CN106950955A - 基于改进los引导算法的船舶航迹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，该方法包括以下几个步骤：1、船舶在已设定航迹点生成的路径上沿某一直线航迹段航行时，由船舶的导航模块得到其实时航行信息；2、实际轨迹与规划路径之间航迹偏差超出可接受偏差d′，则运行改进的LOS引导算法计算得到期望航向；若否，保持船舶原有规划航迹航行；3、重复步骤2直至航迹偏差在可接受偏差内。本发明将改进的LOS引导算法应用于船舶航迹跟踪控制领域，思路清晰，算法简单，可控制船舶跟踪设定航线，且舵角变化平缓，能够避免船舶频繁打舵。

Description

基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法

技术领域

本发明涉及船舶航迹控制技术领域，具体涉及一种基于改进LOS(Line-of-sight，引导算法)引导算法的船舶航迹控制方法。

背景技术

水是地球家园的重要组成部分，也是社会能够实现可持续发展重要资源所在。船舶作为水体中的交通工具，在国防、国民经济和海洋开发等方面都占有显要地位。船舶具有隐身、智能、不涉及现场操作人员人身安全问题的优势。现如今，船舶作为硬件平台在民用军用等各方面都有渗透。近年来，业界对船舶的研究与开发层出不穷。船舶融合了船舶、通信、自动化、机器人控制、远程监控、网络化系统等技术，实现了自主导航、智能避障、远距离通信、视频实时传输和网络化监控等功能。面对难以预知的复杂的海洋环境，长时间、自主、安全地航行这一系列动态控制技术始终影响并制约着水面船舶向远程和多功能的方向发展。

船舶航迹控制技术具有控制精度高、不受主观因素影响、安全性高的特点，且在越来越多的方面具有很大的应用前景。伴随着世界经济和科技的高速发展，为了使船舶创造更大的经济效益，解放船上劳动力，且保证船舶安全节能地航行，船舶智能化成为了21世纪船舶发展的必然趋势。航迹控制技术作为实现船舶智能化的核心技术，不仅可以减轻船员的劳动强度,而且在远航时,在相同的航行条件下,可以减少偏航次数,减小航向偏差,从而提高航速,缩短航行时间,节省燃料,提高航行的经济效益，同时克服了船舶操纵人员主观因素的影响，能对船舶航迹进行精准科学地控制，大大地提高了船舶航行的安全性。

现今发展广泛的LOS航迹控制算法精度较高，但仍存在船舶转向精度及效率难以保证的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，该方法采用利用圆弧不断切入逼近设定航线的方法，使得船舶舵机打舵、航向变化平缓的同时能够快速地收敛于设定航线。通过对LOS算法的改进以得到更适宜的规划航向，在实现具有良好控制效果的控制算法的同时，保证了控制算法的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明公开的一种基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：船舶在已设定航迹点生成的规划路径上沿预定航迹段的某一直线航迹段航行时，由船舶的导航模块得到船舶实时的实际航迹信息；

步骤2：将船舶实时的实际航迹信息与规划路径进行比较，当船舶实时的实际航迹信息与规划路径之间的真实航迹偏差d超出可接受偏差d′时，利用以下方法运行改进的LOS引导算法计算得到船舶期望航向；否则，保持船舶原有规划航迹航行；

步骤2.1：取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；

步骤2.2：在步骤1所述的预定航迹段的某一直线航迹段左右区域建立一个缓冲区，该缓冲区的左边界和右边界均与所述预定航迹段的某一直线航迹段平行，缓冲区的左边界与所述预定航迹段的某一直线航迹段的距离为缓冲区给定航迹偏差d₀，缓冲区的右边界与所述预定航迹段的某一直线航迹段的距离也为缓冲区给定航迹偏差d₀；

