一种考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法，涉及船舶靠泊技术领域，该方法包括：建立船舶靠泊操纵性能计算函数步骤，包括操纵回转半径计算函数以及附加质量计算函数；环境地图与船舶尺度信息输入与处理步骤，建立靠泊作业区域的栅格地图，输入船舶靠泊起点、终点位置，输入船舶的主尺度参数，生成船舶的碰撞检测面积并建立船舶的运动学方程；基于自动靠泊路径规划算法开展路径规划步骤，按算法流程对规划过程中的碰撞、环境信息、船舶运动方程及操纵性能计算函数进行检查、查询以及解算，获得初步的船舶靠泊路径，通过靠泊路径平滑，速度规划等计算，获得最终的靠泊路径曲线，确保船舶靠泊过程安全、顺利的开展。开展。开展。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法


[0001]本专利技术涉及船舶靠泊
，尤其是一种考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法。

技术介绍

[0002]船舶智能化是当前各国船舶工程研究人员所关注的热点，船舶智能航行的过程包含了船舶位置与障碍感知、航迹规划、船舶运动控制等方面的研究成果，而船舶的自动靠泊过程作为船舶智能航行下的一个重要应用场景，涵盖了智能航行所必备的各项关键技术。同时船舶在靠泊时由于航道航行空间有限，受风、浪、流、来往船只、碍航物以及浅水效应的影响，故而在靠泊过程中的操控较一般航行时更为困难，这也使得靠泊过程对船舶的运动规划以及控制有着更高的要求。可以认为解决了船舶的自动靠泊问题，也就基本解决了船舶智能航行的大部分难题。因此，对船舶自动靠泊技术开展研究工作有着重要的现实意义。
[0003]通常的路径规划算法有人工势场法、遗传算法、神经网络、模拟退火算法、蚁群算法等，但由于船舶所处的码头环境复杂，在靠泊阶段船舶航速低、舵效差，采用以上方法所规划得到的路径没有考虑船舶靠泊时的操纵性能，可能增加船舶靠泊时的安全本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：将船舶靠泊作业区域地图进行栅格化处理，并确定靠泊起点位姿和靠泊终点位姿在栅格化地图下的索引；初始化待搜索集合和已搜索集合，将靠泊起点作为搜索过程的初始节点加入所述待搜索集合中；从待搜索集合中获取最优待搜索节点，若最优待搜索节点的位姿索引与靠泊终点的位姿索引不同，则将所述最优待搜索节点放入所述已搜索集合中，确定最优待搜索节点的船舶最小操纵回转半径；根据最优待搜索节点和靠泊终点的位姿及船舶最小操纵回转半径，确定两点之间是否存在不发生碰撞的最短可航行曲线；若存在，则将靠泊终点作为搜索过程的终点节点放入所述已搜索集合中，并将所述最优待搜索节点作为终点节点的父节点，执行从终点节点开始依次连接其父节点直至到达所述初始节点的步骤；若不存在，则基于最优待搜索节点的位姿及船舶运动方程，采用Runge
‑
Kutta法求解不同舵角下船舶不发生碰撞时能到达的下一个靠泊节点，并将所述最优待搜索节点作为靠泊节点的父节点；将不在已搜索集合中的靠泊节点放入待搜索集合中，并重新执行所述从待搜索集合中获取最优待搜索节点的步骤；若最优待搜索节点的位姿索引与靠泊终点的位姿索引相同，则将所述最优待搜索节点作为搜索过程的终点节点放入所述已搜索集合中；在所述已搜索集合中，从终点节点开始依次连接其父节点直至到达所述初始节点，得到最优靠泊规划路径。2.根据权利要求1所述的考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法，其特征在于，所述从待搜索集合中获取最优待搜索节点的方法包括：计算所述待搜索集合中各节点的代价值nodevalue，并从低到高排序得到nodevalue序列；其中，nodevalue＝d
posxidx,posyidx
+distance
n2p
+cost
steer
·
|deg
rudder
