一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，包括建立第一、第二虚拟小船、虚构小船、本船数学模型；根据航路点产生全局参考路径，第一虚拟小船基于全局参考路径航行；设置虚构小船的探测范围，根据探测范围判断本船与障碍船是否存在碰撞危险，当不存在碰撞危险时，第二虚拟小船跟随第一虚拟小船航行，本船跟随第二虚拟小船航行；当存在碰撞危险时，基于速度障碍法原理和虚构小船位置信息，计算避障参考信号，第二虚拟小船基于避障参考信号进行避障，本船根据控制系统跟随第二虚拟小船航行。能够同时保证船舶的全局路径跟踪和局部避障规划，通过将控制输入离散化减少了船舶通信负担。化减少了船舶通信负担。化减少了船舶通信负担。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶控制工程及船舶自动化航行装备应用领域，尤其涉及一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法。

技术介绍

[0002]在航海领域，欠驱动船舶路径跟踪控制系统由导航、制导和控制3个子系统构成
[1,2]。制导系统根据当前船舶所执行航行任务，基于船舶此时与期望路径之间的位置关系，自动解算出参考船舶航向信息，并将信号传到控制系统；控制系统根据制导系统传送的参考信号，通过镇定此时船舶姿态与参考船舶航向之间的误差使系统实现有效且稳定的收敛；导航系统将能够将本船及目标船舶或物体的位置、姿态等信息通过GPS等传感器传送到制导和控制系统。三个子系统保证船舶的路径跟踪任务得以稳定的进行。
[0003]对于制导系统，传统的制导方法大多数仅考虑船舶的路径跟踪任务。视距法(LOS)和基于航路点的动态小船法(DVS)被广泛应用于船舶制导中
[3]。但实际航行环境中，船舶会不可避免地遇到障碍物，特别是移动的障碍船舶，这也成为威胁船舶安全航行最大的威胁因素之一
[4,5]，并且当障碍船舶采取危险行为时，目前制导算法并不能为船舶提供有效的避障参考信号。如近几年严重的“桑吉轮”事故，便是由于两船未及时采取避碰行为，并且其中一船采取了恶化碰撞局面的行为，从而导致事故的发生。
[0004]对于控制系统，当船舶航行在实际海洋环境中会受到海风和海浪的影响，船舶闭环控制系统会因此发生抖震
[6]，未保证系统稳定，控制输入需要频繁更新，这会对过度占用船载计算机的资源并加快了舵机的磨损
[7]。
[0005]基于以上分析，常规欠驱动船舶路径跟踪任务制导和控制算法目前还存在以下2点缺陷：
[0006]1、传统的船舶制导算法无法不能引导船舶在遇到移动障碍船舶时进行路径跟踪任务。
[0007]2、船舶受海洋环境扰动情况下，控制输入频繁更新，控制输入更容易发生抖震，过度占用计算机资源以及增大通信信道传输负载。
[0008]基于航路点的LVS制导算法在船舶运动控制领域具有广泛的应用
[8]，虽然可以令船舶完成路径跟踪任务，但船舶在航行时不可避免地会遇到障碍物，特别是移动的障碍船舶，这会极大的威胁船舶的安全航行
[9]。并且对于移动障碍船舶，避障行为必须符合国际避碰规则
[10]。目前虽然存在诸多避障算法，如遗传算法，蚁群算法等。这些算法虽然可以获得可行的避障信号，但大都需要对环境以及障碍物进行提前建模，计算复杂，消耗大量计算机资源，实时性不强，很难应用到实际工程中
[11]。另外在很多碰撞事故中，障碍船舶采取了恶化会遇局面的行为是主要的事故原因。因此开发一种计算简便，实时性较强，并且具有较强的反应性以应对障碍船危险行为的避障制导算法对于船舶的安全航行具有重要的意义。
[0009]对于船舶运动控制算法，在复杂海洋环境下，为保证闭环系统的稳定性以及控制效果。控制输入需要不断地更新，甚至长时间的进行抖震
[12]，这会过度占用通信信道和计
算机资源，进而导致舵机磨损，影响控制系统的稳定性。若可以将控制输入离散化并收敛到有限的集合内，同时保证控制效果，那么船舶通信信道可以得到极大的缓解，在一定程度上节约计算机资源。
[0010]基于以上分析，常规欠驱动船舶制导与控制算法存在以下两点缺陷：
[0011]现有制导算法对于移动障碍船舶，特别是采取危险行为的障碍船，很难实时地得到有效避障信号，无法保障船舶安全航行。
