CN115016295A - 防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统 - Google Patents

防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统 Download PDF

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CN115016295A
CN115016295A CN202210947805.1A CN202210947805A CN115016295A CN 115016295 A CN115016295 A CN 115016295A CN 202210947805 A CN202210947805 A CN 202210947805A CN 115016295 A CN115016295 A CN 115016295A
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杜磊
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Abstract

本发明提出了一种防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，它包括信息收集模块、内部预测距离获取模块、内部碰撞风险分析模块、拖船期望位置获取模块、防止内部碰撞模块；所述内部预测距离获取模块用于获取被拖船和前拖船、后拖船之间的预测距离；所述拖船期望位置获取模块用于获得前拖船、后拖船的目标位置矢量；所述防止内部碰撞模块用于将拖曳系统总成本函数进行最小值控制，使前拖船、后拖船各自的拖曳角、拖曳力、推力器输出的动力和力矩分别调整至经济合适状态。本发明在环境干扰下通过对前拖船、后拖船的运动进行智能控制，确保被拖船和前拖船、后拖船之间的距离始终大于或等于对应的安全距离，以避免拖曳系统发生内部碰撞。

Description

防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统
技术领域
本发明涉及拖曳技术领域，具体地指一种防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统。
背景技术
船舶拖曳作业是海上运输的重要组成部分，越来越多地被应用于多种场景，拖曳作业一般要靠船舶拖曳系统来完成。常见的船舶拖曳系统由前拖船、后拖船和被拖船及连接他们的缆绳组成，如附图1所示，两艘拖船和一艘被拖船组成的串联式拖曳系统。与单拖船拖曳方式相比，串联拖曳方式包含前、后两个拖船，提高了拖曳操作的可控性。
但是由于环境因素的干扰，造成前、后两个拖船的控制难度逐渐增大，拖曳系统内部船舶之间的碰撞风险大大增加，拖曳系统的安全受到了威胁。在实践中，当拖曳作业进行时，为避免拖曳系统内部的被拖船与前、后拖船之间发生内部碰撞，通常根据拖曳操作人员的经验对被拖船与前、后拖船之间的距离进行控制，但人工经验缺乏预测性和准确性，在复杂多变的拖曳系统中，无法长期、有效地控制被拖船与前、后拖船之间的距离。
发明内容
本发明提供一种防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，在环境干扰下通过对船舶的运动进行控制，确保拖船与被拖船之间的距离始终大于安全距离，以避免拖曳系统发生内部碰撞。
为实现上述目的，本发明研究出一种防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特别之处在于：包括信息收集模块、内部预测距离获取模块、内部碰撞风险分析模块、拖船期望位置获取模块、防止内部碰撞模块；
所述信息收集模块用于收集拖曳系统中被拖船船舶基本信息、前拖船船舶基本信息、后拖船船舶基本信息、以及环境干扰信息；
所述内部预测距离获取模块用于根据环境干扰信息、航行计划信息、被拖船基本信息、前拖船的基本信息、后拖船的基本信息，分别计算出被拖船、前拖船、后拖船受到的风干扰动力和力矩，被拖船、前拖船、后拖船受到其他干扰动力和力矩，被拖船、前拖船、后拖船在地球坐标系中动力和力矩的可控输入，并根据三自由度运动模型，获得被拖船、前拖船、后拖船的预测位置矢量和预测速度矢量，根据被拖船、前拖船、后拖船的预测位置矢量分别计算出被拖船和前拖船、后拖船之间的预测距离；
所述内部碰撞风险分析模块用于将被拖船和前拖船后拖船之间的预测距离与被拖船和前拖船之间设定的安全距离进行比较，将被拖船和后拖船之间的预测距离与被拖船和后拖船之间设定的安全距离进行比较，若预测距离大于或等于对应的安全距离，则船舶拖曳系统内部无碰撞风险，继续航行；若预测距离小于对应的安全距离，则船舶拖曳系统内部有碰撞风险，启动拖船期望位置获取模块和防止内部碰撞模块；
拖船期望位置获取模块用于将被拖船的预测位置矢量代入目标运动状态预测模型，分别获得前拖船、后拖船的目标位置矢量；
