[发明专利]一种用于船舶动态转向避碰的智能装置

说明书

技术领域

本发明涉及船舶航行领域，具体涉及一种用于船舶动态转向避碰的智能装置。

背景技术

船舶避碰研究的课题之一是安全避让行动决策，其关键是如何采取适当的避让行动，从而提高航行的安全性，这是一个重要的课题。以往的避碰几何数学模型没有考虑船舶操纵性的影响，致使预计DCPA和TCPA大于实际的DCPA和TCPA。

发明内容

为了弥补以上技术的不足，本发明提供了一种用于船舶动态转向避碰的智能装置。本装置从船舶操纵运动角度出发，结合现代非线性滑模控制理论，通过建立船舶动态转向避碰行动数学模型。搭建仿真平台对该数学模型进行实例仿真结果验证，利用Matlab船舶动态转向避碰行动数学模型可有效解决，但没有考虑船舶操纵性的不足。

船舶避碰研究的是安全避让行动决策，其关键是如何采取适当的避让行动，以及采取避让行动后如何预计DCPA和TCPA，以便评价避让行动是否合适有效，为此，本发明所含原理为采用避让行动中留有富裕时间的方法来修正这一影响;从船舶操纵运动响应型数学模型的角度出发，结合PD控制理论思想，通过建立船舶避碰动态系统数学模型的方法解决这一影响;从船舶操纵分离型数学模型的角度出发，结合经典PID控制理论思想，通过建立船舶避碰动态系统数学模型的方法消除这一影响。所有假定条件都是无外界干扰的船舶操纵动态避碰数学模型，这显然不符合实际船舶本身参数发生摄动及外界存在干扰时，PID控制并不能消除这种影响。本发明从船舶操纵非线性运动数学模型和避碰几何角度出发，结合船舶转向滑模控制环节，建立船舶动态转向避碰行动数学模型。

船舶动态转向避碰行动数学模型在船舶操纵运动的基础上，利用船舶转向滑模控制环节获得本船瞬时航向航速，结合来船动态信息，通过解算避碰几何三角形获得来船避碰

要素(包括相对方位距离DCPA和TCPA);通过本船设定的安全通过距离解算出本船预计转向幅度大小，利用船舶转向非线性自适应滑模控制环节实现自动操舵，智能装置中建立的船舶动态转向避碰行动数学模型包括以下三个部分：

1、本船转向后相关避让要素的求取：

采用避碰几何方法获取来船各避让要素。首先，建立两船运动坐标系，纵轴为真北方向，横轴为正东方向，本船中心为坐标原点，分别设定本船航速和航向、来船的航速和航向、初始相对方位及初始相对距离，根据船舶运动坐标系获取来船初始位置表达式。若本船为让路船，且设定本船通过转向给来船让路假设本船转向角、由初始航向到所需航向经历的时间、转向过程中本船航速、此刻本船的位移和来船的相对位移表达式。进一步求得来船的相对方位、距离相对航向航速表达式。由此得出来船的DCPA和TCPA表达式。

2、建立船舶操纵运动方程式：

船舶运动具有非线性特点，在海上航行还会受到风浪等强干扰的影响.Bech等在二阶野。本方程的基础上发展了适用于大幅度航向改变操纵，同时又可解释航向不稳定等非线性现象的船舶操纵运动方程式。

3、船舶转向控制环节

通过构造lyapunov函数，结合滑模控制理论和自适应控制技术，利用反演法求得船舶转向

控制算法。

第一步，定义误差变量，构造滑模面针对系统，构造如下滑模面；

第二步，利用反演法，构造lyapunov函数，证明控制系统渐近稳定。

当船舶航向水域开阔时，船舶通常采取转向行动来避让来船在转向过程中，由于船舶本身惯

性和其操纵性能的影响，以及船舶斜航时水体阻力增加的影响，船舶速度会有所下降。所以，从船舶操纵舵轮改变船舶航向到稳定于新航向这一过程中，来船的DCPA

和TCPA值都是时刻变化的。

利用Matlab软件搭建两船会遇局面下单船转向避让仿真平台，同时，在外界风浪较大时，利用船舶航向自动转向控制明显较手动操舵更加准确快速稳定于新航向上，有利于船舶安全。

由以上分析可知，以往的船舶避碰静态数学模型是欠妥的，也是不符合实际的。本发明所含建立的船舶转向动态避碰行动数学模型较合理，并且符合海上船舶避碰实际。

本发明从船舶操纵非线性运动数学模型和避碰几何的角度出发，结合船舶转向滑模控制环节，建立的船舶转向动态避碰行动数学模型符合海上避碰实际，可使船舶驾驶员认识到船舶操纵性对避碰行动结果产生的不安全影响，帮助驾驶员确定更加安全的避让行动幅度。