CN117291020B - 一种欠驱动船舶的靠泊导引方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，涉及船舶智能航行技术领域，包括以下步骤：将船舶靠泊路径长度以相同的间隔均分为若干个插值点，作为靠泊航迹点的备选点集；在备选点集中进行搜索，找出与船舶距离最近的点作为基准点，并以此为基准向前推演找出目标点；以选取的基准点与目标点所在直线作为航迹线设计直线视线导航法；并基于非线性观测器对靠泊过程中风流干扰产生的漂角进行观测，以设计基于侧滑角补偿的改进LOS制导律；根据船舶与泊位的距离，并采用分段函数的方式确定靠泊过程中实时的指令航速。本发明可根据靠泊规划路径为船舶的靠泊控制提供实时的航向与航速指令，有效提升了靠泊导引的灵活性和控制精度。

Description

一种欠驱动船舶的靠泊导引方法

技术领域

本发明涉及船舶智能航行技术领域，特别是涉及一种欠驱动船舶的靠泊导引方法。

背景技术

为推进智能船舶的发展，使船舶更加安全、环保、经济、可靠，作为船舶智能化自主航行“最后一公里”的关键，船舶自动靠泊技术势在必行。但由于船舶靠泊工作环境复杂，靠泊时低速导致的舵效差、岸壁效应等带来的影响，使得船舶靠泊变得更加复杂和困难。靠泊导引是船舶自动靠泊中重要的一步，不同于航迹跟踪导引，靠泊导引是在小尺度范围内的航向与航速导引，其导引的合理性直接影响自动靠泊的成功率。

因此，如何提供一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，可根据靠泊规划路径为船舶的靠泊控制提供实时的航向与航速指令是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，旨在解决上述技术问题。本发明提出的一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，可根据靠泊规划路径为船舶的靠泊控制提供实时的航向与航速指令。

为了实现上述目的，本发明提供了一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，包括以下步骤：

S1、生成靠泊路径的插值点：将船舶靠泊路径长度以相同的间隔均分为若干个插值点，作为靠泊航迹点的备选点集；

S2、确定船舶基准点与目标点：在所述备选点集中进行搜索，找出与所述船舶距离最近的点作为基准点，并以此为基准向前推演找出目标点；

S3、基于侧滑角补偿的视线导航法设计：以步骤二选取的所述基准点与所述目标点所在直线作为航迹线设计直线视线导航法；并基于非线性观测器对靠泊过程中风流干扰产生的漂角进行观测，以设计基于侧滑角补偿的改进LOS制导律；

S4、确定船舶靠泊过程中的指令航速：根据船舶与泊位的距离，并采用分段函数的方式确定靠泊过程中实时的指令航速。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供的一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，通过将靠泊路径以相同的间隔分为若干个插值点，然后采用搜索的方式确定与本船最近的基准点，并以此为基准向前推演确定目标点，为靠泊中的船舶提供了动态导引，有效提升了靠泊导引的灵活性；另外，根据船舶靠泊基准点与目标点连接而成的航迹线，采用改进的视线导航算法进行航迹线跟踪，通过设计非线性观测器准确的观测出靠泊过程中风流干扰产生的漂角并进行补偿，有效提高靠泊控制的精度，确保靠泊任务顺利完成。

作为上述技术方案的进一步改进，S1具体包括：根据实际靠泊过程将船舶靠泊分解为直线靠近阶段和弧线靠泊阶段，所述直线靠近阶段和所述弧线靠泊阶段对应的船舶路径分别为直线段和圆弧段；所述直线段的终点与所述圆弧段的起点相衔接；对组成船舶靠泊路径的所述直线段与所述圆弧段分别进行离散化生成插值点；

所述直线段的离散化插值点选取方法为：

式中，(x₀,y₀)为直线段起点，(x₁,y₁)为直线段终点，d表示选定的插值点间隔，(x_i,y_i)为生成的插值点，D_line表示直线段起点与终点的直线距离，θ_line表示直线段终点相对于起点的方位角；

所述圆弧段的离散化插值点选取方法为：

式中，(x₁,y₁)为直线段终点与圆弧段起点，(x_center,y_center)为圆弧段的圆心位置，θ_rot为圆弧段弧长所对应的圆心角角度，R表示圆弧段半径，d表示采样间隔，(x_j,y_j)表示生成的插值点；

将生成的直线段插值点(x_i,y_i)与圆弧段插值点(x_j,y_j)顺序排列组成插值点集，作为船舶航迹点的备选点集(x_k,y_k)，

作为上述技术方案的进一步改进，S2具体包括：在靠泊控制周期内，每个周期对靠泊路径的所有插值点均进行遍历，找出距离船舶当前位置最近的点(x_b,y_b)作为基准点，以此基准点作为第一个航迹点，并前推n个点(x_b+n,y_b+n)作为目标点，点数n可由下式求得，

