CN115755934A - 一种船舶进港航迹控制方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船舶进港航迹控制方法、装置、电子设备及存储介质，方法包括：获取船舶航道信息和船舶运行信息；根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系；根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离计划航线；若船舶偏离计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；若船舶未偏离计划航线，根据船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整。本发明解决了现有技术中未考虑外景环境干扰因素对航向控制的影响以及无法逐级降速的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及船舶运动控制技术领域，具体涉及一种船舶进港航迹控制方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
近年来，随着船舶智能化构思的提出，作为智能船基本功能之一的航迹控制成为了行业的研究热点，众多学者和研究人员对航迹控制方法做了大量的研究工作。船舶航迹控制分为航向控制和航速控制两部分，而进港航道多为连续弯曲航段，对船舶航向和航速控制更是有较高的要求。
进港航道多为连续弯曲航段，船舶为了保持航线稳定需频繁操舵并操大舵角，而操舵过于频繁和操舵角过大则会导致主机负荷增大和燃油消耗量的增加，最优策略可以在航向控制和燃油消耗两个不同的目标函数约束下求得最优解，可将最优策略用于传统的船舶PID航向控制，组成基于最优策略的PID船舶航向控制系统。而进港航道大多航道长度和宽度都受限，船舶在进港航道中船速过高显然不安全也不符合实际操作规范，但船速过低会影响进港靠泊的效率，航行经济型必然会降低，且船速过低会使得舵效降低，也影响船舶航行安全性，故需在进港过程中逐级降速，使得船舶既能以较快时间进港，又能保持较好的舵效并使船舶最终的靠泊余速符合要求和规范。
首先，航迹控制应是由航向控制和航速控制两个部分组成，现有技术大多都集中于航向控制的研究，其中一个重要原因是经典的船舶航向控制系统已经实际使用了多年，现有的技术多是在其基础上与数学方法和控制方法相结合以改善其航向控制性能，如将传统PID航向控制方法与模糊控制理论相结合，以达到实时自整定PID参数的目的，以及基于神经网络的方法，通过搜集大量的船舶轨迹数据集提取船舶转向数据后再将其用于训练特定类型的船舶，同样可以优化PID参数以达到提高船舶航向控制性能的目的。但这些技术和方法大都以无外界风、流干扰和船舶做匀速运动为前提，尚未将外界风、流和船舶变速等因素对航向控制性能的影响考虑在内。而航速控制方法中，目前技术则多集中于降低船速改变过程中的超调，对于类似于进港航道这种整体式的航速控制方法目前尚未由有相关技术和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种船舶进港航迹控制方法、装置、电子设备及存储介质，解决现有技术中未考虑外景环境干扰因素对航向控制的影响以及无法逐级降速的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采取了以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种船舶进港航迹控制方法，包括如下步骤：
获取船舶航道信息和船舶运行信息，根据所述航道信息确定船舶的计划航线；
根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系；
根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线；
若船舶偏离所述计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；
若船舶未偏离所述计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整。
在一些实施例中，所述航道信息至少包括航路点位置和航段信息，所述船舶运行信息至少包括船舶实时位置、船舶速度和航向。
在一些实施例中，所述根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线，包括：
获取船舶实时位置；
