[发明专利]一种用于智能船舶自动靠泊的轨迹规划方法

权利要求书

1.一种用于智能船舶自动靠泊的轨迹规划方法，其特征在于，所述方法包括：

初始化参数及障碍物目标点；

根据改进的斥力势场函数求斥力和引力，采用指数函数代替二次函数来描述斥力场函数，改进的斥力势场函数表达式如下：

其中，η为斥力场系数，ρ为船到障碍物之间的距离，ρ₀为障碍物的影响半径；

更新船舶位置，并获取目标点；

获取初次人工势场规划的不同航向角靠泊路径；

分割路径点；

等时间间隔差值n-2个路径点，其中n为路径点个数；

将n-2个路径点代入n阶贝塞尔曲线方程，计算n-2个控制点获得初始解；

建立优化问题的目标函数，使得优化轨迹与参考轨迹误差最小、路径平滑度最优和能耗最小，所述目标函数的具体表达为：

J_min＝ω₁J₁+ω₂J₂₊ω₃J₃

J₃＝g_eP_eT

其中，J_min为目标函数最小值，目标函数J₁为优化轨迹与参考轨迹误差最小，目标函数J₂为路径平滑度最优，目标函数J₃为能耗最优；根据路径插值计算的第i个点参考轨迹点坐标用(x_ref,i，y_ref，i)表示，w₁，w₂，w₃为权重w₁+w₂+w₃＝1，船舶在第i个点的坐标用(x_i，y_i)表示，船舶在第i-1个点的坐标用(x_i-1，y_i-1)表示，船舶在第i+1个点的坐标用(x_i+1，y_i+1)，g_e表示为航程总油耗量，单位为g，p_e为主机油耗率，单位为g/(KW·h)，T为航程航行时间，单位h；

采用序列二次规划求解优化问题；

以人工势场法规划不同初始航向角的靠泊轨迹，得到不同初始航向角的靠泊轨迹，经贝塞尔曲线控制点优化后，再选择最佳靠泊轨迹。

2.根据权利要求1所述的用于智能船舶自动靠泊的轨迹规划方法，其特征在于，所述更新船舶位置的具体表达为：

x_k+1＝x_k+l·cosθ

y_k+1＝y_k+l·sinθ

其中，(x_k，y_k)表示在k时刻船舶位置，(x_k+1，y_k+1)表示在k+1时刻船舶位置，θ表示船舶航向角；l表示船舶移动的步长。

3.根据权利要求1所述的用于智能船舶自动靠泊的轨迹规划方法，其特征在于，所述建立优化问题模型为：

在人工势场法规划路径基础上，以曲线控制点为优化变量，求解安全、平滑的船舶自动靠泊轨迹；包括步骤：

起点终点约束步骤：

构建靠泊优化的起点和终点与初始的一致性方程

(x₀，y₀)＝(x_l，y_l)，(x_W，y_W)＝(x_F，y_F)

其中(x₀，y₀)、(x_W，y_W)分别表示优化过程中的起点坐标和终点坐标，(x_l，y_l)、(x_F，y_F)分别表示初始的起点坐标和终点坐标；

航向约束步骤：

ψ_{t min}＜ψ_t＜ψ_{t max}

ψ_t表示优化过程中t时刻船舶的航向，(ψ_{t min}，ψ_{t max})表示t时刻船舶航向的约束范围；

速度约束包括船舶的纵向速度以及横向速度方程

u_{t min}＜u_t＜u_{t max}

υ_{t min}＜υ_t＜υ_{t max}

u_t表示优化过程中t时刻船舶的纵向速度，v_t表示优化过程中t时刻船舶的横向速度，u_tmin表示t时刻船舶的最小纵向速度，v_tmin表示t时刻船舶的最小横向速度，u_tmax表t时刻船舶的最大纵向速度，v_tmax表示t时刻船舶的最大横向速度；

约束舵角和转速在船舶操纵的范围内的方程；

推进器的最大输出和最小输出分别为τ_imax和τ_imin；

在靠泊轨迹优化过程中，为了保证轨迹符合船舶动力学要求，下一个时刻船舶的状态与当前时刻的状态差值满足运动模型；

把区域外的航道部分以及码头都看作障碍物，对船舶进行靠泊轨迹的优化；

(x_t，y_t)≠s(x_d，y_d)

s(x_d，y_d)表示障碍物的坐标函数，障碍物往往是不规则的形状，所以该函数是非线性的。