所述防止内部碰撞模块用于将被拖船、前拖船、后拖船各自的预测位置矢量、预测速度矢量，以及前拖船、后拖船各自的目标位置矢量带入成本函数公式，获得被拖船成本、前拖船成本、后拖船成本，将被拖船成本、前拖船成本、后拖船成本组成拖曳系统总成本函数，并将拖曳系统总成本函数进行最小值控制，使前拖船、后拖船各自的拖曳角、拖曳力、推力器输出的动力和力矩分别调整至经济拖曳角、经济拖曳力、推力器输出的经济动力和力矩，确保被拖船与前拖船之间的预测距离、或被拖船与后拖船之间的预测距离大于或等于各自对应的安全距离，以避免拖曳系统内部碰撞。
本发明的优点在于：
1.本发明将拖曳系统内的各船舶受到的风干扰动力和力矩、各
其他干扰动力和力矩、以及动力和力矩的可控输入代入三自由度运动模型，计算出拖曳系统内的各船舶在风干扰和其他干扰情况下的预测位置矢量和预测速度矢量，进而计算出被拖船和前拖船、后拖船之间的预测距离；
2.本发明将预测距离与安全距离进行比较，确保拖曳系统总成本
函数控制在最小值的情况下，通过不断调整前拖船和后拖船的拖曳力、拖曳角、以及推力器输出的动力和力矩，制定出经济的拖曳方案，调整被拖船与前拖船、后拖船之间的距离，保证每个时间点被拖船与前拖船、后拖船之间的距离在风干扰和其他干扰情况下始终大于或等于安全距离，以避免拖曳系统内部碰撞；
本发明防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，在环境干扰下通过对前拖船、后拖船的运动进行控制，确保被拖船和前拖船、后拖船之间的距离始终大于或等于对应的安全距离，以避免拖曳系统发生内部碰撞。
附图说明
图1为本发明防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统中的船舶拖曳系统的组成示意图；
图2为本发明在模拟实验中的前拖船、后拖船和被拖船的航向、纵荡速度和横荡速度变化图；
图3为本发明在模拟实验中的被拖船与前拖船、后拖船之间的距离随拖曳时间的变化图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。
本发明系一种防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，包括信息收集模块1、内部预测距离获取模块2、内部碰撞风险分析模块3、拖船期望位置获取模块4、防止内部碰撞模块5；
所述信息收集模块1用于收集拖曳系统中被拖船a船舶基本信息、前拖船b-1船舶基本信息、后拖船b-2船舶基本信息、以及环境干扰信息；
所述被拖船a船舶信息包括被拖船a的尺寸信息及各时刻被拖船a的位置、航向、纵荡速度、横荡速度、艏摇速度；
所述前拖船b-1船舶信息包括前拖船b-1的尺寸信息、各时刻前拖船b-1的位置、航向、纵荡速度、横荡速度、艏摇速度及前拖船b-1缆绳的基本信息；
所述后拖船b-2船舶信息包括后拖船b-2的尺寸信息、各时刻后拖船b-2的位置、航向、纵荡速度、横荡速度、艏摇速度及后拖船b-2缆绳的基本信息；
所述环境信息包括风及其他环境干扰的基本信息。
具体的船舶模型见表1。该拖曳系统模拟中，被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2的基本信息如表1所示。
Figure 179379DEST_PATH_IMAGE001
表1中的前拖船b-1、后拖船b-2和被拖船a分别基于“TitoNeri”260、“TitoNeri”260和“CyberShip II”进行建模；拖缆的长度为1m，前拖船b-1与被拖船a之间的拖曳角变化率不超过5°/s，后拖船b-2与被拖船a之间的拖曳角α 2 (t)变化率不超过5°/s；前拖船b-1的最大拖曳力为3N，后拖船b-2的最大拖曳力为3N，牵引力变化率小于1N/s。
船舶拖曳操作计划，如表2所示。
Figure 627678DEST_PATH_IMAGE002
表2给出了前拖船b-1、后拖船b-2和被拖船a的起始位置和航向，两个转向点和一个终点的船舶位置和航向。案例中假设风是恒定的，相对风速保持在1米/秒，风向为255°,西南方向。
所述内部预测距离获取模块2用于根据环境干扰信息、航行计划信息、被拖船a基本信息、前拖船b-1的基本信息、后拖船b-2的基本信息，分别计算出被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2受到的风干扰动力和力矩，被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2受到其他干扰动力和力矩，被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2在地球坐标系中动力和力矩的可控输入，并根据三自由度运动模型，获得被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2的预测位置矢量和预测速度矢量，根据被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2的预测位置矢量分别计算出被拖船a和前拖船b-1、后拖船b-2之间的预测距离。
具体地，所述被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2受到的风干扰动力和力矩τ w (t)为；
Figure 672994DEST_PATH_IMAGE003