步骤2.3：当船舶没有进入缓冲区，即真实航迹偏差d≥缓冲区给定航迹偏差d₀时，采用径直逼近方法，即船舶垂直于预定航线的期望航向沿最小距离逼近预定航线；

当船舶进入缓冲区，即真实航迹偏差d＜缓冲区给定航迹偏差d₀时，采用有限迭代圆弧方法实现船舶趋近预定航线，具体步骤如下：

步骤2.3.1：设A(x_k,y_k)、B(x_k+1,y_k+1)分别代表两个相邻的航迹点，船舶沿相邻航迹点A、B之间的连线航行；AB段航线的斜率角度以X轴逆时针旋转至AB段航线所在直线为负，故设定航线的航向为-θ，设C(x,y)代表船舶的当前位置，开始进入缓冲区的实时期望航向ψ(d_i)默认为船舶此时的实际航向；

步骤2.3.2：做一个经过船舶位置点C(x,y)且与实时期望航向ψ(d_i)和设定航迹段AB都相切的圆，两切点所对应的劣弧的圆周角为θ-ψ(d_i)；

步骤2.3.3：取上述劣弧的圆周角的角平分线交上述劣弧于点E，船舶位置点C(x,y)与点E的连线CE方向为期望航向，此时上述劣弧的圆周角的角平分线与X轴方向的夹角为ψ(d_i+1)，即船舶即将航行的期望航向；

步骤2.3.4：重复步骤2.3.2～步骤2.3.3，根据递推的方式得到实时期望航向其中，i为执行期望航向的次数，船舶按照实时期望航向逼近预定航迹；

步骤3：重复步骤2直至真实航迹偏差d在可接受偏差d′内。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、传统LOS设计中固定的半径R值将导致船舶无法在远离航迹线时给出更大的期望航向ψ(d)从而导致其制导效果不佳,为了解决这个问题，本发明利用圆弧不断切入逼近设定航线的方法(即改进的LOS引导算法)，使得船舶舵机打舵、航向变化平缓的同时能够快速地收敛于设定航线。

2、在航迹段切换时,传统设计中航迹段切换时转向距离同样固定，当转向角度较大时会造成船舶明显的外飘现象，本发明吸取模糊算法的思想,通过大量Matlab仿真实验以建立一个转向距离关于转向角度的函数以改善传统LOS算法易造成的船舶外飘现象。

3、本发明的LOS引导算法思路清晰，算法简单，容易实现。

附图说明

图1是基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法的流程图

图2是改进LOS引导算法后的轨迹路线

图3是缓冲区LOS的计算方法

图4是航迹段转换时LOS的计算方法

图5是基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法仿真结果

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

本发明设计了一种基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，如图1和2所示，它包括如下步骤：

步骤1：船舶在已设定航迹点生成的规划路径上沿预定航迹段的某一直线航迹段航行时，由船舶的导航模块得到船舶实时的实际航迹信息；

步骤2：将船舶实时的实际航迹信息与规划路径进行比较，当船舶实时的实际航迹信息与规划路径之间的真实航迹偏差d超出可接受偏差d′时，利用以下方法运行改进的LOS引导算法计算得到船舶期望航向；否则，保持船舶原有规划航迹航行；

步骤2.1：取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；

步骤2.2：在步骤1所述的预定航迹段的某一直线航迹段左右区域建立一个缓冲区，该缓冲区的左边界和右边界均与所述预定航迹段的某一直线航迹段平行，缓冲区的左边界与所述预定航迹段的某一直线航迹段的距离为缓冲区给定航迹偏差d₀，缓冲区的右边界与所述预定航迹段的某一直线航迹段的距离也为缓冲区给定航迹偏差d₀；