式中：fix为取整函数，l_Δ为前推距离，N为航迹点集中航迹点的个数。

作为上述技术方案的进一步改进，S3具体包括：以S2选取的基准点(x_b,y_b)与目标点(x_b+n,y_b+n)所在直线为航迹线设计直线视线导航算法；

首先根据两点计算航迹向角，如下式所示：

则船舶距离航线的横向距离计算如下式所示：

e_b＝-(x_b+n-x_b)sin(ψ_b)+(y_b+n-y_b)cos(ψ_b)

对上式求导得航迹误差模型，如下式所示：

式中：u为船舶纵向速度，ψ为航向角，β为由于船舶靠泊过程中风、流干扰造成的侧滑角，为未知量；

设侧滑角相关参数为ρ＝tanβ，由于参数ρ为未知参数，根据非线性观测器原理设计船舶横向距离误差观测器，如下式所示：

式中：为观测误差，/>为船舶横向距离的观测值；k_e为观测器参数，其值大于0；/>为tanβ的估计值，并定义/>为参数估计误差；

根据横向距离误差观测器，设计侧滑角估计量的自适应变化率如下式所示：

式中：k_ρ为侧滑角估计量的自适应率对应的参数；

根据观测器输出的跟踪误差估计值重新设计LOS制导律，并基于侧滑角估计值对靠泊过程中风、流干扰造成的侧滑角进行补偿，以港内航迹跟踪的控制精度，则可设计出基于侧滑角补偿的改进LOS算法，如下式所示：

式中：ψ_z为最终基于侧滑角补偿的改进LOS制导律输出的航向指令，Δ为算法的前视距离参数。

作为上述技术方案的进一步改进，S4具体包括：基于距离的船舶靠泊航速导引的分段函数表达式为：

式中，d为船舶到泊位的距离，d_lim为船舶开始减速的临界距离，V_max为船舶靠泊未进入减速段时的航速；V_min为船舶抵达泊位时的余速。

作为上述技术方案的进一步改进，船舶实际靠泊过程中，船舶在抵达泊位时航速不大于1kn。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，具有以下优点及有益效果：

1、本发明的一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，将靠泊路径以相同的间隔分为若干个插值点，然后采用顺序搜索的方式确定与本船最近的基准点与目标点，为靠泊中的船舶提供动态导引，有效提升靠泊导引的灵活性。

2、本发明的一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，根据船舶靠泊基准点与目标点连接而成的航迹线，采用改进的视线导航算法进行航迹线跟踪，通过设计非线性观测器准确的观测出靠泊过程中风流干扰产生的漂角并进行补偿，有效提高靠泊控制的精度；且在船舶在实际靠泊过程中，船舶航速随着与泊位的距离越来越近而减小，并且为了保护船舶安全，船舶在抵达泊位时航速不能大于1kn，确保靠泊任务顺利完成。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1本发明一种欠驱动船舶的靠泊导引方法的靠泊规划路径示意图；

图2本发明一种欠驱动船舶的靠泊导引方法的实际靠泊路径曲线示意图；

图3本发明一种欠驱动船舶的靠泊导引方法靠泊过程中航速变化曲线示意图；

图4本发明一种欠驱动船舶的靠泊导引方法靠泊过程中导引航向与实际航向变化曲线；

图5本发明一种欠驱动船舶的靠泊导引方法靠泊过程中桨舵变化曲线。

图中：1、直线段；2、圆弧段；3、泊位。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明设计了一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，其整体包括四个部分：靠泊路径的插值点生成、航迹点选取、基于漂角观测的视线导航算法与基于微分跟踪器的航向角速度指令计算。首先，本发明根据靠泊路径的长度，将靠泊路径以相同的间隔均分为若干个插值点，作为靠泊航迹点的备选点集；其次对航迹点进行搜索，找出与本船距离最近的点作为航迹起点，并以此向前推演找出航迹终点；然后根据两个航迹点设计采用视线导航法的导引律，并基于非线性观测器对靠泊过程中风流干扰产生的漂角进行观测，以提高靠泊控制精度；最后，根据船长靠泊时对船舶航速的控制，采用分段函数的方式根据船舶与泊位的距离确定靠泊过程中实时的指令航速。