其中，
τ w (t)表示风干扰动力和力矩，
ρ a 表示空气密度，
V rw (t)表示相对风速，
C x 、C y 、C n 分别表示水平平面运动的风系数，
表示相对于被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的风舷角，
A FW 表示船舶水线以上被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2结构的正投影面积，
A LW 表示船舶水线以上被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2结构的侧面投影面积，
L oa 表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的总长度。
具体地，所述被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2受到其他干扰动力和力矩τ u (t)为；
Figure 599362DEST_PATH_IMAGE004
其中，
τ u (t)表示其他干扰动力和力矩，
k X 、k Y 、k N 表示干扰增益系数，
V w (t)表示风速，
β w (t)表示风角，
Ψ(t)表示船舶航向，
A FD 表示船舶水线以下被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2结构的正投影面积，
A LD 表示船舶水线以下被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2结构的侧面投影面积，
L oa 表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的总长度。
具体地，被拖船a、或前拖船b-1、后拖船b-2在地球坐标系中力和力矩的可控输入τ (t)为；
Figure 944892DEST_PATH_IMAGE005
其中，
τ u (t)表示前拖船b-1、或后拖船b-2的纵荡力和力矩，
τ v (t)表示前拖船b-1、或后拖船b-2的横荡力和力矩，
τ r (t)表示前拖船b-1、或后拖船b-2的艏摇力和力矩，
T表示转置，
τ s (t)表示被拖船a在地球坐标系中受到的力和力矩，
B S 表示被拖船a的位形矩阵，
α 1 (t)表示前拖船b-1与被拖船a之间的拖曳角，
α 2 (t)表示后拖船b-2与被拖船a之间的拖曳角，
F 1 (t)表示前拖船b-1的拖曳力，
F 2 (t)表示后拖船b-2的拖曳力，
τ i (t)表示前拖船b-1、或后拖船b-2的推进系统在地球坐标系中力和力矩，
B i 表示前拖船b-1、或后拖船b-2的位形矩阵，
F i (t)表示前拖船b-1、或后拖船b-2的拖曳力，
τ Ti (t)表示前拖船b-1、或后拖船b-2的力矩，
β i 表示前拖船b-1、或后拖船b-2与被拖船a之间的拖曳角，
t表示拖曳时间。
具体地，所述三自由度运动模型为
Figure 32934DEST_PATH_IMAGE006
其中，
η(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中的位置矢量，
Ψ(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中的航向，
R表示地球坐标系与随船坐标系矢量的转换矩阵，是的函数，
v(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在随船坐标系中的速度矢量，
M表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的惯性质量矩阵，
C表示由被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的运动产生向心力矩阵，
D表示由被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的运动阻尼产生的阻尼矩阵，
τ(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中力和力矩的可控输入，
τ w (t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2受到的风干扰动力和力矩，
τ u (t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2受到的其他干扰动力和力矩，
τ表示拖曳时间。
具体地，所述位置矢量η(t)为；
Figure 831126DEST_PATH_IMAGE007
其中，
η(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中的位置矢量，
x(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中的横坐标位置，
y(t)表示被被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中的纵坐标位置，
