[發明專利]一種用于船舶動態轉向避碰的智能裝置

在審

• 申請號: 201410540896.2
• 申請日: 2014-10-14
• 公開（公告）號: CN105574314A
• 公開（公告）日: 2016-05-11
• 發明（設計）人: 劉鑫
• 申請（專利權）人: 威海拓達高科船舶科技有限公司
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00;G08G3/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及船舶航行領域，具體涉及一種用于船舶動態轉向避碰的智能裝置。

背景技術

船舶避碰研究的課題之一是安全避讓行動決策，其關鍵是如何采取適當的避讓行動，從而提高航行的安全性，這是一個重要的課題。以往的避碰幾何數學模型沒有考慮船舶操縱性的影響，致使預計DCPA和TCPA大于實際的DCPA和TCPA。

發明內容

為了彌補以上技術的不足，本發明提供了一種用于船舶動態轉向避碰的智能裝置。本裝置從船舶操縱運動角度出發，結合現代非線性滑?？刂评碚?，通過建立船舶動態轉向避碰行動數學模型。搭建仿真平臺對該數學模型進行實例仿真結果驗證，利用Matlab船舶動態轉向避碰行動數學模型可有效解決，但沒有考慮船舶操縱性的不足。

船舶避碰研究的是安全避讓行動決策，其關鍵是如何采取適當的避讓行動，以及采取避讓行動后如何預計DCPA和TCPA，以便評價避讓行動是否合適有效，為此，本發明所含原理為采用避讓行動中留有富裕時間的方法來修正這一影響;從船舶操縱運動響應型數學模型的角度出發，結合PD控制理論思想，通過建立船舶避碰動態系統數學模型的方法解決這一影響;從船舶操縱分離型數學模型的角度出發，結合經典PID控制理論思想，通過建立船舶避碰動態系統數學模型的方法消除這一影響。所有假定條件都是無外界干擾的船舶操縱動態避碰數學模型，這顯然不符合實際船舶本身參數發生攝動及外界存在干擾時，PID控制并不能消除這種影響。本發明從船舶操縱非線性運動數學模型和避碰幾何角度出發，結合船舶轉向滑?？刂骗h節，建立船舶動態轉向避碰行動數學模型。

船舶動態轉向避碰行動數學模型在船舶操縱運動的基礎上，利用船舶轉向滑模控制環節獲得本船瞬時航向航速，結合來船動態信息，通過解算避碰幾何三角形獲得來船避碰

要素(包括相對方位距離DCPA和TCPA);通過本船設定的安全通過距離解算出本船預計轉向幅度大小，利用船舶轉向非線性自適應滑?？刂骗h節實現自動操舵，智能裝置中建立的船舶動態轉向避碰行動數學模型包括以下三個部分：

1、本船轉向后相關避讓要素的求?。?

采用避碰幾何方法獲取來船各避讓要素。首先，建立兩船運動坐標系，縱軸為真北方向，橫軸為正東方向，本船中心為坐標原點，分別設定本船航速和航向、來船的航速和航向、初始相對方位及初始相對距離，根據船舶運動坐標系獲取來船初始位置表達式。若本船為讓路船，且設定本船通過轉向給來船讓路假設本船轉向角、由初始航向到所需航向經歷的時間、轉向過程中本船航速、此刻本船的位移和來船的相對位移表達式。進一步求得來船的相對方位、距離相對航向航速表達式。由此得出來船的DCPA和TCPA表達式。

2、建立船舶操縱運動方程式：

船舶運動具有非線性特點，在海上航行還會受到風浪等強干擾的影響.Bech等在二階野。本方程的基礎上發展了適用于大幅度航向改變操縱，同時又可解釋航向不穩定等非線性現象的船舶操縱運動方程式。

3、船舶轉向控制環節

通過構造lyapunov函數，結合滑?？刂评碚摵妥赃m應控制技術，利用反演法求得船舶轉向

控制算法。

第一步，定義誤差變量，構造滑模面針對系統，構造如下滑模面；

第二步，利用反演法，構造lyapunov函數，證明控制系統漸近穩定。

當船舶航向水域開闊時，船舶通常采取轉向行動來避讓來船在轉向過程中，由于船舶本身慣

性和其操縱性能的影響，以及船舶斜航時水體阻力增加的影響，船舶速度會有所下降。所以，從船舶操縱舵輪改變船舶航向到穩定于新航向這一過程中，來船的DCPA

和TCPA值都是時刻變化的。

利用Matlab軟件搭建兩船會遇局面下單船轉向避讓仿真平臺，同時，在外界風浪較大時，利用船舶航向自動轉向控制明顯較手動操舵更加準確快速穩定于新航向上，有利于船舶安全。

由以上分析可知，以往的船舶避碰靜態數學模型是欠妥的，也是不符合實際的。本發明所含建立的船舶轉向動態避碰行動數學模型較合理，并且符合海上船舶避碰實際。

本發明從船舶操縱非線性運動數學模型和避碰幾何的角度出發，結合船舶轉向滑?？刂骗h節，建立的船舶轉向動態避碰行動數學模型符合海上避碰實際，可使船舶駕駛員認識到船舶操縱性對避碰行動結果產生的不安全影響，幫助駕駛員確定更加安全的避讓行動幅度。