自动路径跟踪功能，动力定位船舶严格按照预设路径行进，对目标平台亦具有良好跟踪效果。

本实施例给出了包含轨迹坐标转换、轨迹生成、所需推力计算以及推力分配并最终实现动力定位的方法，动力定位船舶的自动路径跟踪精度得到提高。提供协助动力定位操作员手动操作的辅助功能，有效提升动力定位船舶的实用性以及紧急避险性能。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的动力定位船舶自动路径跟踪方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于：以动力定位船舶为载体，运用路径处理算法判断路径，由航迹点规划算法得出船舶位姿，由控制算法得出达到船舶位姿所需总推力，由推力分配算法计算具体推进器所需推力，以实现动力定位船舶路径跟踪。

2.根据权利要求1所述的动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：对于所要航行水域，确定一个包含地图信息和船体运动状态模型坐标系，将船舶运动状态进行坐标化表示，将地图点选取并发送给动力定位船舶核心处理器；

步骤S2：对动力定位船舶路径进行优化，采用拐弯锐角化处理，对动力定位船舶的航线进行优化，使得拐弯采用劣弧；

步骤S3：所述动力定位船舶核心处理器接收离散坐标点并进行处理，得到具体剩余坐标，使船舶轨迹完整化，获得轨迹曲线；并选取一定间隔作为采样点，使得动力定位船舶在每个小距离段之间行进；

步骤S4：所述动力定位船舶核心处理器对每个采样点进行处理，计算出到达下一个点所需船舶位姿，即艏向和坐标；

步骤S5：计算动力定位船舶到达下一指定位姿所需船舶总推力；

步骤S6：进行推力分配计算，所述动力定位船舶核心控制器对各个推进器发出指令，动力定位系统按照推力分配策略使船舶始终保持在指定位置或沿预定方向航行。

3.根据权利要求2所述的动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下过程：

选取北东坐标系为惯性坐标系，定义北东坐标系o₁-x₁y₁z₁：原点选择在海面或海中某一点，o₁x₁轴指向正北方向，o₁y₁轴指向正东方向，o₁z₁垂直指向大地；

建立一个随船坐标系，该坐标系o-xyz固联在船上且与船一起运动，选取船上任意点作为原点o：ox轴平行于水平面，指向船艏；oy轴平行于水线面与ox轴垂直，且指向右舷方向；oz轴与oxy面垂直，并指向船底；

船舶运动过程中，船舶位置和速度在o₁-x₁y₁z₁坐标系中测得；在对位置和速度进行运算时，则将测量值转换到o-xyz坐标系中，将运算后的船姿和速度重新变换到o₁-x₁y₁z₁坐标系中；

设惯性坐标系和随船坐标系的原点重合，艏向角为

则两个坐标系满足转换关系式：

当动力定位船舶需要执行路径跟踪功能时，首先选取运动坐标系或者惯性坐标系位置点，经由以上公式转换成所需坐标格式，再将坐标点输入动力定位船舶核心控制器。

4.根据权利要求3所述的动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于：步骤S3中获得轨迹曲线具体包括以下过程：

定义均差,f的一阶均差

其中i≠j；f在x_i,x_j,x_k的二阶均差

k阶均差

由此得出多项式的公式为

将得到的p_n(x,y)作为轨迹曲线；式中x为船舶在各点时的横坐标值，y为船舶在各点时的纵坐标值，f为船舶位置坐标函数，p_n(x,y)为船舶轨迹曲线函数。

5.根据权利要求4所述的动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于：

步骤S6中进行推力分配计算的过程具体为：

设动力定位船舶数学模型为：

式(3)、(4)中，

表示船舶实际位置及艏向值，x、y、

分别表示船舶横坐标、纵坐标以及航向角值，υ＝[u v r]^T表示船舶实际速度及转弯速率，u、v、r分别表示纵荡速度、横荡速度以及艏摇速度，τ＝[τ₁ τ₂ τ₃]^T，τ₁、τ₂、τ₃分别为船舶推进器控制输入前进力矩，横漂力矩以及艏摇力矩组成的控制向量；f(η,υ)∈R³表示船舶建模不确定量；d＝[d₁ d₂d₃]^T,d₁、d₂、d₃分别为船舶在附体坐标系下风浪流等引起的横向干扰力矩、纵向干扰力矩以及艏向干扰力矩组成的外部环境扰动向量；M为船舶重量惯性和水动力附加惯性组成矩阵；C(υ)为科里奥利矩阵；D为线性水动力阻尼参数矩阵；

设计线性扰动观测器，根据接受扰动实际值与所设计扰动观测器估计输出值之间差值，对扰动观测器所估计输出进行修正，使得所设计扰动观测器能够观察实际扰动值；所述扰动观测器的方程为：

式(5)中，

为观测器输出扰动估计值所组成的向量；

为扰动估计值的导数；k₀∈R^3×3为所设计的正定参数对角矩阵；

定义非线性扰动观测器中间辅助状态向量：

并获得非线性扰动观测器形式为：

控制系统设置过程为：

步骤S61：定义船舶位置误差向量z₁∈R³：

z₁＝η-η_d (9)

式(9)中，

为轨迹跟踪船舶期望位置和艏摇角所组成向量；设计虚拟控制量α₁∈R³：

式(10)中，k₁∈R^3×3为设计正定参数对角矩阵；综合得到：

步骤S62：重新定义船舶速度误差向量z₂∈R³：

z₂＝ν-ν_d (12)

采用以下控制率：

式(14)中，sgn(z₂)＝diag(sgn(z₂-1),sgn(z₂,2),sgn(z₂,3))∈R³；d^*为未知外部环境扰动d的上界向量；k₂∈R^3×3为设计正定参数对角矩阵；

用于消除耦合项；为了避免抖振问题，修正控制率为：

得到动力定位船舶推进器推力分配公式为：

f＝w^-1P^TA^T(APw^-1P^TA^T)^-1τ (16)

式(16)中，f为扩展推力，矩阵A和P由推进器类型和位置决定，w为各推进器权重矩阵；其中A^T为矩阵A的转置，w为正定对角矩阵，伪逆法作为广义上的逆运算，原矩阵无须是方阵或是满秩矩阵。

6.根据权利要求5所述的动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于：

还包括目标跟踪方法：选取目标上的一个或多个固定点作为跟踪点，在初始阶段记录当前相对位置；当目标发生平移和旋转时，动力定位船舶计算对应点以及对应艏向，并将对应点存为目标点，对应艏向存为目标艏向；经由步骤S2的航迹点规划，按照公式：

进行插值计算，由步骤S1-步骤S6的流程完成目标跟踪。

7.根据权利要求5所述的动力定位船舶自动路径跟踪方法，其特征在于：

还包括航向优化方法：考虑函数

在一个n维定义域中，有m个未知量组成一个决策向量Φ_i＝(Φ_i1,Φ_i2,...,Φ_in),i＝1,2,...,m，将Φ_i代入目标函数或目标模型，计算获得其优化值；其中P代表优化指标，

代表求得优化指标的函数，Φ_i代表函数参数；在航向优化中P表示船舶消耗能量，g_i(Φ_i)表示船舶航行约束，Φ_i表示航向角并作为输入值。

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