Ψ(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中的航向，
τ表示拖曳时间。
具体地，所述速度矢量v(t)为；
Figure 295605DEST_PATH_IMAGE008
其中，
v(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的速度矢量，
u(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的纵荡速度，
v(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的横荡速度，
r(t)表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的艏摇速度，
T表示转置，
t表示拖曳时间。
如图2所示，图2显示了被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2各自速度和航向的变化。
所述内部碰撞风险分析模块3用于将被拖船a和前拖船b-1后拖船b-2之间的预测距离与被拖船a和前拖船b-1之间的安全距离进行比较，将被拖船a和后拖船b-2之间的预测距离与被拖船a和后拖船b-2之间的安全距离进行比较，若预测距离大于或等于对应的安全距离，则船舶拖曳系统内部无碰撞风险，继续航行；若预测距离小于对应的安全距离，则船舶拖曳系统内部有碰撞风险，启动拖船期望位置获取模块4和防止内部碰撞模块5。
具体地，被拖船a和前拖船b-1之间的安全距离、被拖船a和后拖船b-2之间的安全距离均为经验设定值。
拖船期望位置获取模块4用于将被拖船a的预测位置矢量代入目标运动状态预测模型，分别获得前拖船b-1、后拖船b-2的目标位置矢量。
具体地，所述目标运动状态预测模型为：
Figure 495642DEST_PATH_IMAGE009
其中，
η 1d 表示前拖船b-1的目标位置矢量，
η 2d 表示后拖船b-2的目标位置矢量，
x s 表示被拖船a在地球坐标系中的横坐标位置，
y s 表示被拖船a在地球坐标系中的纵坐标位置，
Ψ s 表示被拖船a在地球坐标系中的航向，
l 1 表示被拖船a船舶重心到船头的距离，
l 2 表示被拖船a船舶重心到船尾的距离，
l tow1 表示前拖船b-1缆绳的长度，
l tow1 表示后拖船b-2缆绳的长度，
l T1 表示前拖船b-1船舶重心到船头的距离，
l T2 表示后拖船b-2船舶重心到船尾的距离，
α 1 表示前拖船b-1与被拖船a之间的拖曳角，
α 2 表示后拖船b-2与被拖船a之间的拖曳角。
所述防止内部碰撞模块5用于将被拖船a、前拖船b-1、后拖船b-2各自的预测位置矢量、预测速度矢量，以及前拖船b-1、后拖船b-2各自的目标位置矢量带入成本函数公式，获得被拖船a成本、前拖船b-1成本、后拖船b-2成本，将被拖船a成本、前拖船b-1成本、后拖船b-2成本组成拖曳系统总成本函数，并将拖曳系统总成本函数进行最小值控制，使前拖船b-1、后拖船b-2各自的拖曳角、拖曳力、推力器输出的动力和力矩分别调整至经济拖曳角、经济拖曳力、推力器输出的经济动力和力矩，确保被拖船a与前拖船b-1之间的预测距离、或被拖船a与后拖船b-2之间的预测距离始终大于或等于各自对应的安全距离，以避免拖曳系统内部碰撞。
具体地，所述成本函数公式为
Figure 754585DEST_PATH_IMAGE010
其中，
J表示被拖船a成本、或前拖船b-1成本、或后拖船b-2成本，
η表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2在地球坐标系中的预测位置矢量，
η d 表示前拖船b-1、或后拖船b-2在地球固定坐标系中的目标位置矢量，
v表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2的预测速度矢量，
w 1 表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2预测位置矢量的权重系数，
w 2 表示被拖船a、或前拖船b-1、或后拖船b-2预测速度矢量的权重系数，
T表示转置。
具体地，所述拖曳系统总成本函数为
Figure 37144DEST_PATH_IMAGE011
Figure 39735DEST_PATH_IMAGE012
其中，
J*表示拖曳系统的总成本，
J s 表示被拖船a的成本，
J T1 表示前拖船b-1的成本，
J T2 表示后拖船b-2的成本，
J s (k+j|k) 表示在k时刻预测被拖船a在k+j时刻的成本，
J T1 (k+j|k) 表示在k时刻预测前拖船b-1在k+j时刻的成本，
J T2 (k+j|k) 表示在k时刻预测后拖船b-2在k+j时刻的成本，
w s 表示被拖船a的权重系数，
w T1 表示前拖船b-1的权重系数，
w T2 表示后拖船b-2的权重系数，
H p 表示预测视界的长度，
α 1 表示前拖船b-1与被拖船a之间的经济拖曳角，
α 2 表示后拖船b-2与被拖船a之间的经济拖曳角，
α i 表示拖曳角的变化率，