根据所述实时位置，确定距离船舶最近的航段；
判断所述实时位置与所述最近的航段之间是否存在间隔；
若存在间隔，则说明船舶偏离所述计划航线；
若不存在间隔，则说明船舶未偏离所述计划航线。
在一些实施例中，所述通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向，包括：
根据船舶的实时位置，确定船舶当前航段和下一个航路点位置；
根据所述实时位置和下一个航路点位置，确定船舶距离所述下一个航路点的航行距离；
判断所述航行距离与距离阈值之间的关系；
若所述航行距离大于所述距离阈值，则以船舶的当前位置朝向所述下一个航路点的方向为目标航向；
若所述航行距离小于所述距离阈值，则以船舶的当前位置朝向下一段航段的第一航路点的方向为目标航向。
在一些实施例中，所述基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向，包括：
基于外部环境与舵角和船速的关联关系，采用预设的船舶运动数学模型，根据水动力导数，确定船舶操纵性指数；
根据所述船舶操纵性指数，以航向和舵角为限制条件，确定PID航向控制器的优化参数；
根据所述优化参数和PID航向控制器。确定船舶航向的目标舵角。
在一些实施例中，所述根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整，包括：
根据所述航道信息和航路点位置，确定船舶航行起始点、航行目标点、初始转速、目标转速、初始船速和目标船速；
根据所述目标转速，对当前位置所述初始转速进行调整，得到调整转速和调整船速，以使所述调整转速与所述目标转速大小一致以及初始以及调整船速与目标船速一致；
判断船舶当前位置与航速控制点之间的距离是否小于设定的阈值；
若小于，则跟船舶当前位置所处的航道，对航速进行调整；
若大于，则以当前位置和所述航速控制点的中心点为调整点，对所述调整转速进行调节。
在一些实施例中，所述对船舶的航速进行调整之后，包括：
判断船舶是否到达最后航段的第二个航路点；
若未到达，则持续对船舶的航向和航速进行监控。
第二方面，本发明还提供了一种船舶进港航迹控制装置，包括：
获取模块，用于获取船舶航道信息和船舶运行信息，根据所述航道信息确定船舶计划航线；
根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系；
判断模块，用于根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线；
航向控制模块，用于若船舶偏离预设的计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；
航速控制模块，用于若船舶未偏离预设的计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整。
第三方面，本发明还提供了一种电子设备，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如上所述的船舶进港航迹控制方法中的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如上所述的船舶进港航迹控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明提供的船舶进港航迹控制方法、装置、电子设备及存储介质，首先获取船舶航道信息和船舶运行信息，并且根据所述航道信息确定船舶的计划航线；随后根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系，最后根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线，若船舶偏离所述计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；若船舶未偏离所述计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整；本发明在进行航向控制时，充分考虑了风、流对舵角和航速的影响程度，使得船舶的航向控制更贴合实际航行环境，提高了航向控制的准确性和实用性，同时通过二分法实现了船舶进港的逐级减速，提高了进港效率和安全性。
附图说明
图1是本发明提供的船舶进港航迹控制方法的一实施例的流程图；
图2是本发明提供的船舶进港航迹控制方法中，步骤S104一实施例流程图；
图3是本发明提供的船舶进港航迹控制方法中，航向控制原理一实施例结构示意图；
图4是本发明提供的船舶进港航迹控制方法中，步骤S104另一实施例流程图；