步骤2.3：当船舶没有进入缓冲区，即真实航迹偏差d≥缓冲区给定航迹偏差d₀时，采用径直逼近方法，即船舶垂直于预定航线的期望航向沿最小距离逼近预定航线；

当船舶进入缓冲区，即真实航迹偏差d＜缓冲区给定航迹偏差d₀时，采用有限迭代圆弧方法实现船舶迅速平稳的趋近预定航线，具体步骤如下(如图3所示)：

步骤2.3.1：设A(x_k,y_k)、B(x_k+1,y_k+1)分别代表两个相邻的航迹点，船舶沿相邻航迹点A、B之间的连线航行；AB段航线的斜率角度以X轴逆时针旋转至AB段航线所在直线为负，故设定航线的航向为-θ，设C(x,y)代表船舶的当前位置，开始进入缓冲区的实时期望航向ψ(d_i)默认为船舶此时的实际航向；

步骤2.3.2：做一个经过船舶位置点C(x,y)且与实时期望航向ψ(d_i)和设定航迹段AB都相切的圆，两切点所对应的劣弧的圆周角为θ-ψ(d_i)；

步骤2.3.3：取上述劣弧的圆周角的角平分线交上述劣弧于点E，船舶位置点C(x,y)与点E的连线CE方向为期望航向，此时上述劣弧的圆周角的角平分线与X轴方向的夹角为ψ(d_i+1)，即船舶即将航行的期望航向；

步骤2.3.4：重复步骤2.3.2～步骤2.3.3，根据递推的方式得到实时期望航向其中，i为执行期望航向的次数，船舶按照实时期望航向逼近预定航迹；

步骤3：重复步骤2直至真实航迹偏差d在可接受偏差d′内。

步骤4：当船舶沿预定航迹段的某一直线航迹段行驶并驶入相邻的直线航迹段时，根据相邻两直线航迹段的夹角来调节船舶的转向半径以确定不同的提前转向距离。

上述技术方案中，步骤4求解不同的提前转向距离的步骤如下(如图4所示)：

利用R_t＝(α*θ_t+β)L_PP计算提前转向距离，其中R_t为提前转向距离，θ_t为相邻两直线航迹段的夹角，α、β为常数，L_PP为船舶的垂线间长。

上述技术方案中，所述α的值为0.25，β的值为0.3。

上述技术方案中，通过做大量仿真实验确定能明显减小外飘现象的α、β值。这样在不同的转向角度下可计算出合适的转向距离，以减小船舶外飘现象，使船舶基本按照内切圆弧平稳转向，几乎保持相同的舵角。

为了验证改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法的控制效果,通过搭建间接航迹控制控制器仿真模型，采用PID控制器作为内环航向控制器，采用改进的LOS引导算法作用于外环航迹控制器，以此完成仿真实验。仿真实验参数的设定如下：设定仿真时间为400s；PID航向控制器K_p、K_i、K_d三个参数分别设定为0.35、0.0001、3.5。

图5为改进LOS引导算法后的Matlab仿真结果。从仿真结果可以看出，利用本发明提出的改进LOS方法，船舶在航迹段转换时明显减小外飘现象α、β值分别为0.25、0.3。

本发明提出了一种基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，针对直线航迹段与航迹段转换时的不同情况，采用圆弧逼近的方法，有效地实现了船舶能够更快地收敛到预定轨迹且使得航向的改变既打舵更为平缓，减少船舶外飘现象。

上述技术方案中，利用有限迭代法，即可证得当i趋近于某个不太大的值时便已经足使ψ(d_i)趋于设定航向-θ，且期望航向的变化Δψ(d_i)趋于0，也即舵角基本保持不变，证明过程如下：

舵角变化量

当i趋近于无穷大时，ψ(d_i)趋于设定航向-θ，Δψ(d_i)趋于0，ψ(d_i-1)表示期望航向ψ(d_i)上一次求到的期望航向，ψ(d)表示启用LOS算法的初始时刻的期望航向；