F 1 表示前拖船b-1的经济拖曳力，
F 2 表示后拖船b-2的经济拖曳力，
F i 表示拖曳力的变化率，
F imax 表示前后两根缆绳承受拖曳力之和的最大值，
τ i 表示前拖船b-1、或后拖船b-2推力器输出的经济动力和力矩，
τ imax 表示前拖船b-1、或后拖船b-2推力器输出的动力和力矩的最大值。
如图3所示，图3表示被拖船a与前拖船b-1、后拖船b-2之间的距离随拖曳时间的变化。由图可观察到被拖船a与前拖船b-1、后拖船b-2之间的距离总是大于0.9m的安全距离阈值，没有发生内部碰撞，证明了本发明提出的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞策略的可行性和可靠性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：包括信息收集模
块（1）、内部预测距离获取模块（2）、内部碰撞风险分析模块（3）、拖船期望位置获取模块（4）、防止内部碰撞模块（5）；
所述信息收集模块（1）用于收集拖曳系统中被拖船（a）船舶基本信息、前拖船（b-1）船舶基本信息、后拖船（b-2）船舶基本信息、以及环境干扰信息；
所述内部预测距离获取模块（2）用于根据环境干扰信息、航行计划信息、被拖船（a）基本信息、前拖船(b-1)的基本信息、后拖船（b-2)的基本信息，分别计算出被拖船（a）、前拖船(b-1)、后拖船（b-2)受到的风干扰动力和力矩，被拖船（a）、前拖船(b-1)、后拖船（b-2)受到其他干扰动力和力矩，被拖船（a）、前拖船(b-1)、后拖船（b-2)在地球坐标系中动力和力矩的可控输入，并根据三自由度运动模型，获得被拖船（a）、前拖船（b-1）、后拖船（b-2）的预测位置矢量和预测速度矢量，根据被拖船（a）、前拖船（b-1）、后拖船（b-2）的预测位置矢量分别计算出被拖船（a）和前拖船（b-1）、后拖船（b-2）之间的预测距离；
所述内部碰撞风险分析模块（3）用于将被拖船（a）和前拖船（b-1）后拖船（b-2）之间的预测距离与被拖船（a）和前拖船（b-1）之间设定的安全距离进行比较，将被拖船（a）和后拖船（b-2）之间的预测距离与被拖船（a）和后拖船（b-2）之间设定的安全距离进行比较，若预测距离大于或等于对应的安全距离，则船舶拖曳系统内部无碰撞风险，继续航行；若预测距离小于对应的安全距离，则船舶拖曳系统内部有碰撞风险，启动拖船期望位置获取模块（4）和防止内部碰撞模块（5）；
拖船期望位置获取模块（4）用于将被拖船（a）的预测位置矢量代入目标运动状态预测模型，分别获得前拖船（b-1）、后拖船（b-2）的目标位置矢量；
所述防止内部碰撞模块（5）用于将被拖船（a）、前拖船（b-1）、后拖船（b-2）各自的预测位置矢量、预测速度矢量，以及前拖船（b-1）、后拖船（b-2）各自的目标位置矢量带入成本函数公式，获得被拖船（a）成本、前拖船（b-1）成本、后拖船（b-2）成本，将被拖船（a）成本、前拖船（b-1）成本、后拖船（b-2）成本组成拖曳系统总成本函数，并将拖曳系统总成本函数进行最小值控制，使前拖船（b-1）、后拖船（b-2）各自的拖曳角、拖曳力、推力器输出的动力和力矩分别调整至经济拖曳角、经济拖曳力、推力器输出的经济动力和力矩，确保被拖船（a）与前拖船（b-1）之间的预测距离、或被拖船（a）与后拖船（b-2）之间的预测距离始终大于或等于各自对应的安全距离，以避免拖曳系统内部碰撞。
2.根据权利要求1所述的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：
内部预测距离获取模块（2）中，所述被拖船（a）、或前拖船(b-1)、或后拖船（b-2)受到的风干扰动力和力矩τ w (t)为
Figure 421322DEST_PATH_IMAGE001
其中，
τ w (t)表示风干扰动力和力矩，
ρ a 表示空气密度，
V rw (t)表示相对风速，
C x 、C y 、C n 分别表示水平平面运动的风系数，
表示相对于被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的风舷角，
A FW 表示船舶水线以上被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）结构的正投影面积，
A LW 表示船舶水线以上被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）结构的侧面投影面积，
L oa 表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的总长度。
3.根据权利要求2所述的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：
内部预测距离获取模块（2）中，所述被拖船（a）、或前拖船(b-1)、或后拖船（b-2)受到其他干扰动力和力矩τ u (t)为
Figure 400779DEST_PATH_IMAGE002
其中，
τ u (t)表示其他干扰动力和力矩，
k X 、k Y 、k N 表示干扰增益系数，
V w (t)表示风速，