图5是本发明提供的船舶进港航迹控制方法中，二分法应用一实施流程图；
图6是本发明提供的船舶进港航迹控制装置的一实施例的示意图；
图7是本发明提供的电子设备一实施例的运行环境示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
首先对本发明所涉及的名词进行解释：
航段：航运中内河航道上的一段；在下列情况将内河航道划分成航段:①当航道所在水系发生变化；②当航道现状技术等级或定级技术等级发生变化；③当航道所在省级行政区域发生变化。对于航道所在地市级和县级行政管理区域变化时是否进行分段，由各省(自治区、直辖市)、长江航务管理局、上海航道局根据实际管理需求确定；④当省级航道管理机构发生变化。对于地市级和县级航道管理机构发生变化时是否进行分段，由各省(自治区、直辖市)、长江航务管理局、上海航道局根据实际管理需求确定；⑤当航道所在水域类型发生变化；⑥当出现重复航段；⑦当航段维护类别发生变化；⑧当航标配布类别发生变化；⑨在主控点处必须分段，划分的航段里程原则上不小于1公里。
航路点：航空术语，GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标。也可用于船舶航行领域，用于对航段进行定位和划分。
现有技术中针对船舶航向的调整主要依靠于经典的数学模型或者依赖于大量的先验经验训练机器学习模型，通过经典数学模型或机器学习模型控制航向的方法不适用于环境变化大的场景，同时由于先验经验和数学模型获得的航向调整结果具有一定的固定性，因此在实际航行过程中会出现较大的误差。本发明所涉及的船舶进港航迹控制方法、装置、设备或者计算机可读存储介质可用于船舶航行过程中的航向调整以及船舶进港时的航速逐级减速调节。本发明所涉及的方法、装置、设备或者计算机可读存储介质既可以与上述系统集成在一起，也可以是相对独立的。
本实施例提供了一种船舶进港航迹控制方法，在航向控制方法上，首先将风、流等外界环境干扰建模，在舵角和船速等变量中具体体现，随后选取舵角和航向两个指标，以其多项式的和建立指标评价函数，选取舵角和航向两个指标的原因在于舵角大小较大程度上代表了燃油消耗量，而航向则直接反映了船舶的航向稳定性，当评价函数最小时的PID参数即为最优PID参数。该组最优PID参数实际上是船速的函数，当风、流等外界环境干扰一定时，即其会随着船速的改变而实时调整，并结合发明者所提出导航方法可较好地控制船舶航向。航速控制方法过程核心是：在给定了船舶起始点、起始时间、船速、转速以及目标点、目标转速和目标速度等条件，求得变速时刻点以达到较精确控制船舶速度的目标。图1是本发明实施例提供的船舶进港航迹控制方法的流程图，请参阅图1，船舶进港航迹控制方法包括如下步骤：
S101、获取船舶航道信息和船舶运行信息，根据所述航道信息确定船舶的计划航线；
S102、根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系；
S103、根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线；
S104、若船舶偏离所述计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；
S105、若船舶未偏离所述计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整。
在本实施例中，首先获取船舶航道信息和船舶运行信息，并且根据所述航道信息确定船舶的计划航线；随后根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系，最后根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线，若船舶偏离所述计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；若船舶未偏离所述计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整；本发明在进行航向控制时，充分考虑了风、流对舵角和航速的影响程度，使得船舶的航向控制更贴合实际航行环境，提高了航向控制的准确性和实用性，同时通过二分法实现了船舶进港的逐级减速，提高了进港效率和安全性。
在步骤S101中，航道信息的获取方式为通过电子海图或电子江图获取航道的具体位置信息，并且根据提取航道位置的中心线，设定为船舶航行的计划航线。进一步的，根据GPS等传感器获取船舶的位置、速度和航向等信息。
