一种船舶防碰撞控制系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种船舶防碰撞控制系统及其设计方法，其特征在于，包括：船舶运动模块、路径跟踪制导模块、人机共融制导模块；船舶运动模块的输入端与人机共融制导模块的输出端相连、输出端与路径跟踪制导模块和人机共融制导模块的输入端相连；路径跟踪制导模块的输入端与船舶运动模块的输出端相连、输出端与人机共融制导模块的输入端相连；人机共融制导模块的输入端与船舶运动模块和路径跟踪制导模块的输出端相连、输出端与船舶运动模块的输入端相连。本发明专利技术基于无人水面船舶和障碍物之间的距离，引入人类驾驶员的活动参数，通过调节共融控制权从而缓和人机共驾的冲突，能够强制执行约束或在有意图时采取最佳行动，充分发挥人类和自动化协调能力。类和自动化协调能力。类和自动化协调能力。

【技术实现步骤摘要】
一种船舶防碰撞控制系统及其设计方法


[0001]本专利技术涉及船舶运动控制
，尤其是一种船舶防碰撞控制系统及其设计方法。

技术介绍

[0002]船舶防碰撞操纵指船舶在不同海洋环境下能安全有效地避开各种障碍物，顺利到达目的地，既要遵循海上船舶避让规则，同时规避还需要具备实时性。目前，无人水面船舶自主防碰撞所涉及到的障碍物分为两种：一是静态障碍物，主要是礁石、浅滩、水面上的浮标等；二是动态障碍物，主要是航行中的船舶等。而船舶自主防碰撞可分为已知的全局避障规划和行驶过程中未知的局部避障规划。其中全局避障通常是在全局环境已知的情况下，寻求规避障碍物最优的运动轨迹或路径，适用于针对静态障碍物的避障；局部避障是指在局部环境未知的情况下，船舶根据探测到的实时环境信息，自主避让突遇的未知障碍物，使船舶安全完成行驶任务，一般适用于规避船舶的动态避障规划。在现有的船舶自主防碰撞系统中，存在下列不足：第一、现有针对静态障碍物的全局避障研究中，通常将船舶视为质点，忽视了对安全距离的约束往往无法安全及时的规避障碍。第二、现有的无人水面船舶防碰撞通常使用单纯的运动操纵模型，该模型非线性且不确定性高，对水路航行有较差的适应性，难以满足复杂的海面情况，不能达到船舶避障效率和航行舒适性的平衡。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种船舶防碰撞控制系统及其设计方法，以克服以上问题。
[0004]本专利技术系统包括：船舶运动模块、路径跟踪制导模块、人机共融制导模块；
[0005]船舶运动模块用于输出船舶的位置信息；所述船舶运动模块的输入端与人机共融制导模块的输出端相连，所述船舶运动模块的输出端与路径跟踪制导模块和人机共融制导模块的输入端相连；
[0006]路径跟踪制导模块用于设计路径跟踪制导律ψ
LOS
和参数化更新律，控制船舶航行路径；所述路径跟踪制导模块的输入端与船舶运动模块的输出端相连，所述路径跟踪制导模块的输出端与人机共融制导模块的输入端相连；
[0007]人机共融制导模块用于设计人机共融制导律，控制驾驶员的指令和路径跟踪制导模块对船舶航行的控制比重；所述人机共融制导模块的输入端与船舶运动模块和路径跟踪制导模块的输出端相连，所述人机共融制导模块的输出端与船舶运动模块的输入端相连。
[0008]进一步地，位置信息通过以下策略获得：
[0009]步骤1、计算船舶位置信息的导数：
[0010][0011]其中，分别船舶位置信息(x,y)x轴位置坐标、y轴位置坐标的导数；ψ代表地
球坐标系下船舶的艏摇角，U表示防碰撞船舶的纵荡速度、横荡速度的合速度，U为根据经验设定，β表示防碰撞船舶的侧滑角，防碰撞船舶的侧滑角β为根据经验设定，β∈(