β w (t)表示风角，
Ψ(t)表示船舶航向，
A FD 表示船舶水线以下被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）结构的正投影面积，
A LD 表示船舶水线以下被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）结构的侧面投影面积，
L oa 表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的总长度。
4.根据权利要求3所述的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：
内部预测距离获取模块（2）中，被拖船（a）、或前拖船(b-1)、后拖船（b-2)在地球坐标系中动力和力矩的可控输入τ(t)为
Figure 242833DEST_PATH_IMAGE003
其中，
τ u (t)表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的纵荡力和力矩，
τ v (t)表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的横荡力和力矩，
τ r (t)表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的艏摇力和力矩，
T表示转置，
τ s (t)表示被拖船（a）在地球坐标系中受到的力和力矩，
B S 表示被拖船（a）的位形矩阵，
α 1 (t)表示前拖船（b-1）与被拖船（a）之间的拖曳角，
α 2 (t)表示后拖船（b-2）与被拖船（a）之间的拖曳角，
F 1 (t)表示前拖船（b-1）的拖曳力，
F 2 (t)表示后拖船（b-2）的拖曳力，
τ i (t)表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的推进系统在地球坐标系中力和力矩，
B i 表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的位形矩阵，
F i (t)表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的拖曳力，
τ Ti (t)表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的力矩，
β i 表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）与被拖船（a）之间的拖
曳角，
t表示拖曳时间。
5.根据权利要求4所述的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：
内部预测距离获取模块（2）中，所述三自由度运动模型为
Figure 434780DEST_PATH_IMAGE004
其中，
η(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中的位置矢量，
Ψ(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中的航向，
R表示地球坐标系与随船坐标系矢量的转换矩阵，是的函数，
v(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在随船坐标系中的速度矢量，
M表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的惯性质量矩阵，
C表示由被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的运动产生向心力矩阵，
D表示由被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的运动阻尼产生的阻尼矩阵，
τ(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中力和力矩的可控输入，
τ w (t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）受到的风干扰动力和力矩，
τ u (t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）受到的其他干扰动力和力矩，
τ表示拖曳时间。
6.根据权利要求5所述的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：
内部预测距离获取模块（2）中，所述预测位置矢量η(t)为
Figure 810005DEST_PATH_IMAGE005
其中，
η(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中的位置矢量，
x(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中的横坐标位置，