由于船舶垂直于设定航线AB的方向进入缓冲区，由几何关系易得

其中，Δ为航向偏差，若航向偏差Δ的允许范围为1°，即令得i≥16，即打16次舵后航向偏差便可达到允许范围且按指数减小。

由此证得，改进的LOS算法能够使船舶快速且平缓地收敛于设定航线。

在本实施例中，所述步骤3是对期望航向的校对，在一定的可接受偏差d′范围内，实现船舶的航迹跟踪控制。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：船舶在已设定航迹点生成的规划路径上沿预定航迹段的某一直线航迹段航行时，由船舶的导航模块得到船舶实时的实际航迹信息；

步骤2：将船舶实时的实际航迹信息与规划路径进行比较，当船舶实时的实际航迹信息与规划路径之间的真实航迹偏差d超出可接受偏差d′时，利用以下方法运行改进的LOS引导算法计算得到船舶期望航向；否则，保持船舶原有规划航迹航行；

步骤2.1：取固定在地球上的坐标系为XY轴的参考坐标系；

步骤2.2：在步骤1所述的预定航迹段的某一直线航迹段左右区域建立一个缓冲区，该缓冲区的左边界和右边界均与所述预定航迹段的某一直线航迹段平行，缓冲区的左边界与所述预定航迹段的某一直线航迹段的距离为缓冲区给定航迹偏差d₀，缓冲区的右边界与所述预定航迹段的某一直线航迹段的距离也为缓冲区给定航迹偏差d₀；

步骤2.3：当船舶没有进入缓冲区，即真实航迹偏差d≥缓冲区给定航迹偏差d₀时，采用径直逼近方法，即船舶垂直于预定航线的期望航向沿最小距离逼近预定航线；

当船舶进入缓冲区，即真实航迹偏差d＜缓冲区给定航迹偏差d₀时，采用有限迭代圆弧方法实现船舶趋近预定航线，具体步骤如下：

步骤2.3.1：设A(x_k,y_k)、B(x_k+1,y_k+1)分别代表两个相邻的航迹点，船舶沿相邻航迹点A、B之间的连线航行；AB段航线的斜率角度以X轴逆时针旋转至AB段航线所在直线为负，故设定航线的航向为-θ，设C(x,y)代表船舶的当前位置，开始进入缓冲区的实时期望航向ψ(d_i)默认为船舶此时的实际航向；

步骤2.3.2：做一个经过船舶位置点C(x,y)且与实时期望航向ψ(d_i)和设定航迹段AB都相切的圆，两切点所对应的劣弧的圆周角为θ-ψ(d_i)；

步骤2.3.3：取上述劣弧的圆周角的角平分线交上述劣弧于点E，船舶位置点C(x,y)与点E的连线CE方向为期望航向，此时上述劣弧的圆周角的角平分线与X轴方向的夹角为ψ(d_i+1)，即船舶即将航行的期望航向；

$\mathrm{\ψ}\left(d_{i+1}\right)=\frac{3}{4}\mathrm{\ψ}\left(d_i\right)+\frac{1}{4}\mathrm{\θ}$

步骤2.3.4：重复步骤2.3.2～步骤2.3.3，根据递推的方式得到实时期望航向其中，i为执行期望航向的次数，船舶按照实时期望航向逼近预定航迹；

步骤3：重复步骤2直至真实航迹偏差d在可接受偏差d′内。

2.根据权利要求1所述的基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，其特征在于：所述步骤3后还包括步骤4：当船舶沿预定航迹段的某一直线航迹段行驶并驶入相邻的直线航迹段时，根据相邻两直线航迹段的夹角来调节船舶的转向半径以确定不同的提前转向距离。

3.根据权利要求2所述的基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，其特征在于：步骤4求解不同的提前转向距离的步骤如下：

利用R_t＝(α*θ_t+β)L_PP计算提前转向距离，其中R_t为提前转向距离，θ_t为相邻两直线航迹段的夹角，α、β为常数，L_PP为船舶的垂线间长。

4.根据权利要求3所述的基于改进LOS引导算法的船舶航迹控制方法，其特征在于：所述α的值为0.25，β的值为0.3。