CN111007879A - 一种船舶自动循迹的实现方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种船舶自动循迹的实现方法及装置，方法包括：S1、选取船舶路径规划航线中的航迹点并依次形成航迹段；S2、确定船舶当前位置所属的航迹段及相邻的下一航迹段；S3、获取船舶运行至下一航迹段的转向速率、船舶进行下一航迹段转向的转向起始距离；S4、判断船舶的当前位置到当前航迹段终点的距离是否小于转向起始距离，S5、若小于等于，获取船舶在当前位置的期望航向；S6、判断当前航向与期望航向的差值是否小于允许的航向变化量，若是，则修正后的期望航向为步骤S5所得的期望航向；重复上述步骤S4至步骤S6，直至运行至终点。上述方法解决了现有技术的转向过程偏航时循迹效果不佳且算法复杂的问题。

Description

一种船舶自动循迹的实现方法及装置

技术领域

本发明涉及船舶领域，尤其涉及一种船舶自动循迹的实现方法及装置。

背景技术

船舶循迹控制是指船舶在作业或航行过程中，沿某一条预定轨迹以恒定的纵向速度前进，在此过程中必须保持船舶的航向沿着预定轨迹。现有的循迹控制***主要是控制船舶沿着已设定好的航线进行航行，其将循迹分为直线循迹和转向循迹，转向循迹中采用固定的转向率前行。

然而，上述循迹控制***的算法逻辑判断繁琐，并且在转向过程中出现偏航时循迹功能基本无用，即没有考虑到实际船舶转向操作中的经验，在循迹过程中经常出现小角度转向就剧烈操舵的现象，影响船舶运行的稳定性以及航行的经济性。

发明内容

本发明的目的是提供一种船舶自动循迹的实现方法及装置，解决了现有技术的转向过程偏航时循迹效果不佳且算法复杂的问题。

为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：

第一方面，本发明提供一种船舶自动循迹的实现方法，包括：

S1、针对行驶中的船舶，选取该船舶路径规划航线中的航迹点，并根据选取的航迹点依次形成航迹段；

S2、根据船舶的当前位置，确定所述船舶当前位置所属的航迹段及相邻的下一航迹段的信息；

S3、根据所述船舶的基本信息和运行参数，获取所述船舶运行至所述下一航迹段的转向速率、所述船舶进行下一航迹段转向的转向起始距离；

S4、判断船舶的当前位置到当前航迹段终点的距离是否小于转向起始距离；

S5、若小于等于，根据所述船舶的当前位置和当前的航迹段计算出所述船舶在当前位置的期望航向；

S6、获取所述船舶的当前航向，判断所述当前航向与所述期望航向的差值是否小于允许的航向变化量，若是，则修正后的期望航向为步骤S5所得的期望航向；

重复上述步骤S4至步骤S6，直至切换到下一条航迹段循迹，并重复步骤S2至步骤S6，直至运行至终点。

可选地，所述步骤S4包括：若判断船舶的当前位置到当前航迹段终点的距离大于转向起始距离，则继续按照当前航迹段循迹。

可选地，所述步骤S6还包括：

若当前航向与所述期望航向的差值大于等于允许的航向变化量，则修正所述期望航向，使得修正后的期望航向＝船舶当前航向±预先设定的允许的航向变化量；

或者，

若当前航向与所述期望航向的差值大于等于允许的航向变化量，则根据船舶当前转向速率修正所述期望航向。

可选地，所述步骤S2还包括：

判断该船舶当前位置所属的航迹段是否是最后一段航迹段；

若是，则不进行步骤S3和步骤S6，直至所述船舶航行至当前航迹段终点后结束。

可选地，所述船舶的基本信息包括下述的一种或多种信息：

所述船舶的船长、船宽，船舶旋回性指数K，船舶追随性指数T，操舵时间t和船舶舵机的最大舵角信息；

所述船舶的运行参数包括：所述船舶的当前位置、当前运行速度、所述船舶的当前转向速率和所述船舶的当前舵角数值。

可选地，所述步骤S5包括：

S51、若所述船舶当前位置为：O(x₀,y₀)、当前航迹段为MN，M(x_M,y_M)、N(x_N,y_N)、追踪点los(x_los，y_los)、船舶当前位置到当前航迹段所在直线的垂足(x_d，y_d)根据根据下述公式一获取所述期望航向

