船舶航向跟踪控制的方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010801131.5 (22)申请日 2020.08.11 (71)申请人 闽江学院 地址 350100 福建省福州市闽侯县上街镇 溪源宫路200号 (72)发明人 刘兴龙初秀民何伟吴勇 周海明雷进宇王志远郑福进 (74)专利代理机构 福州旭辰知识产权代理事务 所(普通合伙) 35233 代理人 程春宝 (51)Int.Cl. G05D 1/02(2020.01) (54)发明名称 一种船舶航向跟踪控制的方法 (57)摘要 本发明提供了一种船舶航向跟踪控制的方 法， 所述。

2、方法为： 获取船舶自身状态信息， 该船舶 自身状态信息包括位置、 航速、 船首向信息； LOS 导航通过船舶自身状态信息和目标位置来生成 目标路径和目标船首向； 船舶的PID控制器根据 目标船首向和目标路径实现路径跟随控制； 本发 明提高了船舶的航迹跟踪的精确度。 权利要求书1页 说明书5页 附图1页 CN 112068550 A 2020.12.11 CN 112068550 A 1.一种船舶航向跟踪控制的方法， 其特征在于： 所述方法为： 获取船舶自身状态信息， 该船舶自身状态信息包括位置、 航速、 船首向信息； LOS导航通过船舶自身状态信息和目标 位置来生成目标路径和目标船首向； 船舶。

3、的PID控制器根据目标船首向和目标路径实现路 径跟随控制。 2.根据权利要求1所述的一种船舶航向跟踪控制的方法， 其特征在于： 所述方法进一步 具体为： 所述船舶上设置有GPS模块、 速度传感器、 以及舵角传感器； 通过GPS模块获取位置 信息， 通过速度传感器获取航速信息， 通过舵角传感器获取船首向信息； LOS导航通过位置、 航速、 船首向信息和目标位置来生成目标路径和目标船首向， 该目标路径是由路径点相连 的直线段组成； LOS导航根据目标路径、 船舶位置、 船首向获取船舶离目标路径的横向位移 偏差和船首向偏差； PID控制器通过控制船舶螺旋桨转速来保持螺旋桨转速或航速在一段 时间内保持。

4、不变， PID控制器根据船舶横向位移差、 船首向偏差、 船速来获取最优舵令， 即将 船舶螺旋桨转速指令、 舵角指令输入到船舶的船舶动力系统中进行实现路径跟随控制。 3.根据权利要求1所述的一种船舶航向跟踪控制的方法， 其特征在于： 所述LOS导航通 过LOS导航算法生成目标路径， 具体为在路径跟随中， 假定目标路径点Pn(xn,yn)、 Pn+1(xn+1, yn+1)和Pn+2(xn+2,yn+2)已经给出， 生成后的目标路径为Pn(xn,yn)Pn+1(xn+1,yn+1)Pn+2(xn+2, yn+2)； 当船舶趋近目标点Pn+1时， 目标路径需要由PnPn+1切换至Pn+1Pn+2， 。

5、通常当船舶进入以 Pn+1为圆心R0为半径的接纳圆内， 即时， 开始进行目标路径切换； 其 中， xa,yb为当前船舶的位置坐标； 当船舶刚进入接纳圆时， LOS角和相对首向角 会发生 突变， 导致船舶不可避免地偏离目标路径， 当相邻路径夹角 (0, /2)较小时， 船舶需要更 早地转向以有充分的时间调整航向， 此时如果接纳圆R0半径较小， 船舶转向会滞后， 从而导 致路径跟随控制效果变差； 相反地， 当 较大时， 此时如果接纳圆半径较大， 船舶会过早跟踪 下一路径， 导致对上一路径跟踪不完全； 因此， 接纳圆半径R0与相邻路径 之间存在对应关 系， 使得船舶路径跟随的精度更小； 介于固定接纳。

6、圆半径R0存在的问题， 能通过可自动调整接纳圆半径R0的算法来获得接 纳圆半径R0与相邻路径 之间的关系即： R0需满足如下条件： 1)R0应满足RminR0Rmax， 设置Rmin是为了防止因R0过小而导致无法正常切换到下一路 径； 设置Rmax是为了防止因R0太大而导致路径跟随不完全； 2)与驾驶车辆类似， 如果遇到急弯， 通常需要提前打方向盘， 反之亦然， 则R0应该与相邻 路径夹角成反比， 定义其中M和l0为设定的参数； 基于上述条件， R0可表示为： 权利要求书 1/1 页 2 CN 112068550 A 2 一种船舶航向跟踪控制的方法 技术领域 0001 本发明涉及船舶航行技术领。

