CN113715992A - 一种基于gps的多点定位绞车自动导航移船控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于GPS的新型多点定位绞车自动导航移船控制方法，该方法基于GPS卫星导航取代手动操作移船定位绞车，实现海洋工程作业船舶的自动移船定位功能，该方法契合自动导航移船技术发展的迫切要求，解决手动操作移船定位过程中出现的设定目标位置与实际位置偏差大、移位精度低等特点。本方法以四点定位绞车自动导航移船定位为例，不仅可以节省了大量的人力资源，降低了成本，还具有提高人员舒适度、减摇防倾功能、可靠性高、安装性及维护性好等优点。
Description
技术领域
本发明属于定位导航技术领域，具体涉及一种基于GPS的多点定位绞车自动导航移船控制方法。
背景技术
传统的移船方法是采用手动操作手柄使绞车执行收放缆动作，结合缆绳恒张力控制技术，手动或自动调整绞车缆速，艏部绞车收缆，艉部绞车放缆，完成船舶前进移位作业，艏部绞车放缆，艉部绞车收缆，完成船舶后退移位作业，受外部环境影响，移船效果往往与目标位置偏差较大，在移位精度要求较高时难以满足需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于GPS的多点定位绞车自动导航移船控制方法，利用GPS卫星导航以及多点定位技术，实现移船的自动导航和控制，完成船舶清淤、整平等工作。
本发明提供一种基于GPS的多点定位绞车自动导航移船控制方法，通过PLC调整4台绞车的收放缆速度，改变4点定位缆长，使横向偏移误差不超过20cm，具体步骤如下，
步骤S1、通过上位机建立船舶定位和移位模型，移船航线为直线M1M2方向，艏向前进目标位置静态坐标M1（Xm1，Ym1）、艉向后退目标位置静态坐标M2（Xm2，Ym2）；
步骤S2、通过GPS设备，采集船位动态坐标G1（Xg1，Yg1）、G2（Xg2，Yg2），分别采集抛锚定位点静态坐标P1（Xp1，Yp1）、P2（Xp2，Yp2）、P3（Xp3，Yp3）、P4（Xp4，Yp4），通过坐标系转换和定位绞车出绳点位置参数转换获取各绞车出绳点动态坐标艏部S1（Xs1，Ys1）、S2（Xs2，Ys2）、艉部S3（Xs3，Ys3）、S4（Xs4，Ys4）；
步骤S3、初始状态下，通过M1、M2两点坐标建立目标航线M1M2直线方程为Ym=f（Xm）；通过G1、G2两点坐标建立船位动态G1G2直线方程为Yg=f（Xg）；
第一绞车放缆长度L1为P1S1，P1S1与M1M2夹角θ1；
第二绞车放缆长度L2为P2S2，P2S2与M1M2夹角θ2；
第三绞车放缆长度L3为P3S3，P3S3与M1M2夹角θ3；
第四绞车放缆长度L4为P4S4，P4S4与M1M2夹角θ4；
设船舶自动导航前进速度为Vf，则，第一绞车速度V1=f（θ1），第二绞车速度V2=f（θ2），第三绞车速度V3=Ka，第四绞车速度V4=Ka；
第一绞车张力F1=Kf，第二绞车张力F2=Kf，第三绞车张力F3=f（θ3），第四绞车张力F4=f（θ4）；
速度主函数Vi=f（θi）其中，i=1~4，
若F4y=F3y，则船舶横向分力矢量抵消，船艉向保持；
若V1y=V2y，则船舶横向分速度矢量抵消，艏向分速度矢量叠加，G1G2与M1M2重合，船艏向保持；
步骤S4、目标状态下，上位机选择前进目标M1点，在绞车作用下，船舶按设定目标方向前进；船位动态坐标G1’（Xg1’，Yg1’）、G2’（Xg2’，Yg2’），各绞车出绳点动态坐标艏部分别为S1’（Xs1’，Ys1’）、S2’（Xs2’，Ys2’）、艉部S3’（Xs3’，Ys3’）、S4’（Xs4’，Ys4’）；