公式一：

其中，a为预设的常数；

x_d＝(B²x₀-A*By₀-A*C)÷(A²+B²)；

y_d＝(-A*Bx₀+A²y₀-B*C)÷(A²+B²)；

Lpp为船舶的船长，d为船舶当前位置到航迹段MN的距离，

Ax+By+C＝0为当前航迹段所在直线的标准直线方程，上述公式中的A、B、C与标准直线方程中的系数一一对应。

可选地，当x_los-x₀<0并且y_los-y₀≥0时，a＝450；

除上述a＝450的数值对应条件之外，则a取90。

可选地，所述步骤S3包括：

S31、根据公式二获取所述转向速率：

公式二：r＝Kδ；

其中，r为转向速率，K为船舶的旋回性指数，δ为所述船舶的当前舵角数值；

或者，

S31、根据公式三获取所述转向速率；

公式三：r_d＝αr_max＝α*Kδ_max

α为与依据转向角度变化的转向速率系数、δ_max为船舶舵机允许的最大舵角、K为船舶的旋回性指数。

可选地，所述步骤S3包括：

S33、根据下述公式，获取转向起始距离D_minturn，所述转向起始距离的起始位置为转向起始位置；

其中：v为船舶当前的运行速度，T为船舶追随性指数，K为船舶旋回性指数，t为操舵时间，δ_max为船舶舵机允许的最大舵角；

设M(x_M,y_M),N(x_N,y_N),O(x_O,y_O)；

向量MN的模：

向量NO的模：

向量MN、NO的向量积：

第二方面，本发明还提供一种船舶自动循迹的实现装置，包括存储器，处理器；

所述存储器存储计算机程序，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序，其具体为执行上述第一方面任一所述的船舶自动循迹的实现方法。

本发明的有益效果是：

本发明中通过获取航迹点(例如航迹中的拐点)的基础上，根据船舶性能，实现船舶的自动循迹。

本发明的方法充分结合实际船舶转向操作中的经验，精确控制船舶的设定航向，并且考虑到船舶的惯性及舵机操作时间，计算出合理的起舵距离。

另外本发明不划分直线循迹和转向循迹，即将直线循迹和转向循迹统一处理，省去复杂的逻辑判断，进而解决了转向过程偏航时循迹效果不佳的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的船舶自动循迹的实现方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例提供的船舶自动循迹的实现方法的流程示意图；

图3为本发明另一实施例提供的路径规划航线中航迹段的示意图；

图4为本发明另一实施例提供的本发明的方法和现有方法的应用效果对比图。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