7、域， 特别是一种船舶航向跟踪控制的方法。 背景技术 0002 在内河、 沿海、 海峡等复杂交通环境条件下船舶的自主航行控制问题是智能航行 需要解决的关键问题。 自主航行控制包括自主寻迹航行控制和自主避碰控制。 其中自主寻 迹航行控制即为船舶的航迹跟踪控制。 0003 船舶的航迹跟踪控制， 是近年来船舶自动控制领域涌现出来的一个热门课题。 目 前， 国外对无人艇航迹跟踪的研究中有根据反步法(backstepping)以及输出重定义等方法 得到了全局、 一致并以指数趋近稳定的反馈控制律和船舶的航迹状态； 国内对于船舶的自 主航迹跟踪研究也较多， 具有代表性有李铁山等利用自适应积分反演技术、 耗散理。

8、论以及 输入输出线性化等方法对船舶的直线航迹跟踪控制系统设计了非线性控制器。 这类控制器 一般对被控模型的参数有较高的要求， 而在实际的控制应用中， 很难准确地辨识出模型的 各项参数， 导致这一方法在很多应用中无法具体实施。 发明内容 0004 为克服上述问题， 本发明的目的是提供一种船舶航向跟踪控制的方法， 提高基于 LOS导航的路径跟随精度。 0005 本发明采用以下方案实现： 一种船舶航向跟踪控制的方法， 所述方法为： 获取船舶 自身状态信息， 该船舶自身状态信息包括位置、 航速、 船首向信息； LOS导航通过船舶自身状 态信息和目标位置来生成目标路径和目标船首向； 船舶的PID控制器根。

9、据目标船首向和目 标路径实现路径跟随控制。 0006 进一步的， 所述方法进一步具体为： 所述船舶上设置有GPS模块、 速度传感器、 以及 舵角传感器； 通过GPS模块获取位置信息， 通过速度传感器获取航速信息， 通过舵角传感器 获取船首向信息； LOS导航通过位置、 航速、 船首向信息和目标位置来生成目标路径和目标 船首向， 该目标路径是由路径点相连的直线段组成； LOS导航根据目标路径、 船舶位置、 船首 向获取船舶离目标路径的横向位移偏差和船首向偏差； PID控制器通过控制船舶螺旋桨转 速来保持螺旋桨转速或航速在一段时间内保持不变， PID控制器根据船舶横向位移差、 船首 向偏差、 船速。

10、来获取最优舵令， 即将船舶螺旋桨转速指令、 舵角指令输入到船舶的船舶动力 系统中进行实现路径跟随控制。 0007 进一步的， 所述LOS导航通过LOS导航算法生成目标路径， 具体为在路径跟随中， 假 定目标路径点Pn(xn,yn)、 Pn+1(xn+1,yn+1)和Pn+2(xn+2,yn+2)已经给出， 生成后的目标路径为Pn (xn,yn)Pn+1(xn+1,yn+1)Pn+2(xn+2,yn+2)； 当船舶趋近目标点Pn+1时， 目标路径需要由PnPn+1切换 至Pn+1Pn+2， 通常当船舶进入以Pn+1为圆心R0为半径的接纳圆内， 即 时， 开始进行目标路径切换； 其中， xa,yb。

11、为当前船舶的位置坐标； 当船舶刚进入接纳圆时， LOS角和相对首向角 会发生突变， 导致船舶不可避免地偏离目标路径， 当相邻路径夹 说明书 1/5 页 3 CN 112068550 A 3 角 (0, /2)较小时， 船舶需要更早地转向以有充分的时间调整航向， 此时如果接纳圆R0 半径较小， 船舶转向会滞后， 从而导致路径跟随控制效果变差； 相反地， 当 较大时， 此时如 果接纳圆半径较大， 船舶会过早跟踪下一路径， 导致对上一路径跟踪不完全； 因此， 接纳圆 半径R0与相邻路径 之间存在对应关系， 使得船舶路径跟随的精度更小； 0008 介于固定接纳圆半径R0存在的问题， 能通过可自动调整接。

12、纳圆半径R0的算法来获 得接纳圆半径R0与相邻路径 之间的关系即： 0009 R0需满足如下条件： 0010 1)R0应满足RminR0Rmax， 设置Rmin是为了防止因R0过小而导致无法正常切换到下 一路径； 设置Rmax是为了防止因R0太大而导致路径跟随不完全； 0011 2)与驾驶车辆类似， 如果遇到急弯， 通常需要提前打方向盘， 反之亦然， 则R0应该 与相邻路径夹角成反比， 定义其中M和l0为设定的参数； 0012 基于上述条件， R0可表示为： 0013 0014 本发明的有益效果在于： 本发明针对路径跟随问题， 通过LOS导航实现将目标路径 跟踪转换为目标航向跟踪， 再基于船舶。