通过G1’、G2’两点坐标建立船位动态G1’G2’直线方程为Yg’=f（Xg’）；此时，
第一绞车放缆长度L1’为P1’S1’；
第二绞车放缆长度L2’为P2’S2’；
第三绞车放缆长度L3’为P3’S3’；
第四绞车放缆长度L4’为P4’S4’；
步骤S5、微偏移状态下，船位动态坐标G1’’（Xg1’，Yg1’’）、G2’’（Xg2’，Yg2’’），各绞车出绳点动态坐标艏部分别为S1’’（Xs1’，Ys1’’）、S2’’（Xs2’，Ys2’’）、艉部S3’’（Xs3’，Ys3’’）、S4’’（Xs4’，Ys4’’）；
通过G1’’、G2’’两点坐标建立船位动态G1’’G2’’直线方程为Yg’’=f（Xg’’）
目标航线M1M2与直线G1’’G2’’形成夹角α；
第一绞车放缆长度L1’’为P1’’S1’’，误差dL1；
第二绞车放缆长度L2’’为P2’’S2’’，误差dL2；
第三绞车放缆长度L3’’为P3’’S3’’，误差dL3；
第四绞车放缆长度L4’’为P4’’S4’’，误差dL4；
为将微偏移状态调整为目标状态，使第一绞车放缆长度L1’’≈L1’，第二绞车放缆长度L2’’≈L2’，第三绞车放缆长度L3’’≈L3’，第四绞车放缆长度L4’’≈L4’，目标航线M1M2与直线G1’’G2’’形成夹角α≈0，船位动态坐标中Yg1’’≈Yg1’，Yg2’’≈Yg2’；
则对绞车速度进行补偿，速度补偿主函数为dVi=f（dLi），其中，i=1~4，
第一绞车速度补偿为dV1=f（dL1）；
第二绞车速度补偿为dV2=f（dL2）；
第三绞车速度补偿为dV3=f（dL3）；
第四绞车速度补偿为dV4=f（dL4）。
本发明的优点在于，采用自动导航移船定位，不仅节省了大量的人力资源，降低了成本，还具有提高人员舒适度、减摇防倾功能、可靠性高、安装性及维护性好等优点，解决手动操作移船定位过程中出现的设定目标位置与实际位置偏差大、移位精度低等缺点。
附图说明
图1为本发明船舶初始状态示意图；
图2为本发明船舶目标状态示意图；
图3为本发明船舶模拟微偏移状态示意图。
具体实施方式
本实施例提供一种基于GPS的多点定位绞车自动导航移船控制方法，通过PLC调整4台绞车的收放缆速度，改变4点定位缆长，使横向偏移误差不超过20cm，具体步骤如下，
步骤S1、通过上位机建立船舶定位和移位模型，移船航线为直线M1M2方向，艏向前进目标位置静态坐标M1（Xm1，Ym1）、艉向后退目标位置静态坐标M2（Xm2，Ym2）；
步骤S2、通过GPS设备，采集船位动态坐标G1（Xg1，Yg1）、G2（Xg2，Yg2），分别采集抛锚定位点静态坐标P1（Xp1，Yp1）、P2（Xp2，Yp2）、P3（Xp3，Yp3）、P4（Xp4，Yp4），通过坐标系转换和定位绞车出绳点位置参数转换获取各绞车出绳点动态坐标艏部S1（Xs1，Ys1）、S2（Xs2，Ys2）、艉部S3（Xs3，Ys3）、S4（Xs4，Ys4）；
步骤S3、初始状态下，如图1所示，通过M1、M2两点坐标建立目标航线M1M2直线方程为Ym=f（Xm）；通过G1、G2两点坐标建立船位动态G1G2直线方程为Yg=f（Xg）；
第一绞车放缆长度L1为P1S1，P1S1与M1M2夹角θ1；
第二绞车放缆长度L2为P2S2，P2S2与M1M2夹角θ2；
第三绞车放缆长度L3为P3S3，P3S3与M1M2夹角θ3；
第四绞车放缆长度L4为P4S4，P4S4与M1M2夹角θ4；