如图1至图5所示，本实施例提供了一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，包括以下步骤：

S1：船舶靠泊路径的插值点生成

在实际的靠泊过程中，船长会根据到码头的方位与距离向码头直线驶去，在临近码头时以弧线的方式切入泊位，以保证船舶最终停泊艏向角与泊位方位角一致。因此可根据实际靠泊过程将船舶靠泊分解为直线靠近阶段与弧线靠泊阶段，对应的路径分别为直线段1和圆弧段2；直线段1的终点与圆弧段2的起点相衔接。本实施例对组成靠泊路径的直线段1与圆弧段2分别进行离散化插值点选取，其方法如下。

直线段1的离散化插值点选取方法如下式所示：

式中，(x₀,y₀)为直线段1起点，(x₁,y₁)为直线段1终点，d表示选定的插值点间隔，(x_i,y_i)为生成的插值点，D_line表示直线段1起点与终点的直线距离，θ_line表示直线段1终点相对于起点的方位角。

圆弧段的离散化插值点选取方法如下式所示：

式中，(x₁,y₁)为直线段1终点与圆弧段2起点，(x_center,y_center)为圆弧段2的圆心位置O，θ_rot为圆弧段2弧长所对应的圆心角角度，R表示圆弧段2半径，d表示采样间隔，(x_j,y_j)表示生成的插值点。

将生成的直线段1插值点(x_i,y_i)与圆弧段2插值点(x_j,y_j)顺序排列组成插值点集，作为船舶航迹点的备选点集(x_k,y_k)，

S2：船舶基准点与目标点选取

在靠泊控制周期内，每个周期对靠泊路径的所有插值点进行遍历，找出距离船舶当前位置最近的点(x_b,y_b)作为基准点，并以此基准点作为第一个航迹点(即航迹起点)前推n个点(x_b+n,y_b+n)作为目标点(即航迹终点)，点数n可由下式求得：

式中：fix为取整函数，l_Δ为前推距离，N为航迹点集中航迹点的个数。

S3：基于侧滑角补偿的视线导航法设计

以S2步骤中选取的基准点(x_b,y_b)与目标点(x_b+n,y_b+n)所在直线为航迹线设计直线视线导航算法。首先根据两点计算航迹向角，如下式所示：

则船舶距离航线的横向距离计算如下式所示：

e_b＝-(x_b+n-x_b)sin(ψ_b)+(y_b+n-y_b)cos(ψ_b)

对上式求导得航迹误差模型，如下式所示：

式中：u为船舶纵向速度，ψ为航向角，β为由于船舶靠泊过程中风、流干扰造成的侧滑角，为未知量。

设侧滑角相关参数为ρ＝tanβ，则可将误差模型转换为如下形式；由于参数ρ为未知参数，根据非线性观测器原理设计船舶横向距离误差观测器如下式所示：

式中：为观测误差，/>为船舶横向距离的观测值；k_e为观测器参数，其值大于0；/>为tanβ的估计值，并定义/>为参数估计误差。

根据横向距离误差观测器，设计侧滑角估计量的自适应变化率，如下式所示：

式中：k_ρ为侧滑角估计量的自适应率对应的参数。

根据观测器输出的跟踪误差估计值重新设计LOS制导律，并基于侧滑角估计值对靠泊过程中风、流干扰造成的侧滑角进行补偿，以提高港内航迹跟踪的控制精度，则可设计出基于侧滑角补偿的改进LOS算法，如下式所示：

式中：ψ_z为最终基于侧滑角补偿的改进LOS制导律输出的航向指令，Δ为算法的前视距离参数。

S4：靠泊过程中的指令航速确定

船舶在实际靠泊过程中，船舶航速随着与泊位的距离越来越近而减小，并且为了保护船舶安全，船舶在抵达泊位时航速不能大于1kn。对于靠泊过程中航速的规划，本实施例吸取了船长靠泊时对航速控制的经验，总结出了一种基于距离的靠泊航速导引方法，其表达式下所示：

式中，d为船舶到泊位的距离，d_lim为船舶开始减速的临界距离，V_max为船舶靠泊未进入减速段时的航速；V_min为船舶抵达泊位时的余速，通常设置为1kn。

为了验证本实施例设计的靠泊导引算法的有效性，本实施例以一艘300t级的海巡船作为被控对象，以一条直线段1与圆弧段2相衔接所组成的靠泊路径作为靠泊规划路径，最终控制海巡船停靠在泊位3位置。如图1所示，其中圆弧段的半径为300m；靠泊过程中船舶航向采用PID型自动舵，并采用Bang-Bang控制通过螺旋桨怠速与躺航的方式对航速进行控制，仿真结果如图2至图5所示。