进一步的，从电子海图或电子江图中获取航道位置信息后，可将其由东向西分为i个航段，每个航段包含两条边界线(取内边界并由南向北编号)，每条边界线含有两个点且各个相邻航段的边界线会共用一个点(由东向西编号)。
表示第i个航段的第a条边上的第b个点。将航道边界线各点的中点设置为航路点，其中各相邻航段会共用一个航路点，
表示第i个航段的第j个航路点，将各航路点的连线设置为计划航线，Li表示第i个航段内的计划航线。
上式中，P表示坐标点，式(2)中，l表示点的连线。
获取航道边界线和计划航线以及各航路点信息后可通过下式将其转化为计算机可识别的数字化交通环境。
上式中，x0、y0分别为大地坐标系原点的经度和纬度，lon、lat分别为为待转换位置点的经度和纬度，x和y分别为转换过后大地坐标系下的横坐标和纵坐标。
在一些实施例中，所述航道信息至少包括航路点位置和航段信息，所述船舶运行信息至少包括船舶实时位置、船舶速度和航向。
在本实施例中，通过获取船舶的航道信息和运行信息，为航向控制和航速调整提供依据。
在一些实施例中，所述根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线，包括：
获取船舶实时位置；
根据所述实时位置，确定距离船舶最近的航段；
判断所述实时位置与所述最近的航段之间是否存在间隔；
若存在间隔，则说明船舶偏离所述计划航线；
若不存在间隔，则说明船舶未偏离所述计划航线。
在本实施例中，通过比较船舶的位置与计划的最近航段之间的距离，即可判断船舶是否偏航。
在一个具体的实施例中，令航段计划航线的直线方程为Ax+By+C＝0，船舶位置为(x0，y0)，则船舶距计划航线的距离为
若d为0，则未偏离计划航向，否则即为偏离。
在一些实施例中，请参阅图2，所述通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向，包括：
S201、根据船舶的实时位置，确定船舶当前航段和下一个航路点位置；
S202、根据所述实时位置和下一个航路点位置，确定船舶距离所述下一个航路点的航行距离；
S203、判断所述航行距离与距离阈值之间的关系；
S204、若所述航行距离大于所述距离阈值，则以船舶的当前位置朝向所述下一个航路点的方向为目标航向；
S205、若所述航行距离小于所述距离阈值，则以船舶的当前位置朝向下一段航段的第一航路点的方向为目标航向。
在步骤S203中，距离阈值为根据驾驶员的经验确定的数值。
在本实施例中，结合船舶当前受风和水流影响的航速和航向，通过判断船舶的偏航距离，确定船舶的行驶方向。
在一个具体的实施例中，请参阅图3，Pk-1为上一行航路点，Pk为下一航路点，CA即为计划航向的方向，TB为目标点Pk相对本船的真方位，TC0为船舶当前航向，CA为计划航线的方向。采用导航方法求取目标航向的过程可用如下数学公式体现：
TCd＝m(TB-CA)+CA
上式中，TCd为求取的目标航向，TB为目标点相对于本船的真航向，CA为计划航线的方向，m为系数。m的取值不同会导致跟踪计划航线的轨迹不同。m>1时本船将沿曲线l1运动，m＝1时将沿着曲线l2运动。显然曲线l1更符合实际船舶运动轨迹，而系数m的取值过大或过小都将导致船舶运动轨迹与计划航线的夹角偏大，在本实施例中，取m＝1.5能很好地满足船舶转向和航线跟踪的要求。
在一些实施例中，请参阅图4，所述基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向，包括：
S401、基于外部环境与舵角和船速的关联关系，采用预设的船舶运动数学模型，根据水动力导数，确定船舶操纵性指数；
S402、根据所述船舶操纵性指数，以航向和舵角为限制条件，确定PID航向控制器的优化参数；
S403、根据所述优化参数和PID航向控制器，确定船舶航向的目标舵角。
在本实施例中，采用优化后的航向控制方法得到目标舵角后，通过操纵方向盘通过目标舵角调节船舶的转向角度，从而实现船舶的航向控制。
在步骤S401中，由船舶运动数学模型(MMG模型)中的水动力参数计算得到船舶操纵性指数K、T，具体方法如下：
分离式船舶运动数学模型也称为MMG模型，MMG模型将水动力和水动力矩分解，分别作用于船体、螺旋桨和舵，并分析相互之间的影响，其每一项水动力和水动力矩都有明确的物理意义，因此采用MMG模型进行船舶运动数学建模，其具体表达式为
上式中，m、mx和my分别为船体质量、正横方向船舶附加质量和首尾方向船舶附加质量。IZZ和JZZ分别首摇转动惯量和附加转动惯量。u、v及r分别是正横方向速度，首尾方向速度及首摇转动速度。du/dt、dv/dt及dr/dt分别是沿正横方向加速度，首尾方向加速度及首摇角加速度。XH、YH和NH为船体在正横方向、首尾方向上的受力和首摇方向上的力矩。XP和YP为螺旋桨在正横方向和首尾方向上的受力。XR、YR和NR分别是舵在正横方向、首尾方向上的受力和首摇方向上的力矩。