设船舶自动导航前进速度为Vf，则，第一绞车速度V1=f（θ1），第二绞车速度V2=f（θ2），第三绞车速度V3=Ka，第四绞车速度V4=Ka；
第一绞车张力F1=Kf，第二绞车张力F2=Kf，第三绞车张力F3=f（θ3），第四绞车张力F4=f（θ4）；
速度主函数Vi=f（θi）其中，i=1~4，
若F4y=F3y，则船舶横向分力矢量抵消，船艉向保持；
若V1y=V2y，则船舶横向分速度矢量抵消，艏向分速度矢量叠加，G1G2与M1M2重合，船艏向保持；
步骤S4、目标状态下，如图2所示，上位机选择前进目标M1点，在绞车作用下，船舶按设定目标方向前进；船位动态坐标G1’（Xg1’，Yg1’）、G2’（Xg2’，Yg2’），各绞车出绳点动态坐标艏部分别为S1’（Xs1’，Ys1’）、S2’（Xs2’，Ys2’）、艉部S3’（Xs3’，Ys3’）、S4’（Xs4’，Ys4’）；
通过G1’、G2’两点坐标建立船位动态G1’G2’直线方程为Yg’=f（Xg’）；此时，
第一绞车放缆长度L1’为P1’S1’；
第二绞车放缆长度L2’为P2’S2’；
第三绞车放缆长度L3’为P3’S3’；
第四绞车放缆长度L4’为P4’S4’；
步骤S5、微偏移状态下，如图3所示，船位动态坐标G1’’（Xg1’，Yg1’’）、G2’’（Xg2’，Yg2’’），各绞车出绳点动态坐标艏部分别为S1’’（Xs1’，Ys1’’）、S2’’（Xs2’，Ys2’’）、艉部S3’’（Xs3’，Ys3’’）、S4’’（Xs4’，Ys4’’）；
通过G1’’、G2’’两点坐标建立船位动态G1’’G2’’直线方程为Yg’’=f（Xg’’）
目标航线M1M2与直线G1’’G2’’形成夹角α；
第一绞车放缆长度L1’’为P1’’S1’’，误差dL1；
第二绞车放缆长度L2’’为P2’’S2’’，误差dL2；
第三绞车放缆长度L3’’为P3’’S3’’，误差dL3；
第四绞车放缆长度L4’’为P4’’S4’’，误差dL4；
为将微偏移状态调整为目标状态，使第一绞车放缆长度L1’’≈L1’，第二绞车放缆长度L2’’≈L2’，第三绞车放缆长度L3’’≈L3’，第四绞车放缆长度L4’’≈L4’，目标航线M1M2与直线G1’’G2’’形成夹角α≈0，船位动态坐标中Yg1’’≈Yg1’，Yg2’’≈Yg2’；
则对绞车速度进行补偿，速度补偿主函数为dVi=f（dLi），其中，i=1~4，可基于PID模型调节；
第一绞车速度补偿为dV1=f（dL1）；
第二绞车速度补偿为dV2=f（dL2）；
第三绞车速度补偿为dV3=f（dL3）；
第四绞车速度补偿为dV4=f（dL4）。
该方法根据步骤S1和步骤S2采集的位置坐标，进行数值位置解析，赋速度值于各绞车，满足自动导航移船过程中的位置纠偏和速度补偿，以完成基于GPS的自动导航移船定位。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种基于GPS的多点定位绞车自动导航移船控制方法，其特征在于，通过PLC调整4台绞车的收放缆速度，改变4点定位缆长，使横向偏移误差不超过20cm，具体步骤如下，
步骤S1、通过上位机建立船舶定位和移位模型，移船航线为直线M1M2方向，艏向前进目标位置静态坐标M1（Xm1，Ym1）、艉向后退目标位置静态坐标M2（Xm2，Ym2）；
步骤S2、通过GPS设备，采集船位动态坐标G1（Xg1，Yg1）、G2（Xg2，Yg2），分别采集抛锚定位点静态坐标P1（Xp1，Yp1）、P2（Xp2，Yp2）、P3（Xp3，Yp3）、P4（Xp4，Yp4），通过坐标系转换和定位绞车出绳点位置参数转换获取各绞车出绳点动态坐标艏部S1（Xs1，Ys1）、S2（Xs2，Ys2）、艉部S3（Xs3，Ys3）、S4（Xs4，Ys4）；