如图1所示，图1示出了本发明一实施例提供的船舶自动循迹的实现方法的流程示意图，本实施例的方法包括下述步骤：

S1、针对行驶中的船舶，选取该船舶路径规划航线中的航迹点，并根据选取的航迹点依次形成航迹段；

S2、根据船舶的当前位置，确定所述船舶当前位置所属的航迹段及相邻的下一航迹段的信息。

需要说明的是，在实际应用中，确定所述船舶当前位置所属的航迹段之后，若确定该船舶当前位置所属的航迹段是最后一段航迹段，则结束。

S3、根据所述船舶的基本信息和运行参数，获取所述船舶运行至所述下一航迹段的转向速率、所述船舶进行下一航迹段转向的转向起始距离。

举例来说，该步骤中船舶的基本信息可包括下述的一种或多种信息：

所述船舶的船长、船宽，船舶旋回性指数K，船舶追随性指数T，操舵时间t，船舶多机的最大舵角信息等；

所述船舶的运行参数包括：所述船舶的当前位置、当前运行速度、所述船舶的当前转向速率、所述船舶的当前舵角数值等。

S4、判断船舶的当前位置到当前航迹段终点的距离是否小于转向起始距离。

在具体应用中，若判断船舶的当前位置到当前航迹段终点的距离大于转向起始距离，则继续按照当前航迹段循迹，直至小于等于转向起始距离。

在小于等于转向起始距离时，可执行下述的步骤S4和步骤S6实现自动循迹进而达到切换下一条航迹段。

S5、若小于等于，根据所述船舶的当前位置和当前的航迹段计算出所述船舶在当前位置的期望航向。

可理解的是，在所述船舶进行循迹航行的过程中，船舶的位置是时刻变化的，该船舶自动循迹的实现方法根据船舶当前位置实时输出期望航向，比如当所述船舶T1时刻处于位置P1时期望航向为C1，当所述船舶T2时刻处于位置P2时期望航向为C2，其中，期望航向是指使所述船舶实现循迹航行所需要的航向，T1、T2为相邻的时刻，从T1时刻到T2时刻为一个时间段，下述步骤S6的说明中提到的时间段为该时间段。

S6、获取所述船舶的当前航向，判断所述当前航向与所述期望航向的差值是否小于允许的航向变化量，若是，则修正后的期望航向为步骤S5所得的期望航向，

否则，修正后的期望航向＝船舶当前航向±预先设定的允许的航向变化量，符号±的判断以接近步骤S5所得的期望航向为准，比如船舶当前航向为20，允许的航向变化量为2，如果期望航向为21，则修正后的期望航向为21，如果期望航向为30，则修正后的期望航向为22，其中，允许的航向变化量＝转向速率×时间段，其含义为所述船舶在一个时间段内所能转向的最大角度；