当船舶受外界小扰动时，正横方向速度不变，则MMG模型中的第二式可以除去，其余两式可以改写为
上式即为线性船舶运动数学模型，它和有整体式模型观点而得到的线性船舶运动方程的形式完全相同。其中u0为首尾方向速度的初始值，
为正横方向的加速度，
为转首角加速度，δ为舵角，Yv、Yr、Yδ、Nv、Nr、Nδ均为MMG模型与船速和船舶固有参数相关的水动力导数。初始状态为匀速直线运动时，则所有变量具有零初值，即
这样，经过拉普拉斯变换后上式为一代数方程组
上式中，v(s)＝L[v(t,r(s)＝L[r(t,δ(s)＝Lδ(t。由此可解得舵角到转首角速度的传递函数为
上式中，
C＝XuNr-Nu(Xr-(m+my)v0)。
将频域内转首角速度和首尾方向的速度对舵角的关系，经过拉普拉斯逆变换，可转换成时域方程如下
船舶运动时呈现非常大的惯性，并且操舵机构的能量有限，能提供的舵叶运动速度通常低于3°/s，因此船舶运动具有低频特征。传递函数式在低频下可降阶为一阶模型
其中，K即为船舶旋回性指数，T为船舶追随性指数，且T＝T1+T2-T3。相应地，二阶响应方程式也可以简化为一阶转首响应方程
至此，便可由MMG模型中的水动力导数计算得到船舶操纵性指数，而水动力导数是与船速相关的表达式，则船舶操纵性指数最终是船速v的函数。
在步骤S402中，在控制理论中，PID参数可由二阶设计方法给出，即
上式中，ωn船舶的固有振荡频率，ξ为系统相对阻尼系数，为保持系统性能，ξ取值范围通常为0.8≤ξ≤1.0。
船舶实际航行中，需要统筹考虑航向保持和节省燃油两个方面，频繁操舵能提高航向稳定性，但同时也会导致燃油消耗量增大。为平衡二者的关系，选取性能指标函数
上式中，e为航向偏差，δ为舵角，λ是加权系数，其取值范围见下表
| 风速(m/s) | 0-5 | 5-10 | 10-14 | 14-17 | 17-20 | 20-30 | >30 |
| λ | 0.1 | 4 | 8 | 8.5 | 9 | 9.5 | 10 |
为保证船舶节省燃油的消耗，抑制操舵，λ＝8～10，为了提高航向保持的精度，λ＝0.1。
最优控制即使得二次型指标函数值最小，由线性二次型非零给定点输出调节理论可解得舵角的控制律为
上式中e为航向偏差，即目标航向与实时航向之差，
为航向偏差变化率，则有
船舶航向控制是一个闭环控制系统，该控制系统中的参数K、T和λ均大于0，因此系统的极点都位于左半平面，即该闭环系统是渐进稳定的，系统是一个二阶振荡系统，其固有振荡频率为
相对阻尼系数为
将ωn、ξ式分别带入控制理论得到的PID参数计算式中，可得到Kp、Kd的计算公式与式舵角控制律中相同，因此可将其带入控制论的计算式得到Ki的计算公式为
本步骤由最优控制理论得到的PID控制器参数是速度的函数，其可随着船速的变化实时调整。
在步骤S403中，PID航向控制器的舵角控制律为
Δδ(k)＝KPΔe(k)+Kie9k)+Kd9Δe9k)-Δe(k-1))
上式中，e(k)为当前时刻的航向偏差即目标航向与当前航向的差值，□e(k)为当前时刻的航向偏差变化率，Δe(k-1)为上一时刻航向偏差变化率。每一时刻将步骤S402得出的PID参数代入上式即可得出控制船舶航向的舵角。
在一些实施例中，所述根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整，包括：
根据所述航道信息和航路点位置，确定船舶航行起始点、航行目标点、初始转速、目标转速、初始船速和目标船速；
根据所述目标转速，对当前位置所述初始转速进行调整，得到调整转速和调整船速，以使所述调整转速与所述目标转速大小一致以及初始以及调整船速与目标船速一致；
判断船舶当前位置与航速控制点之间的距离是否小于设定的阈值；
若小于，则跟船舶当前位置所处的航道，对航速进行调整；
若大于，则以当前位置和所述航速控制点的中心点为调整点，对所述调整转速进行调节。
在本实施例中，由获取的航道信息选定起始点、目标点和航速控制控制目标点，起始点即第一航段的第一个航路点，目标点即最后航段的第二个航路点，航速控制目标点即在该点设置目标船速和对应的目标转速，当船舶行驶至航速控制点时转速达到目标转速，船速达到目标船速；具体的，请参阅图5，采用二分法控制航速的具体流程如图所示。
在一些实施例中，所述对船舶的航速进行调整之后，包括：
判断船舶是否到达最后航段的第二个航路点；
若未到达，则持续对船舶的航向和航速进行监控。