13、舵角响应和PID控制器控制实现目标航向跟踪控制， 其中LOS导航具有目标跟踪精确、 计算简便等优势， 提高了船舶的航迹跟踪的精确度。 附图说明 0015 图1为本发明的方法流程示意图。 0016 图2为本发明LOS导航算法中船舶跟踪的示意图。 具体实施方式 0017 下面结合附图对本发明做进一步说明。 0018 请参与图1所示， 一种船舶航向跟踪控制的方法， 所述方法为： 获取船舶自身状态 信息， 该船舶自身状态信息包括位置、 航速、 船首向信息； LOS导航通过船舶自身状态信息和 目标位置来生成目标路径和目标船首向； 船舶的PID控制器根据目标船首向和目标路径实 现路径跟随控制。 0019 。

14、其中， 所述方法进一步具体为： 所述船舶上设置有GPS模块、 速度传感器、 以及舵角 传感器； 通过GPS模块获取位置信息， 通过速度传感器获取航速信息， 通过舵角传感器获取 船首向信息； LOS导航通过位置、 航速、 船首向信息和目标位置来生成目标路径和目标船首 向， 该目标路径是由路径点相连的直线段组成； LOS导航根据目标路径、 船舶位置、 船首向获 取船舶离目标路径的横向位移偏差和船首向偏差； PID控制器通过控制船舶螺旋桨转速来 保持螺旋桨转速或航速在一段时间内保持不变， PID控制器根据船舶横向位移差、 船首向偏 差、 船速来获取最优舵令， 即将船舶螺旋桨转速指令、 舵角指令输入到。

15、船舶的船舶动力系统 说明书 2/5 页 4 CN 112068550 A 4 中进行实现路径跟随控制。 0020 请参阅图2所示， 所述LOS导航通过LOS导航算法生成目标路径， 具体为在路径跟随 中， 假定目标路径点Pn(xn,yn)、 Pn+1(xn+1,yn+1)和Pn+2(xn+2,yn+2)已经给出， 生成后的目标路径 为Pn(xn,yn)Pn+1(xn+1,yn+1)Pn+2(xn+2,yn+2)； 当船舶趋近目标点Pn+1时， 目标路径需要由PnPn+1 切 换 至 Pn + 1Pn + 2， 通 常 当 船 舶 进 入 以 Pn + 1为 圆 心 R0为 半 径 的 接 纳 圆。

16、 内 ， 即 时， 开始进行目标路径切换； 其中， xa,yb为当前船舶的位置坐标； 当 船舶刚进入接纳圆时， LOS角和相对首向角会发生突变， 导致船舶不可避免地偏离目 标路径， 当相邻路径夹角 (0, /2)较小时， 船舶需要更早地转向以有充分的时间调整航 向， 此时如果接纳圆R0半径较小， 船舶转向会滞后， 从而导致路径跟随控制效果变差； 相反 地， 当 较大时， 此时如果接纳圆半径较大， 船舶会过早跟踪下一路径， 导致对上一路径跟踪 不完全； 因此， 接纳圆半径R0与相邻路径 之间存在对应关系， 使得船舶路径跟随的精度更 小； 0021 介于固定接纳圆半径R0存在的问题， 能通过可自动。

17、调整接纳圆半径R0的算法来获 得接纳圆半径R0与相邻路径 之间的关系即： 0022 R0需满足如下条件： 0023 1)R0应满足RminR0Rmax， 设置Rmin是为了防止因R0过小而导致无法正常切换到下 一路径； 设置Rmax是为了防止因R0太大而导致路径跟随不完全； 0024 2)与驾驶车辆类似， 如果遇到急弯， 通常需要提前打方向盘， 反之亦然， 则R0应该 与相邻路径夹角成反比， 定义其中M和l0为设定的参数； 0025 基于上述条件， R0可表示为： 0026 0027 其中l需根据某一船舶具体操纵特性来确定其值， 确定l的一般步骤如下： 0028 1)选择n+2个目标路径点， 。

18、生成路径后产生n个大小不同的路径夹角， 记为 1, 2,., n。 选择路径时应尽量保证路径每个夹角 与其他不同。 0029 2)使用固定的接纳圆半径测试路径跟随的效果， 设置平均横向跟踪误差ea为评估 指数， ea定义如下： 0030 0031 式中， N表示完成路径跟随整个过程的总控制步数， e(i)表示第i步横向跟踪误差。 容易得到， ea越小路径跟随效果越好。 0032 3)使用一系列的接纳圆半径R0， 比如L,2L,.,nL， 依次对路径跟随效果进行测 试， 得到每个路径夹角 i对应的最优接纳圆半径R0i， 记为理论上路径点越 多(n越大)， 试验结果越好(l估计越精确)， 但是同时。