‑
π,π]；
[0012]步骤2、根据船舶位置坐标导数，自动生成船舶的x轴位置坐标x、船舶的y轴位置坐标y。
[0013]进一步地，路径跟踪制导律ψ
LOS
通过以下公式获得：
[0014][0015]其中，ψ
LOS
表示路径跟踪制导律，表示规划路径的切向角，和表示规划路径(x
d
(θ),y
d
(θ))中规划横坐标x
d
(θ)的导数，表示规划路径(x
d
(θ),y
d
(θ))中规划纵坐标y
d
(θ)的导数，e表示根据经验设定的沿规划路径的纵向跟踪误差，Δ表示根据经验设定的前视距离，Δ∈R；规划路径(x
d
(θ),y
d
(θ))为根据经验设定。
[0016]进一步地，参数更新律通过以下公式获得：
[0017][0018]其中，表示参数更新律，表示理想速度，k表示根据经验设定的恒定增益参数，k＞0，s表示根据经验设定的沿规划路径的横向跟踪误差；ψ
d
表示根据经验设定的期望航向角。
[0019]进一步地，人机共融制导律的计算公式为：
[0020]ψ
cmd
＝λψ
H
+(1
‑
λ)ψ
LOS
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0021]其中，ψ
cmd
表示人机共融制导律，ψ
H
表示驾驶员设置的控制指令，λ表示驾驶员参与动态决策的权值因子；ψ
LOS
表示路径跟踪制导律。
[0022]进一步地，驾驶员参与动态决策的权值因子λ的计算公式为：
[0023][0024]其中，为视距传感器所测得障碍物和船舶的距离，p
o
＝(x
o
,y
o
)为视距传感器所测得的障碍物在地球坐标系下的位置坐标，γ
ρ
为增益参数，ρ
safe
为距离障碍物的安全距离，ρ
danger
为距离障碍物的危险距离；；x代表地球坐标系船舶的x轴位置坐标、y代表地球坐标系下船舶的y轴位置坐标；距离障碍物的安全距离ρ
safe
、距离障碍物的危险距离ρ
danger
、增益参数γ
ρ
均为根据经验设定。
[0025]本专利技术方法包括以下步骤：
[0026]步骤1、建立船舶运动模块，获取船舶位置信息(x,y)；
[0027]步骤2、根据经验设定船舶参数化路径信息，根据步骤1的船舶位置信息、船舶参数化路径信息，获取路径跟踪制导律ψ
LOS
和参数化更新律，建立模块路径跟踪制导模块；
[0028]步骤3、根据路径跟踪制导律ψ
LOS
和基于目标船舶与障碍物的视距ρ，获得人机共融权值λ，建立人机共融制导模块，设计人机共融制导律，控制驾驶员的指令和路径跟踪制导模块对船舶航行的控制比重；目标船舶与障碍物的视距ρ通过船舶上的传感器获取。
[0029]进一步地，步骤1中建立船舶运动模块包括：
[0030]步骤11、计算船舶位置信息的导数：
[0031][0032]其中，分别船舶位置信息(x,y)x轴位置坐标、y轴位置坐标的导数；ψ代表地球坐标系下船舶的艏摇角，U表示防碰撞船舶的纵荡速度、横荡速度的合速度，U为根据经验设定，β表示防碰撞船舶的侧滑角，防碰撞船舶的侧滑角β为根据经验设定，β∈(
‑
π,π]；
[0033]步骤12、根据船舶位置坐标导数，自动生成船舶的x轴位置坐标x、船舶的y轴位置坐标y。
[0034]进一步地，步骤2中建立路径跟踪制导模块包括：
[0035]步骤21、设计路径跟踪制导律，所述路径跟踪制导律用于控制船舶航向：
[0036][0037]其中，ψ
LOS
表示路径跟踪制导律，表示规划路径的切向角，和表示规划路径(x
d
(θ),y
d