在本发明一个具体的实施例中，选取中国香港东部进港航道为实验仿真水域，蓝塘海峡进港航道经纬度范围为：114.2413°E∽114.2985°E，22.0854°N∽22.1495°N。船舶初始位置为航路点
正东侧1000m处，船速5m/s，转速60r/min，航向270°，风向5m/s，风向正东，流速0.5m/s，流向029°，航迹控制目标为到达航路点
附近时船速降为3m/s左右且转速与其基本匹配，在外界环境干扰和船舶变速过程中须保持较好的船舶稳定性。
首先，船舶经过了三次逐级降速的过程，最终在航路点
附近时速度达到3m/s左右(设置为3m/s是因为大中型船舶靠泊语速不得大于3m/s)，达到了航速控制的目的。且在船速变化和受到外界环境干扰的情况下，发明所采用的航向控制方法仍然能控股之船舶使其航向稳定，其航迹曲线与计划航线之间的偏移量较传统PID航向控制方法明显更小，发明所提出的导航方法也能在计划航线方向改变时平滑地跟踪到新的航线上，整个航迹控制方法达到了预期的控制效果。
基于上述船舶进港航迹控制方法，本发明实施例还相应的提供一种船舶进港航迹控制装置600，请参阅图6，该船舶进港航迹控制装置600包括获取模块610、关系确定模块620、判断模块630、航向控制模块640和航速控制模块650。
获取模块610，用于获取船舶航道信息和船舶运行信息，根据所述航道信息确定船舶计划航线；
关系确定模块620，用于根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系；
判断模块630，用于根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线；
航向控制模块640，用于若船舶偏离预设的计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；
航速控制模块650，用于若船舶未偏离预设的计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整。
如图7所示，基于上述船舶进港航迹控制方法，本发明还相应提供了一种电子设备，该电子设备可以是移动终端、桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及服务器等计算设备。该电子设备包括处理器710、存储器720及显示器730。图7仅示出了电子设备的部分组件，但是应理解的是，并不要求实施所有示出的组件，可以替代的实施更多或者更少的组件。
存储器720在一些实施例中可以是该电子设备的内部存储单元，例如电子设备的硬盘或内存。存储器720在另一些实施例中也可以是电子设备的外部存储设备，例如电子设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(SmartMedia Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，存储器720还可以既包括电子设备的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器720用于存储安装于电子设备的应用软件及各类数据，例如安装电子设备的程序代码等。存储器720还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。在一实施例中，存储器20上存储有船舶进港航迹控制程序740，该船舶进港航迹控制程序740可被处理器710所执行，从而实现本申请各实施例的船舶进港航迹控制方法。
处理器710在一些实施例中可以是一中央处理器(Central ProcessingUnit,CPU)，微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器720中存储的程序代码或处理数据，例如执行船舶进港航迹控制方法等。
显示器730在一些实施例中可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED(Organic Light-Emitting Diode，有机发光二极管)触摸器等。显示器730用于显示在所述船舶进港航迹控制设备的信息以及用于显示可视化的用户界面。电子设备的部件710-730通过系统总线相互通信。
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种船舶进港航迹控制方法，其特征在于，包括：
获取船舶航道信息和船舶运行信息，根据所述航道信息确定船舶的计划航线；
