[发明专利]一种过闸船舶编队协同停船控制系统及方法

权利要求书

1.一种采用过闸船舶编队协同停船控制系统进行领航船停船的控制方法，其特征在于：所述过闸船舶编队包括一艘领航船和多艘跟随船，所述领航船在设定的虚拟停止线处自动停止，所述跟随船在与其前面的领航船或其它跟随船保持一定距离的虚拟停止线处停止，两艘船舶之间通过移动网络实时交互，实现了多艘船舶在闸室内的自动停船控制；

所述控制系统包括停船控制单元、编队信息交互单元、船舶状态感知单元和岸基服务单元；

所述领航船停船的控制方法包括以下步骤：

步骤1：领航船感知单元将采集的航行环境信息以及船舶自身航行状态信息传递到领航船上位机、并通过移动网络将船舶状态信息传递给跟随船上位机以及岸基单元；

步骤2：通过报文解析及领航船下位机传来的报文信息，利用滑模控制算法进行控制计算，求得为实现领航船精准停船，船舶下一步所需的螺旋桨转速；

步骤3：通过领航船串口收发器将滑模控制算法计算得到的领航船下一步航行所需的螺旋桨转速指令信息传入领航船下位机；同时，将计算所得的领航船控制指令通过移动网络传至跟随船上位机以及岸基单元；

步骤4：领航船下位机在接受到上位机的螺旋桨指令后，将其解析为相应的转速控制信号，驱动领航船电动机工作，使领航船螺旋桨响应相应的控制指令；

步骤5：将测得的螺旋桨转速值生成报文，传输到串口收发器进行反馈到领航船上位机，经过解析后将结果用于下一步控制计算；如果船舶航速为0，且计算所得下一步螺旋桨控制输入为0，且船舶位置满足停船精度，则停船完成，否则返回步骤2；

所述停船控制单元的控制算法采用滑模控制实现航速控制，实现船舶在停船距离x内，船舶状态由停船初始位置(v₀，n₀)逐渐过渡到船舶停止位置的(0,0)；其中v₀表示开始停船时船舶的航速，n₀表示初始停船位置主机转速，滑模控制模型为：

理想情况下的船舶动力模型如式(1)所示：

式中：x为船舶距离停船线的距离；v为船舶航行速度；a为船舶加速度；m为船舶质量；F_u(t)为船舶受到的牵引力；F_f(t)为船舶受到的阻力；K_p为螺旋桨推力系数；ρ为水的密度，n为主机转速，D为螺旋桨直径；

为使x＝0、v＝0，设计式(2)滑膜曲面：

s＝cx+v (2)

如果s＝0则：

当t＝1/c时，状态趋近到零过程已经完成63.2％，当t＝3/c时，已经完成了95.021％；

为保证s＝0，需要利用控制率a进行实现，将公式s＝cx+v求导得式(4)：

设定趋近率函数如式(5)所示：

式中，sgn(s)为符号函数，此时：

a＝-cv-εsgn(s) (6)

控制器输出的主机转速如(7)所示：

采用Lyapunov函数来判断系统的稳定性，对于系统的状态方程对于平衡点s，如果存在连续函数V满足式(8)、(9)：

lim_|s|→∞V＝∞ (8)

则系统将在平衡点s＝0处稳定，令则条件均成立，满足Lyapunov函数的条件，s最终会稳定滑模面，也就是s＝0；

Lyapunov函数能够保证稳定，但对稳定时间没有要求，所以为了让控制有意义，对第二个条件进行修改，如式(10)所示使其能在有限时间达到稳定：

式中，α为常数，分离变量后进行积分，如式(11)：

得：

当：

时到达稳定点；因为Lyapunov条件的改变，控制率a也要进行更新，如式(14)所示：

满足能够实现在有限时间到达滑模面。

2.根据权利要求1所述一种采用过闸船舶编队协同停船控制系统进行领航船停船的控制方法，其特征在于：所述停船控制单元是船舶上安装的一套停船控制系统，停船控制单元根据船舶航速、船舶位置以及相关的船舶航行状态信息对当前航行状态进行判断，并计算船舶下一步航行所需的车钟指令，控制船舶的螺旋桨，最终实现船舶在指定位置停船。