[0012]现有控制算法在受复杂海洋环境扰动下，会过度占用计算机和通信信道资源，造成控制系统的传输负载过大，降低控制效果。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，包括，步骤1、建立第一虚拟小船、第二虚拟小船、虚构小船、本船数学模型；根据航路点产生全局参考路径，第一虚拟小船基于全局参考路径航行；步骤2、设置虚构小船的探测范围，通过GPS传感器获取障碍船的位置信息，计算障碍船与本船之间的空间距离，根据探测范围与所述空间距离的大小关系判断本船与障碍船是否存在碰撞危险，当空间距离大于探测范围时，表示不存在碰撞危险，则第二虚拟小船跟随第一虚拟小船航行，本船跟随第二虚拟小船航行；所述第二虚拟小船跟随第一虚拟小船航行是指基于第一虚拟小船与第二虚拟小船位置信息，计算跟随参考信号，第二虚拟小船根据跟随参考信号进行跟随；当空间距离小于等于探测范围时，表示存在碰撞危险，则基于速度障碍法原理和虚构小船位置信息，计算避障参考信号，第二虚拟小船基于避障参考信号进行避障，本船跟随第二虚拟小船航行；所述本船跟随第二虚拟小船航行是指基于本船与第二虚拟小船的位置关系，计算本船参考航向信息，本船控制系统根据本船参考航向信息、本船当前船舶姿态信息控制本船航行。2.根据权利要求1所述的一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，所述本船控制系统根据本船参考航向信息、本船当前船舶姿态信息控制本船航行包括，步骤2a、建立本船的欠驱动船舶运动学数学模型，根据第二虚拟小船计算本船的参考轨迹；步骤2b、根据本船的当前姿态以及第二虚拟小船的当前姿态，计算本船的制导信号，所述制导信号为参考航向角信号；步骤2c、根据本船与第二虚拟小船的位置关系，计算本船与第二虚拟小船的横纵坐标误差、位置和艏向角误差项；计算位置和艏向角误差项的导数；步骤2d、通过前进速度虚拟控制律、艏摇角速度虚拟控制律调整位置和艏向角误差项，再次根据动态面控制技术调整位置和艏向角误差项；步骤2e、根据事件触发机制将输入至控制器的参数离散化并限制在有限集合中，所述参数包括本船的舵角、前进速度虚拟控制律、艏摇角速度虚拟控制律；步骤2f、定义本船前进速度、本船艏摇角速度的误差动态，对本船前进速度、本船艏摇角速度的误差动态求导，构建鲁棒神经阻尼项，根据鲁棒神经阻尼项调整求导后的本船前进速度、本船艏摇角速度的误差动态；定义变量D
u
和D
r
，D
u
表示前进运动方向上的符合扰动项的最大值，D
r
表示艏摇运动方向上的符合扰动项的最大值，根据D
u
和D
r
处理海洋扰动；设计关于本船主机转速和舵角的鲁棒自适应神经控制律和增益相关自适应律，根据鲁棒自适应神经控制律、增益相关自适应律计算本船的主机转速和舵角，控制系统根据主机转速和舵角控制本船航行。3.根据权利要求1所述的一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，所述建立第一虚拟小船、第二虚拟小船、虚构小船、本船数学模型是指通过公式(1)建立第一虚拟小船、第二虚拟小船数学模型，通过公式(2)建立虚构小船数学模型，根
据公式(3)建立本船数学模型，据公式(3)建立本船数学模型，据公式(3)建立本船数学模型，其中，(u
dl
，r
dl
)为第l虚拟小船的速度和角速度；R
p
表示船舶领域半径，c
p
表示虚构小船与第二虚拟小船之间的角度；x
dl
为第l虚拟小船的位置坐标的横坐标，y
dl
为第l虚拟小船的位置坐标的纵坐标，ψ
dl
为第l虚拟小船的艏向角；l＝1，2；为第l虚拟小船的位置坐标的横坐标的一阶微分、为第l虚拟小船的位置坐标的纵坐标的一阶微分、为第l虚拟小船的艏向角的一阶微分、θ
p
为虚构小船的位置坐标的艏向角、y
p
为虚构小船的位置坐标的纵坐标、x
p
为虚构小船的位置坐标的横坐标、x
d2
第二虚拟小船的位置坐标的横坐标、y
d2
第二虚拟小船的位置坐标的纵坐标、ψ
d2