根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系；
根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线；
若船舶偏离所述计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；
若船舶未偏离所述计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整。
2.根据权利要求1所述的船舶进港航迹控制方法，其特征在于，所述航道信息至少包括航路点位置和航段信息，所述船舶运行信息至少包括船舶实时位置、船舶速度和航向。
3.根据权利要求2所述的船舶进港航迹控制方法，其特征在于，所述根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线，包括：
获取船舶实时位置；
根据所述实时位置，确定距离船舶最近的航段；
判断所述实时位置与所述最近的航段之间是否存在间隔；
若存在间隔，则说明船舶偏离所述计划航线；
若不存在间隔，则说明船舶未偏离所述计划航线。
4.根据权利要求3所述的船舶进港航迹控制方法，其特征在于，所述通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向，包括：
根据船舶的实时位置，确定船舶当前航段和下一个航路点位置；
根据所述实时位置和下一个航路点位置，确定船舶距离所述下一个航路点的航行距离；
判断所述航行距离与距离阈值之间的关系；
若所述航行距离大于所述距离阈值，则以船舶的当前位置朝向所述下一个航路点的方向为目标航向；
若所述航行距离小于所述距离阈值，则以船舶的当前位置朝向下一段航段的第一航路点的方向为目标航向。
5.根据权利要求4所述的船舶进港航迹控制方法，其特征在于，所述基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向，包括：
基于外部环境与舵角和船速的关联关系，采用预设的船舶运动数学模型，根据水动力导数，确定船舶操纵性指数；
根据所述船舶操纵性指数，以航向和舵角为限制条件，确定PID航向控制器的优化参数；
根据所述优化参数和PID航向控制器，确定船舶航向的目标舵角。
6.根据权利要求2所述的船舶进港航迹控制方法，其特征在于，所述根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整，包括：
根据所述航道信息和航路点位置，确定船舶航行起始点、航行目标点、初始转速、目标转速、初始船速和目标船速；
根据所述目标转速，对当前位置所述初始转速进行调整，得到调整转速和调整船速，以使所述调整转速与所述目标转速大小一致以及初始以及调整船速与目标船速一致；
判断船舶当前位置与航速控制点之间的距离是否小于设定的阈值；
若小于，则跟船舶当前位置所处的航道，对航速进行调整；
若大于，则以当前位置和所述航速控制点的中心点为调整点，对所述调整转速进行调节。
7.根据权利要求1所述的船舶进港航迹控制方法，其特征在于，所述对船舶的航速进行调整之后，包括：
判断船舶是否到达最后航段的第二个航路点；
若未到达，则持续对船舶的航向和航速进行监控。
8.一种船舶进港航迹控制装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取船舶航道信息和船舶运行信息，根据所述航道信息确定船舶计划航线；
关系确定模块，用于根据外部环境因素对船速和转首角速度变化的影响程度，确定外部环境与舵角和船速的关联关系；
判断模块，用于根据船舶实时运行信息，判断船舶是否偏离所述计划航线；
航向控制模块，用于若船舶偏离预设的计划航线，则通过船舶当前所属航段与下一个航路点之间的距离确定船舶目标航向；根据所述目标航向，基于外部环境与舵角和船速的关联关系，以航向和舵角为限制条件，采用PID航向控制方法调整船舶航向；
航速控制模块，用于若船舶未偏离预设的计划航线，根据所述船舶运行信息，采用预设的二分法对船舶的航速进行调整。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器；
所述存储器上存储有可被所述处理器执行的计算机可读程序；
所述处理器执行所述计算机可读程序时实现如权利要求1-7所述的船舶进港航迹控制方法中的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1-7所述的船舶进港航迹控制方法中的步骤。
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