(θ))中规划横本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶防碰撞控制系统，其特征在于，包括：船舶运动模块、路径跟踪制导模块、人机共融制导模块；船舶运动模块用于输出船舶的位置信息；所述船舶运动模块的输入端与人机共融制导模块的输出端相连，所述船舶运动模块的输出端与路径跟踪制导模块和人机共融制导模块的输入端相连；路径跟踪制导模块用于设计路径跟踪制导律ψ
LOS
和参数化更新律，控制船舶航行路径；所述路径跟踪制导模块的输入端与船舶运动模块的输出端相连，所述路径跟踪制导模块的输出端与人机共融制导模块的输入端相连；人机共融制导模块用于设计人机共融制导律，控制驾驶员的指令和路径跟踪制导模块对船舶航行的控制比重；所述人机共融制导模块的输入端与船舶运动模块和路径跟踪制导模块的输出端相连，所述人机共融制导模块的输出端与船舶运动模块的输入端相连。2.根据权利要求1所述的一种船舶防碰撞控制系统，其特征在于，所述位置信息通过以下策略获得：步骤1、计算船舶位置信息的导数：其中，分别船舶位置信息(x,y)x轴位置坐标、y轴位置坐标的导数；ψ代表地球坐标系下船舶的艏摇角，U表示防碰撞船舶的纵荡速度、横荡速度的合速度，U为根据经验设定，β表示防碰撞船舶的侧滑角，防碰撞船舶的侧滑角β为根据经验设定，β∈(
‑
π,π]；步骤2、根据船舶位置坐标导数，自动生成船舶的x轴位置坐标x、船舶的y轴位置坐标y。3.根据权利要求1所述的一种船舶防碰撞控制系统，其特征在于，所述路径跟踪制导律ψ
LOS
通过以下公式获得：其中，ψ
LOS
表示路径跟踪制导律，表示规划路径的切向角，和表示规划路径(x
d
(θ),y
d
(θ))中规划横坐标x
d
(θ)的导数，表示规划路径(x
d
(θ),y
d
(θ))中规划纵坐标y
d
(θ)的导数，e表示根据经验设定的沿规划路径的纵向跟踪误差，Δ表示根据经验设定的前视距离，Δ∈R；规划路径(x
d
(θ),y
d
(θ))为根据经验设定。4.根据权利要求1所述的一种船舶防碰撞控制系统，其特征在于，所述参数更新律通过以下公式获得：其中，表示参数更新律，表示理想速度，k表示根据经验设定
的恒定增益参数，k＞0，s表示根据经验设定的沿规划路径的横向跟踪误差；ψ
d
表示根据经验设定的期望航向角。5.根据权利要求1所述的一种船舶防碰撞控制系统，其特征在于，所述人机共融制导律的计算公式为：ψ
cmd
＝λψ
H
+(1
‑
λ)ψ
LOS
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，ψ
cmd
表示人机共融制导律，ψ
H
表示驾驶员设置的控制指令，λ表示驾驶员参与动态决策的权值因子；ψ
LOS
表示路径跟踪制导律。6.根据权利要求4所述的一种船舶防碰撞控制系统的设计方法，其特征在于，驾驶员参与动态决策的权值因子λ的计算公式为：其中，为视距传感器所测得障碍物和船舶的距离，p
o
＝(x
o
,y
o
)为视距传感器所测得的障碍物在地球坐标系下的位置坐标，γ
ρ
为增益参数，ρ
safe
为距离障碍物的安全距离，ρ
danger
为距离障碍物的危险距离；；x代表地球坐标系船舶的x轴位置坐标、y代表地球坐标系下船舶的y轴位置坐标；距离障碍物的安全距离ρ
safe
、距离障碍物的危险距离ρ
danger
、增益参数γ
ρ
均为根据经验设定。7.基于权力要...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭周华，阮明昊，王安青，王冠杰，王丹，刘陆，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：