19、也会增大试验的工作量， 因此通常选择 说明书 3/5 页 5 CN 112068550 A 5 3n5。 00334)应用最小二乘法对l的值进行估计， 记估计值为其计算公式如下： 0034 0035式中 0036 另外， 本发明需要进一步说明的是： 0037 LOS基本原理为： 0038 在路径跟随中， 假定目标路径点Pn(xn,yn)、 Pn+1(xn+1,yn+1)和Pn+2(xn+2,yn+2)已经给 出， 生成后的目标路径为Pn(xn,yn)Pn+1(xn+1,yn+1)Pn+2(xn+2,yn+2)。 LOS导航基本原理如图2所 示， 路径跟随控制的目标是使船首向 与方向ObPLOS。

20、保持一致。 确定LOS点PLOS(xLOS,yLOS)通常 有3种方法： 将下一目标路径点Pn+1作为LOS点， 即PLOSPn+1； 根据横向跟踪误差e和固定 纵向距离nL(n1)计算PLOS； 以Ob为圆心、 RLOSnL(n1)(L为船长)为半径的圆弧与 目标路径PnPn+1交点中距离下一路径目标点Pn+2更近的一个交点作为PLOS。 方法当环境干 扰存在时容易出现较大的横向跟踪误差； 方法当横向误差较大时， 可能造成船舶轨迹难 以收敛到目标路径。 因此， 方法被较多地应用于路径跟随过程。 0039 应用方法计算PLOS的公式如下： 0040 0041 一般来说， 通过式(4-1)求解得。

21、到的交点有两个或者一个， 但当船舶偏移目标路径 的横向距离e较大时， 可能造成式(4-1)没有实数解， 为避免这种情况发生， RLOS定义如下： 0042 0043定义 P为船舶目标路径方向角，为船舶相对首向角( 为船首向)。 关于横 向跟踪误差e和相对首向角微分方程如下所示： 0044 0045 需要说明的是， e有正负之分， 规定船舶在目标路径方向右侧时为正， 反之为负。 当 外界环境中水流干扰可以忽略时， 在欠驱动USV路径跟随过程中， uu0(u00是定常速度)， v0。 因此式(4-2)简化为： 0046 0047 当外界环境中水流干扰不能忽略时(Vc0)， 假定USV相对水流的速度。

22、vrur,vrT 始终不变， 即uru0、 vr0， e的微分方程变为： 0048 0049 其中， uc、 vc分别为水流速度在附体坐标系x轴、 y轴的速度， 具体定义为： 说明书 4/5 页 6 CN 112068550 A 6 0050 0051LOS角是船舶目标路径方向PnPn+1与目标船首向方向ObPLOS的夹角， 可由下式计 算： 0052 0053其中，为了船舶首向角 跟踪到ObPLOS方向， 需要满足当 时， 有： 0054 0055 在满足式(4-7)条件下， 可利用李雅普诺夫第二法来证明横向跟踪误差e0。 已知 e0为状态方程(4-7)的一个平衡点， 设置李雅普诺夫函数为V。

23、(e)e2， 结合式(4-5)于是 有： 0056 0057通常水流速度Vc较小， 可假定u0|uc|， 即u0+uc0始终成立， 要使成立， 则 需要满足： 0058 0059 因此只要： 0060 0061就有并且满足当且仅当e0时因此， 当水流速度Vc0时， e将收 敛至一个有限区域内； 当水流速度Vc0时， e将收敛到0。 0062 当船舶趋近目标点Pn+1时， 目标路径需要由PnPn+1切换至Pn+1Pn+2。 通常当船舶进入 以Pn+1为圆心R0为半径的接纳圆(acceptance circle)内， 即时， 开 始进行目标路径切换。 为了保证式(4-4)始终在目标路径上， 需保证RLOSR0。 且接纳圆半径 通常设为固定值L或者2L。 0063 总之， 本发明针对路径跟随问题， 通过LOS导航实现将目标路径跟踪转换为目标航 向跟踪， 再基于船舶舵角响应和PID控制器控制实现目标航向跟踪控制， 其中LOS导航具有 目标跟踪精确、 计算简便等优势， 提高了船舶的航迹跟踪的精确度。 0064 以上所述仅为本发明的较佳实施例， 凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰， 皆应属本发明的涵盖范围。 说明书 5/5 页 7 CN 112068550 A 7 图1 图2 说明书附图 1/1 页 8 CN 112068550 A 8 。