y(t)表示被被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中的纵坐标位置，
Ψ(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中的航向，
τ表示拖曳时间。
7.根据权利要求6所述的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：内部预测距离获取模块（2）中，所述速度矢量v(t)为
Figure 429205DEST_PATH_IMAGE006
其中，
v(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的速度矢量，
u(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的纵荡速度，
v(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的横荡速度，
r(t)表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的艏摇速度，
T表示转置，
t表示拖曳时间。
8.根据权利要求7所述的防止环境干扰下船舶拖曳系统内部碰撞的控制系统，其特征在于：拖船期望位置获取模块（4）中，所述目标运动状态预测模型为：
Figure 492976DEST_PATH_IMAGE007
其中，
η 1d 表示前拖船（b-1）的目标位置矢量，
η 2d 表示后拖船（b-2）的目标位置矢量，
x s 表示被拖船（a）在地球坐标系中的横坐标位置，
y s 表示被拖船（a）在地球坐标系中的纵坐标位置，
Ψ s 表示被拖船（a）在地球坐标系中的航向，
l 1 表示被拖船（a）船舶重心到船头的距离，
l 2 表示被拖船（a）船舶重心到船尾的距离，
l tow1 表示前拖船（b-1）缆绳的长度，
l tow1 表示后拖船（b-2）缆绳的长度，
l T1 表示前拖船（b-1）船舶重心到船头的距离，
l T2 表示后拖船（b-2）船舶重心到船尾的距离，
α 1 表示前拖船（b-1）与被拖船（a）之间的拖曳角，
α 2 表示后拖船（b-2）与被拖船（a）之间的拖曳角。
9.根据权利要求8所述的环境干扰下的船舶拖曳系统轨迹跟踪方法，其特征在于：防止内部碰撞模块（5）中，所述成本函数公式为
Figure 488614DEST_PATH_IMAGE008
其中，
J表示被拖船（a）成本、或前拖船（b-1）成本、或后拖船（b-2）成本，
η表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球坐标系中的预测位置矢量，
η d 表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）在地球固定坐标系中的目标位置矢量，
v表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）的预测
速度矢量，
w1表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）预测位置矢量的权重系数，
w2表示被拖船（a）、或前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）预测速度矢量的权重系数，
T表示转置。
10.根据权利要求9所述的环境干扰下的船舶拖曳系统轨迹跟踪方法，其特征在于：防止内部碰撞模块（5）中，所述拖曳系统总成本函数为
Figure 954230DEST_PATH_IMAGE009
Figure 744331DEST_PATH_IMAGE010
其中，
J*表示拖曳系统的总成本，
J s 表示被拖船（a）的成本，
J T1 表示前拖船（b-1）的成本，
J T2 表示后拖船（b-2）的成本，
J s (k+j|k) 表示在k时刻预测被拖船（a）在k+j时刻的成本，
J T1 (k+j|k) 表示在k时刻预测前拖船（b-1）在k+j时刻的成本，
J T2 (k+j|k) 表示在k时刻预测后拖船（b-2）在k+j时刻的成本，
w s 表示被拖船（a）的权重系数，
w T1 表示前拖船（b-1）的权重系数，
w T2 表示后拖船（b-2）的权重系数，
H p 表示预测视界的长度，
α 1 表示前拖船（b-1）与被拖船（a）之间的经济拖曳角，
α 2 表示后拖船（b-2）与被拖船（a）之间的经济拖曳角，
α i 表示拖曳角的变化率，
F 1 表示前拖船（b-1）的经济拖曳力，
F 2 表示后拖船（b-2）的经济拖曳力，
F i 表示拖曳力的变化率，
F imax 表示前后两根缆绳承受拖曳力之和的最大值，
τ i 表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）推力器输出的经济动力和力矩，
τ imax 表示前拖船（b-1）、或后拖船（b-2）推力器输出的动力和力矩的最大值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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