可理解的是，若当前航向与所述期望航向的差值大于等于允许的航向变化量，则修正所述期望航向，使得修正后的期望航向＝船舶当前航向±预先设定的允许的航向变化量；

或者，若当前航向与所述期望航向的差值大于等于允许的航向变化量，则根据船舶当前转向速率修正所述期望航向。

周期性或者实时重复步骤S4至步骤S6，直至切换航迹段完成，即切换至下一条航迹段循迹。

在具体应用中，重复上述步骤S4至步骤S6，直至切换到下一条航迹段循迹，在下一条航迹段上循迹时重复步骤S2至步骤S6，直至运行至终点。

本实施例中通过获取航迹点(例如航迹中的拐点)的基础上，根据船舶性能，实现船舶的自动循迹。

本实施例的方法充分结合实际船舶转向操作中的经验，精确控制船舶的设定航向，并且考虑到船舶的惯性及舵机操作时间，计算出合理的起舵距离。

另外本实施例中不划分直线循迹和转向循迹，即将直线循迹和转向循迹统一处理，省去复杂的逻辑判断，进而解决了转向过程偏航时循迹效果不佳的问题。

结合图2至图4所示，对本发明实施例的船舶自动循迹的实现方法的流程示意图；本实施例的方法可说明如下。

201、船舶执行上述图1的方法时开始前的准备工作，获取航程规划后的航迹点，并且设置第一和第二航迹点为第一条航迹段及进行一次提前转向距离和转向速率的计算。

在本实施例中，航程规划可理解为船舶路径规划航线，航迹点可为该船舶路径规划航线的路径点，或者，航迹点可为该船舶路径规划航线上的路径拐点。

通常，相邻航迹点的距离根据实际需要设置。

202、获取船舶的基本参数，例如，船长，船宽，船舶旋回性指数K，船舶追随性指数T等船舶参数。

203、获取船舶的当前位置以及当前航向、当前航迹段的航向，下一航迹段的期望航向。

204、判断当前位置是否到达终点，如果到达则结束，否则继续；

205、判断当前位置是否到达转向起始距离的转向起始位置，如果是则切换到下一条航迹段。

转向起始位置即为转向距离的起始点，转向距离＝转向起始点到该航迹段的终点的距离。

本实施例中，航迹为多段线，下一条航迹段就是船舶当前所处航迹段的下一段航迹。切换的意思是船舶将按照下一个航迹段计算航向。

206、计算船舶当前位置上的期望航向；

并依据船舶的实时运行参数，实时根据转向速率修正计算的期望航向。

在本实施例中，期望航向是船舶为了达到循迹航行目的所需要的航向。

船舶的期望航向可能会与船舶当前的航向差值过大，在实际操船中不可能一次性将船操纵至期望航向。因此将差值(期望航向-实际航向)限定在转向速率以内。

207、比较船舶的实际航向和当前航迹段的方向的差值，如果小于一定值则进行一次转向起始点位置和转向速率的计算，为下一个转向点提前做好准备；

举例来说，转向点为航迹点，也可以成为拐点，是航迹段的连接点。

208、根据修正的期望航向和设定航行速度航行直至航行到终点。

本实施例中的所有航迹段都是直线段。

为了更好的理解前述各步骤的内容，以下对部分步骤的内容进行说明：

针对前述步骤201中的获取航程规划后的航迹点、航迹段、提前转向距离、转向速率等说明如下：

1)获取初始航迹点并选取当前航迹段

通过智能算法(如A*算法)获取航程规划路线，进而从航程规划路线中筛选航迹点，将获取到的第一个航迹点M和第二个航迹点N所组成的航迹段MN设置为船舶循迹航行的第一个航迹段，如图3所示。

图3中，M、N、O、P为航迹点；线段MN、NO、OP为航迹段；点N、O为转向点，表明船舶到该点时需要进行转向；若船舶处于线段MN之间，则船舶的下一航迹段为NO。

2)计算期望航向

2-1、设船舶当前位置为O(x₀,y₀)；

2-2、航迹段MN直线方程：Ax+By+C＝0公式一；

过船舶当前位置(x₀,y₀)点垂直于MN的直线方程：(y–y₀)÷(x-x₀)＝B÷A公式二；

联立公式一和公式二，解得垂足为：

x_d＝(B²x₀-A*By₀-A*C)÷(A²+B²)

y_d＝(-A*Bx₀+A²y₀-B*C)÷(A²+B²)

2-3、计算船舶当前位置O(x₀,y₀)到航迹段MN的距离d

2-4、利用勾股定理，计算追踪点到垂足的距离d₁

注：其中Lpp为本船船长，d为船舶当前位置到航迹段MN的距离。

2-5、当前航迹段方向C_MN

C_MN＝atan2(x_N-x_M,y_N-y_M)

2-6、计算追踪点T(x_los,y_los)位置

x_los＝x_d+d₁sin(C_MN)

y_los＝y_d+d₁cos(C_MN)

2-7、判断追踪点T(x_los,y_los)是否在直线段MN上面，方法为判断MT+NT＝MN，如果等于则在，不等于则判断离M、N点哪一个更近，将追踪点设为较近的一个点。

2-8、计算期望航向

注：当x_los-x₀<0并且y_kos-y₀≥0时，a＝450；其他情况a＝90。

3)考虑到循迹过程中船舶的稳定性问题，对于步骤2)中输出的期望航向进行必要的修正，舵角与稳态的转向速率存在着如下的关系：

r＝Kδ

其中，r为转向速率，K为船舶的旋回性指数，δ为舵角。同时因为存在舵角限制，船舶的最大转向速度将由船舶允许的最大舵角决定，通常船舶最大舵角介于25～35度之间，当船舶的K值得到之后，就可以确定船舶的最大转向速率：

r_max＝Kδ_max

根据实际船舶转向操作中的经验，当转向角度大时，操船者希望使用较大的转向速度，以缩短转向的时间，此时舵机可能满舵，以达到较大的转向速度。当转向角度较小的时候，操船者希望使用较小的转向速度，以精确控制船舶达到设定航向。

