[发明专利]基于船舶稳性的自动舵连续路径生成系统及方法

说明书

本发明涉及船舶运动控制领域，具体涉及基于船舶稳性的自动舵连续路径生成系统及方法，系统包括设定模块、传感模块和处理模块，方法包括对多项式二维系数、基本多项式曲线、最优多项式曲线和允许最优多项式曲线进行定义，计算最小容许曲线半径，确定边界参数，根据边界参数计算多项式二维系数，以该多项式二维系数的集合作为执行航迹的路径。本发明利用多项式曲线的二维系数作为执行航迹作为自动舵的输入信号，可以实现船舶航向的精准控制，同时保持船舶运动的实际舵角不会超过最大舵角限定范围。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制领域，具体涉及基于船舶稳性的自动舵连续路径生成系统及方法。

背景技术

全球经济的繁荣促使航海需求的增加，为了确保船舶在海上航行时方向的准确性和航行的安全性，船舶自动化程度越来越高，航行路径的规划和执行可以通过自动舵进行。按功能划分，自动舵可以分为航向自动舵(Heading control system)和航迹自动舵(Trackcontrol system)，其中，航向自动舵可以实现对航向的跟踪和保持控制，航迹自动舵包括航迹偏差控制和转向控制。

例如公开号为CN101872195A的发明专利文献中，公开了一种船舶海上航行航迹解析偏差生成方法，包括步骤：(1)输入出发地的经纬度坐标Q(xq，yq，zq)、目的地的经纬度坐标M(xm，ym，zm)；(2)计算期望最优航迹；(3)分段修正期望航迹；(4)计算船舶与航迹段的偏差；(5)判断船舶是否处于当前航迹段；(6)是则重复步骤(4)，否则进入下一航迹段计算，并重复步骤(4)，最后将计算出来的航迹直接发送给自动舵执行。

使用现有的方法进行自动舵航迹的生成，当船舶从当前位置切入设定航迹时，不考虑船舶稳性控制量的限制，若在船速足够高的情况下，船舶稳性控制量超过允许值可能会导致严重后果。

发明内容

本发明意在提供一种基于船舶稳性的自动舵连续路径生成方法，以在考虑船舶稳性的前提下对自动舵的连续路径生成，通过保持稳定性来提高自动舵改变船舶航向的安全性。

本方案中的基于船舶稳性的自动舵连续路径生成方法，包括以下步骤：

步骤1，根据伯恩斯坦多项式曲线定义多项式二维系数，根据船舶沿曲线航行时船舶速度的绝对值，在笛卡尔坐标系中定义基本多项式曲线，根据生成新航行路径时船舶的最大舵角不超过最大舵角限制值的基本多项式曲线定义最优多项式曲线，根据船舶的航向变化角度定义允许最优多项式曲线；

步骤2，获取参数：最大舵角限制值、航向变化角度值和船舶速度的绝对值，根据参数和第一公式计算船舶在最优多项式曲线的曲线边界上航行的第一曲率半径，根据参数和第二公式计算船舶在最优多项式曲线的内部航行的第二曲率半径，取第一曲率半径与第二曲率半径的最大值作为最小容许曲率半径；

步骤3，根据获取的航向变化角度值、最小容许曲率半径、起点的点坐标、起点的切线方向计算航行后终点的切线方向、终点的标点坐标和终点的切线长度，以起点的点坐标、起点的切线方向、起点的切线长度、终点的点坐标、终点的切线方向和终点的切线长度确定边界参数；

步骤4，根据步骤3的边界参数计算多项式二维系数，以该多项式二维系数的集合作为执行航迹的路径。

本方案的有益效果是：

在对船舶航行时的路径自动生成时，通过设定航行时舵角不超过最大舵角限制值，进行自动舵的执行航迹的优化设置，以船舶稳性为前提进行航行轨迹的设置，能够在保持船舶航行稳定的前提下提高自动舵改变船舶航向的安全性。并且，以输入的最大舵角限制值和航向变化角度值进行航行路径的计算生成，相较于现有的学习算法，路径生成速度快。