为第二虚拟小船的艏向角；y表示本船前进速度，v表示本船横荡速度，r表示本船艏摇角速度，x表示惯性坐标系下本船的船舶位置的横坐标，y表示惯性坐标系下本船的船舶位置的纵坐标，ψ表示惯性坐标系下本船的船舶位置的艏摇角；表示惯性坐标系下本船的船舶位置的横坐标的一阶微分、表示惯性坐标系下本船的船舶位置的纵坐标的一阶微分、表示惯性坐标系下本船的船舶位置的艏摇角的一阶微分。4.根据权利要求1所述的一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，所述虚构小船的探测范围是指R
v
，R
o
，R
i
的总和，其中R
v
表示船舶转向过程的补偿值，R
o
表示障碍船危险行为的补偿值，R
i
表示不同规格障碍船的安全范围。5.根据权利要求1所述的一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，所述基于速度障碍法原理和虚构小船位置信息，计算避障参考信号是指根据公式(4)计算本船船舶位置的艏摇角，以本船船舶位置的艏摇角作为避障参考信号，其中，V
R0
表示期望的本船和障碍船之间相对速度；V
o
表示障碍船船速；ψ
o
表示障碍船的航向；V表示本船船速；ψ表示本船船舶位置的艏摇角。6.根据权利要求2所述的一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，所述步骤2a具体包括，建立本船的欠驱动船舶运动学数学模型是指根据公式(5)建立本船的数学模型，
其中，n表示本船的主机转速，δ表示本船的舵角，f
u
(v)表示本船前进速度的非线性函数，f
v
(v)表示本船横荡速度的非线性函数，f
r
(v)表示本船艏摇角速度的非线性函数，f
u
(v)，f
v
(v)，f
r
(v)用于描述高阶流体动力影响，d
wu
表示本船前进速度的外界海洋环境干扰，d
wv
表示本船横荡速度的外界海洋环境干扰，d
wr
表示本船艏摇角速度的外界海洋环境干扰，m
u
表示本船前进速度的位置模型参数，m
v
表示本船横荡速度的位置模型参数，m
r
表示本船艏摇角速度的位置模型参数，T
u
(
·
)表示本船前进速度的未知控制增益函数，F
r
(
·
)表示本船艏摇角速度的未知控制增益函数，u表示本船前进速度，v表示本船横荡速度，表示本船前进速度的一阶微分、表示本船横荡速度的一阶微分、表示本船艏摇角速度的一阶微分，T
u
(
·
)，F
r
(
·
)根据公式(6)表示未知控制增益函数，其中，ρ
w
表示海水密度；D
p
表示螺旋桨的直径；J
p
表示螺旋桨的进速系数；K
T
表示螺旋桨推力系数；t
p
表示作用在船体水动力干涉程度；α
H
表示作用在舵上的力矩之间的干涉程度；x
R
表示舵叶的x坐标轴上的坐标；x
H
表示船舶重心的x坐标轴上的坐标；A
R
表示舵的面积；λ
R
表示舵的纵横比；表示船舶前进速度，n表示本船的主机转速，δ表示本船的舵角；所述根据第二虚拟小船计算本船的参考轨迹是根据公式(7)计算本船的参考轨迹，其中，表示第2虚拟小船的位置坐标的横坐标的一阶微分、表示第2虚拟小船的位置坐标的纵坐标的一阶微分、表示第2虚拟小船的艏向角的一阶微分、u
d2
表示第2虚拟小船的前进速度、r
d2
表示第2虚拟小船的艏摇角速度、ψ
d2
表示第2虚拟小船的艏向角。7.根据权利要求2所述的一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，所述根据本船的当前姿态以及第二虚拟小船的当前姿态，计算本船的制导信号是根据公式(8)、(9)计算，
ψ
r
表示制导信号，ψ
d2
表示第2虚拟小船的艏向角，x
e
表示第2虚拟小船和本船之间的横坐标误差，y
e
表示第2虚拟小船和本船之间的纵坐标误差，z
e
表示第2虚拟小船和本船之间的位置误差，ψ
e
表示本船和制导信号的艏向角误差。8.根据权利要求2所述的一种考虑障碍船危险行为的船舶动态避障制导与控制方法，其特征在于，所述步骤2d包括根据公式(10)设计虚拟控制律α
u
，α
r
，用于调整误差项z
e
，ψ
e
，其中，α
u
表示前进速度虚拟控制律、α
r
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国庆，高申，刘上，李纪强，吕红光，肖仲明，尹勇，张显库，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：