从舵机使用的角度考虑，为了减少舵机的磨损，希望舵机能够平稳的操作，避免出现剧烈的操舵行为。从这个角度看，也是希望转向角度较小时，使用小的转向速度，以减少舵机的剧烈操作。如图4所示，图4中左侧是使用本发明的方法的效果示意图，图4右侧为使用现有技术的方案的效果图。

为此，针对船舶循迹中的转向控制，在非紧急情况下，可以用下面的公式设定转向速率：

r_d＝αr_max

其中：α为转向系数，实际应用中可以根据情况再做相应的调整。当出现紧急情况时，可以直接设定转向速度为r_max。α可以通过下表查询得到：

下述表格中的转向角度为船舶当前航向和期望航向的差值。

转向角度(度)	转向速度系数(α)
		<20	0.1
20～30	0.2
		30～40	0.3
40～50	0.4
		50～60	0.5
60～70	0.6
		70～80	0.7
80～90	0.8
		90～100	0.9
>100	1

4)由于步骤3)中对于期望航向的输出做出了必要的修正，使船舶能够平稳的进行转向操作。

进一步地，为了确保船舶循迹转向时不发生超调，并且考虑到船舶的大惯性特性，在到达拐点时需要提前进行转向动作。因此判断转向时机显得尤为重要。

A1、判断是否存在下一个航迹段，如果不存在则说明当前航迹段为最后航迹段，已经不需要考虑转向问题。

A2、若存在下一个航迹段，计算当前航迹段与下一航迹段的差值。通过查表得到α转向系数。

a)计算航迹方向的差值

设M(x_AM,y_M),N(x_BN,y_N),O(x_O,y_CO)；

向量MN的模：

向量NO的模：

向量MN、NO的向量积：

b)两段航迹段的夹角

c)转向系数赋值，根据C_dif的值，通过查表得到α转向系数。

A3、考虑操舵提前量，计算提前转向的距离即前述的转向距离起始位置：

其中，v为本船速度，T为船舶追随性指数，K为船舶旋回性指数，t为操舵时间(是一个常数)，δ_max为船舶舵机允许的最大舵角。

由此，当船舶循迹到最后一段航迹段时，并且距离终点一定的距离时，判定船舶的本次循迹航行结束。

本发明实施例充分借鉴实际操船的经验，可实现大转向角度采用大转向速率，小转向角度采用小转向速率，使船舶行驶更加平稳。

本发明能够在船舶偏离航线的时候引导船舶快速的回到航线上。

本发明充分考虑船舶的操纵性，结合航迹点进行相关参数(如转向速率、换向距离)的计算，大大减少对于船舶的剧烈操作。

通过对期望航向的修正，仅使用直线循迹策略解决循迹转向问题。

根据本发明的另一方面，本发明实施例还提供一种船舶自动循迹的实现装置，其包括存储器，处理器；

所述存储器存储计算机程序，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序，其具体为执行上述任意方法实施例的船舶自动循迹的实现方法。

本实施例的船舶自动循迹的实现装置位于船舶中，用于为船舶的航行进行自动循迹。本发明实施例的方案充分借鉴实际操船的经验，可实现大转向角度采用大转向速率，小转向角度采用小转向速率，使船舶行驶更加平稳。特别地，使船舶在偏航状态下可快速且平稳的回到原航迹上。