步骤S3、初始状态下，通过M1、M2两点坐标建立目标航线M1M2直线方程为Ym=f（Xm）；通过G1、G2两点坐标建立船位动态G1G2直线方程为Yg=f（Xg）；
第一绞车放缆长度L1为P1S1，P1S1与M1M2夹角θ1；
第二绞车放缆长度L2为P2S2，P2S2与M1M2夹角θ2；
第三绞车放缆长度L3为P3S3，P3S3与M1M2夹角θ3；
第四绞车放缆长度L4为P4S4，P4S4与M1M2夹角θ4；
设船舶自动导航前进速度为Vf，则，第一绞车速度V1=f（θ1），第二绞车速度V2=f（θ2），第三绞车速度V3=Ka，第四绞车速度V4=Ka；
第一绞车张力F1=Kf，第二绞车张力F2=Kf，第三绞车张力F3=f（θ3），第四绞车张力F4=f（θ4）；
速度主函数Vi=f（θi）其中，i=1~4，
若F4y=F3y，则船舶横向分力矢量抵消，船艉向保持；
若V1y=V2y，则船舶横向分速度矢量抵消，艏向分速度矢量叠加，G1G2与M1M2重合，船艏向保持；
步骤S4、目标状态下，上位机选择前进目标M1点，在绞车作用下，船舶按设定目标方向前进；船位动态坐标G1’（Xg1’，Yg1’）、G2’（Xg2’，Yg2’），各绞车出绳点动态坐标艏部分别为S1’（Xs1’，Ys1’）、S2’（Xs2’，Ys2’）、艉部S3’（Xs3’，Ys3’）、S4’（Xs4’，Ys4’）；
通过G1’、G2’两点坐标建立船位动态G1’G2’直线方程为Yg’=f（Xg’）；此时，
第一绞车放缆长度L1’为P1’S1’；
第二绞车放缆长度L2’为P2’S2’；
第三绞车放缆长度L3’为P3’S3’；
第四绞车放缆长度L4’为P4’S4’；
步骤S5、微偏移状态下，船位动态坐标G1’’（Xg1’，Yg1’’）、G2’’（Xg2’，Yg2’’），各绞车出绳点动态坐标艏部分别为S1’’（Xs1’，Ys1’’）、S2’’（Xs2’，Ys2’’）、艉部S3’’（Xs3’，Ys3’’）、S4’’（Xs4’，Ys4’’）；
通过G1’’、G2’’两点坐标建立船位动态G1’’G2’’直线方程为Yg’’=f（Xg’’）
目标航线M1M2与直线G1’’G2’’形成夹角α；
第一绞车放缆长度L1’’为P1’’S1’’，误差dL1；
第二绞车放缆长度L2’’为P2’’S2’’，误差dL2；
第三绞车放缆长度L3’’为P3’’S3’’，误差dL3；
第四绞车放缆长度L4’’为P4’’S4’’，误差dL4；
为将微偏移状态调整为目标状态，使第一绞车放缆长度L1’’≈L1’，第二绞车放缆长度L2’’≈L2’，第三绞车放缆长度L3’’≈L3’，第四绞车放缆长度L4’’≈L4’，目标航线M1M2与直线G1’’G2’’形成夹角α≈0，船位动态坐标中Yg1’’≈Yg1’，Yg2’’≈Yg2’；
则对绞车速度进行补偿，速度补偿主函数为dVi=f（dLi），其中，i=1~4，
第一绞车速度补偿为dV1=f（dL1）；
第二绞车速度补偿为dV2=f（dL2）；
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第四绞车速度补偿为dV4=f（dL4）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211130 |
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