|；若生成的随机数大于0.2，则选取代价值nodevalue最小的节点作为最优待搜索节点；若生成的随机数小于等于0.2，则从nodevalue序列中的前1/3节点中随机挑选一个节点作为最优待搜索节点；其中，所述随机数介于0～1之间；式中，d
posxidx,posyidx
为当前节点位置所在栅格索引(posxidx,posyidx)到靠泊终点位置索引的距离，distance
n2p
为当前节点位置所在栅格索引到其父节点位置索引的距离，cost
steer
为操舵的惩罚系数，deg
rudder
为船舶舵角。3.根据权利要求1所述的考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法，其特征在于，所述确定最优待搜索节点的船舶最小操纵回转半径的方法包括：将不等式C作为选择条件，确定最优待搜索节点的目标航速V
node
：C：(posx
node
‑
posx
end
)2+(posy
node
‑
posy
end
)2≤(aL)2；
式中，(posx
node
,posy
node
)为最优待搜索节点在大地坐标系下的地理位置，(posx
end
,posy
end
)为靠泊终点在大地坐标系下的地理位置，d
n2e
为最优待搜索节点到靠泊终点的距离，L为船长，a为比例系数；将最优待搜索节点所在地理位置的水深h
node
、目标航速V
node
以及当前船舶舵角deg
rudder
输入至船舶操纵回转半径计算函数fr(
·
)，得到最优待搜索节点的船舶最小操纵回转半径r
node
，r
node
＝fr(V
node
,h
node
,deg
rudder
)。4.根据权利要求1所述的考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法，其特征在于，所述根据最优待搜索节点和靠泊终点的位姿及船舶最小操纵回转半径，确定两点之间是否存在不发生碰撞的最短可航行曲线的方法包括：以最优待搜索节点在大地坐标系下的地理位置(posx
node
,posy
node
)、船舶艏向yaw
node
、船舶最小操纵回转半径r
node
，以及靠泊终点在大地坐标系下的地理位置(posx
end
,posy
end
)、船舶艏向yaw
end
、船舶最小操纵回转半径r
end
为输入数据，根据两点的几何关系作图搜索最优待搜索节点与靠泊终点之间是否存在可航行曲线；若存在多条可航行曲线，则从中选取路径最短的可航行曲线，并根据船舶圆形碰撞面积s检测当船舶沿最短可航行曲线航行时是否会与障碍物发生碰撞；若不发生碰撞，则存在不发生碰撞的最短可航行曲线；若发生碰撞，或若不存在可航行曲线，则不存在不发生碰撞的最短可航行曲线；其中，所述船舶圆形碰撞面积s的直径大于船舶船长。5.根据权利要求1所述的考虑船舶操纵性能的船舶自动靠泊路径规划方法，其特征在于，所述船舶运动方程其具体表达式为：V
s
＝[velx vely velyaw]；P
s
＝[posx posy yaw]；yaw]；式中，V
s
为船舶的速度向量，包括纵向速度velx、横向速度vely、艏向速度velyaw；P
s
为船舶的位置向量，包括大地坐标系下的地理位置(posx,posy)、艏向yaw；R(yaw)为旋转矩阵，m为船舶质量；为船舶的纵向附加质量，为船舶的横向附加质量，为船舶的艏向附加质量，分别根据以水深为变量的附加质量计算函数计算
得到；F
X
为船舶纵向受到的作用力，F
Y
为船舶横向受到的作用力，M
N
为船舶纵向受到的作用力矩，表达式为：F
X
＝X
H0
(V,d,h)+X
H
(velx,velyaw)+X
P
+X
R
(deg
rudder
)；F
Y
＝Y
H
(vely,velyaw)+Y
R
(deg
rudder
)；M
N
＝N
H
(vely,velyaw)+N<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张隆辉，魏纳新，刘正锋，刘长德，匡晓峰，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：