上述方案充分考虑船舶的操纵性，结合航迹点进行相关参数(如转向速率、换向距离)的计算，大大减少对于船舶的剧烈操作。

以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种船舶自动循迹的实现方法，其特征在于，包括：

S1、针对行驶中的船舶，选取该船舶路径规划航线中的航迹点，并根据选取的航迹点依次形成航迹段；

S2、根据船舶的当前位置，确定所述船舶当前位置所属的航迹段及相邻的下一航迹段的信息；

S3、根据所述船舶的基本信息和运行参数，获取所述船舶运行至所述下一航迹段的转向速率、所述船舶进行下一航迹段转向的转向起始距离；

S4、判断船舶的当前位置到当前航迹段终点的距离是否小于转向起始距离；

S5、若小于等于，根据所述船舶的当前位置和当前的航迹段计算出所述船舶在当前位置的期望航向；

S6、获取所述船舶的当前航向，判断所述当前航向与所述期望航向的差值是否小于允许的航向变化量，若是，则修正后的期望航向为步骤S5所得的期望航向；

重复上述步骤S4至步骤S6，直至切换到下一条航迹段循迹，并重复步骤S2至步骤S6，直至运行至终点。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：若判断船舶的当前位置到当前航迹段终点的距离大于转向起始距离，则继续按照当前航迹段循迹。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6还包括：

若当前航向与所述期望航向的差值大于等于允许的航向变化量，则修正所述期望航向，使得修正后的期望航向＝船舶当前航向±预先设定的允许的航向变化量；

或者，

若当前航向与所述期望航向的差值大于等于允许的航向变化量，则根据船舶当前转向速率修正所述期望航向。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

判断该船舶当前位置所属的航迹段是否是最后一段航迹段；

若是，则不进行步骤S3和步骤S6，直至所述船舶航行至当前航迹段终点后结束。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述船舶的基本信息包括下述的一种或多种信息：

所述船舶的船长、船宽，船舶旋回性指数K，船舶追随性指数T，操舵时间t和船舶舵机的最大舵角信息；

所述船舶的运行参数包括：所述船舶的当前位置、当前运行速度、所述船舶的当前转向速率和所述船舶的当前舵角数值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

S51、若所述船舶当前位置为：O(x₀，y₀)、当前航迹段为MN，M(x_M，y_M)、N(x_N，y_N)、追踪点los(x_los，y_los)、船舶当前位置到当前航迹段所在直线的垂足(x_d，y_d)根据根据下述公式一获取所述期望航向

公式一：

其中，a为预设的常数；

x_d＝(B²x₀-A*By₀-A*C)÷(A²+B²)；

y_d＝(-A*Bx₀+A²y₀-B*C)÷(A²+B²)；

Lpp为船舶的船长，d为船舶当前位置到航迹段MN的距离，

Ax+By+C＝0为当前航迹段所在直线的标准直线方程，上述公式中的A、B、C与标准直线方程中的系数一一对应。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当x_los-x₀＜0并且y_los-y₀≥0时，a＝450；

除上述a＝450的数值对应条件之外，则a取90。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、根据公式二获取所述转向速率：

公式二：r＝Kδ；

其中，r为转向速率，K为船舶的旋回性指数，δ为所述船舶的当前舵角数值；

或者，

S31、根据公式三获取所述转向速率；

公式三：r_d＝αr_max＝α*Kδ_max

α为与依据转向角度变化的转向速率系数、δ_max为船舶舵机允许的最大舵角、K为船舶的旋回性指数。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S33、根据下述公式，获取转向起始距离D_minturn，所述转向起始距离的起始位置为转向起始位置；

其中：v为船舶当前的运行速度，T为船舶追随性指数，K为船舶旋回性指数，t为操舵时间，δ_max为船舶舵机允许的最大舵角；

设M(x_M，y_M)，N(x_N，y_N)，O(x_O，y_O)；

向量MN的模：

向量NO的模：

向量MN、NO的向量积：

10.一种船舶自动循迹的实现装置，其特征在于，包括存储器，处理器；

所述存储器存储计算机程序，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序，其具体为执行上述权利要求1至9任一所述的船舶自动循迹的实现方法。

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