由图2的靠泊结果可以看出，本实施例设计的导引律能够使船舶准确的跟踪规划路径，并且能够确保船舶顺利靠泊，证明了本发明设计的靠泊导引算法的有效性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、生成靠泊路径的插值点：将船舶靠泊路径长度以相同的间隔均分为若干个插值点，作为靠泊航迹点的备选点集；

具体包括：根据实际靠泊过程将船舶靠泊分解为直线靠近阶段和弧线靠泊阶段，所述直线靠近阶段和所述弧线靠泊阶段对应的船舶路径分别为直线段(1)和圆弧段(2)；所述直线段(1)的终点与所述圆弧段(2)的起点相衔接；对组成船舶靠泊路径的所述直线段(1)与所述圆弧段(2)分别进行离散化生成插值点；

所述直线段(1)的离散化插值点选取方法为：

式中，(x₀,y₀)为直线段(1)起点，(x₁,y₁)为直线段(1)终点，d表示选定的插值点间隔，(x_i,y_i)为生成的插值点，D_line表示直线段(1)起点与终点的直线距离，θ_line表示直线段(1)终点相对于起点的方位角；

所述圆弧段(2)的离散化插值点选取方法为：

式中，(x₁,y₁)为直线段(1)终点与圆弧段(2)起点，(x_center,y_center)为圆弧段(2)的圆心位置，θ_rot为圆弧段(2)弧长所对应的圆心角角度，R表示圆弧段(2)半径，d表示采样间隔，(x_j,y_j)表示生成的插值点；

将生成的直线段(1)插值点(x_i,y_i)与圆弧段(2)插值点(x_j,y_j)顺序排列组成插值点集，作为船舶航迹点的备选点集(x_k,y_k)，

S2、确定船舶基准点与目标点：在所述备选点集中进行搜索，找出与所述船舶距离最近的点作为基准点，并以此为基准向前推演找出目标点；

具体包括：在靠泊控制周期内，每个周期对靠泊路径的所有插值点均进行遍历，找出距离船舶当前位置最近的点(x_b,y_b)作为基准点，以此基准点作为第一个航迹点，并前推n个点(x_b+n,y_b+n)作为目标点，点数n可由下式求得，

式中：fix为取整函数，l_Δ为前推距离，N为航迹点集中航迹点的个数；

S3、基于侧滑角补偿的视线导航法设计：以步骤二选取的所述基准点与所述目标点所在直线作为航迹线设计直线视线导航法；并基于非线性观测器对靠泊过程中风流干扰产生的漂角进行观测，以设计基于侧滑角补偿的改进LOS制导律；

具体包括：以S2选取的基准点(x_b,y_b)与目标点(x_b+n,y_b+n)所在直线为航迹线设计直线视线导航算法；

首先根据两点计算航迹向角，如下式所示：

则船舶距离航线的横向距离计算如下式所示：

e_b＝-(x_b+n-x_b)sin(ψ_b)+(y_b+n-y_b)cos(ψ_b)

对上式求导得航迹误差模型，如下式所示：

式中：u为船舶纵向速度，ψ为航向角，β为由于船舶靠泊过程中风、流干扰造成的侧滑角；

设侧滑角相关参数为ρ＝tanβ，根据非线性观测器原理设计船舶横向距离误差观测器，如下式所示：

式中：为观测误差，/>为船舶横向距离的观测值；k_e为观测器参数，其值大于0；/>为tanβ的估计值，并定义/>为参数估计误差；

根据横向距离误差观测器，设计侧滑角估计量的自适应变化率如下式所示：

式中：k_ρ为侧滑角估计量的自适应率对应的参数；

根据观测器输出的跟踪误差估计值重新设计LOS制导律，并基于侧滑角估计值对靠泊过程中风、流干扰造成的侧滑角进行补偿，以港内航迹跟踪的控制精度，则可设计出基于侧滑角补偿的改进LOS算法，如下式所示：

式中：ψ_z为最终基于侧滑角补偿的改进LOS制导律输出的航向指令，Δ为算法的前视距离参数；

S4、确定船舶靠泊过程中的指令航速：根据船舶与泊位的距离，并采用分段函数的方式确定靠泊过程中实时的指令航速；

具体包括：基于距离的船舶靠泊航速导引的分段函数表达式为：

式中，d为船舶到泊位的距离，d_lim为船舶开始减速的临界距离，V_max为船舶靠泊未进入减速段时的航速；V_min为船舶抵达泊位时的余速。

2.根据权利要求1所述一种欠驱动船舶的靠泊导引方法，其特征在于，船舶实际靠泊过程中，船舶在抵达泊位时航速不大于1kn。