本发明涉及船舶控制工程与船舶自动化航行领域，更具体地，涉及一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路径跟踪制导方法。
背景技术：
：：制导是指根据设定航路点及避碰/避障要求规划船舶当前的参考运动轨迹，获取船舶运动状态(包括船舶位置和姿态变量)命令信号，引导船舶自动航行的过程。对现代水面船舶而言，先进的制导方法具有提升船舶航行经济性、安全性和保障船舶高精度操纵作业的重大意义。传统制导方法仅考虑船舶的路径跟踪任务，适用于大洋航行的非机动状态，常见的制导方法有可视距离(los)制导方法，动态虚拟船型(dvs)制导方法等。为进一步探索船舶在机动状态下避碰操纵同路径跟踪任务的结合，寻求一种兼顾二者的制导方法成为近年来的研究热点。基于非线性控制理论的稳定极限环(stablelimitcycles)的避障策略具有抖振小、安全、高效，便于同《国际海上避碰规则》(colregs)结合的优点，已有研究将路径跟踪与稳定极限环避障相结合的制导策略，如等。文献[1]将收敛到稳定极限环的避碰策略引入到los路径跟踪制导方法中，具有一定创新性和实际意义，下面对此方法进行简要介绍。此方法依托los制导方法的框架建立，其基本原理如图1所示。实船在参考路径pi-1pi上的投影沿着该路径经过前向距离▽可获得该路径上的期望目标点af，该目标点对于实船的真方位角ψl′os(见公式(1))即为los制导方法的命令艏向角。当实船航行到航路点附近时，会进入如图1中pi处所示的转向边界环，当前的路径跟踪任务由pi-1pi切换为pipi+1。los制导方法仅仅能够提供艏向角的命令信号，对前进速度up没有提供有效制导，依据航海经验设定实船在路径跟踪任务下的命令前进速度为定值。考虑到实船的欠驱动特性，对原命令艏向角进行漂角补偿，得到命令艏向角ψlos如公式(2)。该制导方法在路径跟踪模式下，按照上述los制导方法的引导航行。如果实船附近存在会遇船舶(即实船进入如图2所示的以会遇船舶为中心，rm为半径的探测环内)，且存在与会遇船舶发生碰撞的风险，则执行避碰制导方法。按照如图2所示的参数说明，碰撞发生风险通过公式(3)定义的避碰操纵条件确定。式(3)中，ro为以会遇船舶为中心的稳定极限环的半径，的定义如公式(4)，若避碰操纵条件(3)不满足，实船依然按照路径跟踪制导航行，否则按照避碰制导航行，获取命令艏向角ψoa如公式(5)。其中，uoa是避碰制导方法下的命令前进速度，为实现避碰的有效性，uoa必须大于会遇船舶的前进速度uc。δ为避碰操纵的前向距离，垂直于实船和会遇船舶的连线，并和会遇船舶的稳定极限环相切。λ＝±1决定了实船环绕稳定极限环的方向，+1为顺时针，-1为逆时针，通过colregs确定λ的具体值。k用于补偿会遇船舶前进运动对稳定极限环收敛的影响，定义为式(6)。式中b＝-2ev02，c＝-(δ2+e2)v02。该制导方法的流程图如图3所示，当实船在会遇船舶探测环之外时，执行路径跟踪制导；当实船进入探测环内时，依据避碰操纵条件决定是否执行避碰操纵，在避碰模式下，艏向角和前进速度的命令信号会引导实船收敛到会遇船舶的稳定极限环上。上述los框架下具有稳定极限环收敛机制的路径跟踪避碰制导方法虽然实现了路径跟踪和避碰的有效结合，却因为其固有特性存在不可避免的缺陷。现将其技术不足总结为如下几点：1)基于los框架，该制导方法同样存在航路点附近自动转向而无法实施有效控制的问题，不适用于曲线航线的路径规划问题；难以同基于假设“任意参考路径都能够由虚拟船型产生”的相关控制策略研究相结合，限制了该制导方法的应用。2)无论路径跟踪模式还是避碰模式，该制导方法都无法提供前进速度的有效制导，固定的船舶推进输入无法满足高精度路径跟踪任务的要求。在避碰模式下，无法根据来船的前进速度灵活调整命令前进速度，降低了该方法的普适性。3)稳定极限环收敛的避碰机制，限制了避碰模式下实船的轨迹，在某些特定避碰局面下会造成航程浪费。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于dvs框架的含有碰撞风险预测机制的制导方法，该制导方法能够对航路点处曲线段的路径进行规划，进而保证了方法在整个参考路径上的有效性，同时对碰撞风险进行提前分析，从而避免冗余航程和保证航程光滑，适用于欠驱动船舶的控制。为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种具有碰撞风险预测机制的水面船舶避碰及路径跟踪制导方法，其特征在于包括以下步骤：s1：设定航路点信息w1,w2,…,wn，分别建立导引虚拟船型gvs和动态虚拟船型dvs的运动数学模型；s2：导引虚拟船型gvs根据设定航路点对直线段和曲线段的参考路径进行规划，并始终沿参考路径行驶；s3：在动态虚拟船型dvs的探测环半径之内不存在会遇船舶时，处于路径跟踪模式；s4：在动态虚拟船型dvs的探测环半径之内出现会遇船舶时，进行避碰局面分类，如果会遇船舶追越动态虚拟船型dvs且动态虚拟船型dvs速度小于会遇船舶速度时，动态虚拟船型dvs和导引虚拟船型gvs按照路径跟踪模式的制导信息航行，并回到步骤s3，否则进入步骤s5；s5：计算动态虚拟船型dvs和会遇船舶在路径跟踪模式下碰撞风险，如果存在碰撞风险，则避碰操纵模式激活，进入步骤s6，否则进入步骤s10；s6：激活避碰操纵模式，计算避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo；s7：计算路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh；s8：计算动态虚拟船型dvs在路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh下，与会遇船舶的碰撞风险，如果不存在碰撞风险，选取动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud＝udh，当前艏向角ψd＝ψdh，导引虚拟船型gvs的当前前进速度ug＝ud，如果存在碰撞风险，使用避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo作为动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud和当前艏向角ψd，并按照下式计算随后的动态虚拟船型dvs的前进速度ud和艏向角ψd导引虚拟船型gvs的当前前进速度ug＝ud，其中δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udp是动态虚拟船型dvs的避碰操纵前进速度，ψdp是动态虚拟船型dvs的避碰操纵艏向角，ε为增益因数；s9：在每个采样时间点计算dvs在路径跟踪艏向角ψdp和路径跟踪前进速度udp下的碰撞风险，如果存在碰撞风险，进入步骤s6，否则进入步骤s10；s10：动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud和当前艏向角ψd选取为gvs的当前前进速度ug＝ugp，其中δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udp是动态虚拟船型dvs的路径跟踪前进速度，ψdp是动态虚拟船型dvs的路径跟踪艏向角，ε为增益因数，完成由避碰操纵到路径跟踪模式的过渡；之后，回到步骤s3，继续以路径跟踪模式航行。进一步地，步骤s5中，计算碰撞风险的方法为：计算动态虚拟船型dvs按照路径跟踪模式下的当前艏向角及前进速度航行，与会遇船舶的最小距离会遇时间点tmin＝t2、最小会遇距离lmin，如果lsafe＞lmin，此时认为存在碰撞风险，否则不存在碰撞风险。进一步地，步骤s3中所述的路径跟踪模式定义为：导引虚拟船型gvs的速度为设定常数值ugp，动态虚拟船型dvs的当前艏向角ψd等于导引虚拟船型gvs相对于动态虚拟船型dvs的真方位角ψdp其中xd,yd为动态虚拟船型dvs的坐标，xg,yg为导引虚拟船型gvs的坐标，动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud等于动态虚拟船型dvs的路径跟踪前进速度udp，由下式决定ud＝udp其中ldbset代表着实船到dvs距离的设定上界，kd为用于调整dvs到gvs的收敛速度调节参数，ldg为动态虚拟船型dvs与导引虚拟船型gvs之间的距离，ldb为动态虚拟船型dvs与实船之间的距离，动态虚拟船型dvs向实船发出制导命令，引导实船进行路径跟踪。进一步地，步骤s6中所述的避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo按照下列步骤进行计算：步骤s61：按照下式求解能够消除碰撞风险的最小dvs艏向角和速度变化δu＝min{δu1,δu2}其中l(·)代表着给定速度和艏向角下，dvs和来船距离随着时间t的变化，δts是采样周期，ψd(t-δts)和ud(t-δts)分别代表着上一时间点的艏向角和前进速度值，δu1和δu2分别代表着速度的绝对变化量，ε称为增益因数，λ为避碰局面特征值，对于dvs追越会遇船舶和左侧交叉相遇，λ＝+1，对于对遇和右侧交叉相遇，λ＝-1；s62：dvs的避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo由下式决定其中ε称为增益因数，λ为避碰局面特征值，对于dvs追越会遇船舶和左侧交叉相遇，λ＝+1，对于对遇和右侧交叉相遇，λ＝-1。从上述技术方案可以看出，本发明通过结合dvs制导方法的优势和碰撞风险预测机制，具有实现船舶路径跟踪和自主避碰的能力。在来船未进入dvs探测范围时，执行路径跟踪制导；在来船进入dvs探测范围时，对碰撞风险进行预测，若路径跟踪制导模式存在碰撞风险，则执行避碰操纵制导，选取能够消除碰撞风险的制导信息，并保证对路径跟踪任务的回归趋势；如不存在碰撞风险，则恢复到路径跟踪制导模式。同时dvs当前前进速度和艏向角随时间的变化是光滑的。因此，本发明适用于曲线航线的路径规划问题，可提供前进速度的有效制导，并且避免了某些特定避碰局面下的航程浪费的显著特点。附图说明图1是现有技术中los制导方法基本原理；图2是现有技术中避障制导方法参数说明；图3是现有技术中los路径跟踪避碰制导流程图；图4是本发明的dvs制导方法基本原理；图5是本发明的避碰局面分类示意图；图6是本发明的碰撞风险预测机制示意图；图7是本发明的具有碰撞风险预测机制的水面船舶避碰及路径跟踪制导方法的流程图；图8是大连海事大学教学实习船“育鲲”轮的示意图；图9是5级海况下风场和波面视图；图10是实船轨迹平面视图；图11是一具体实施例中的dvs引导变量的时间变化曲线；图12是一具体实施例中的控制输入的时间变化曲线。具体实施方式下面结合附图4～7，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图7，并结合图4～6，图7是本发明的避碰制导流程图。如图7所示，本发明的具有碰撞风险预测机制的路径跟踪避碰制导方法，包括以下步骤s1：设定航路点信息w1,w2,…,wn，分别建立导引虚拟船型gvs和动态虚拟船型dvs的运动数学模型，gvs和dvs都属于具有公式(7)描述的运动学特性的无惯性无阻尼的虚拟船型s2：导引虚拟船型gvs根据设定航路点对直线段和曲线段的参考路径进行规划，并始终沿参考路径行驶；gvs对航路点处的曲线路段规划通过圆的内插法实现，其基本原理见文献[2]，为了避免gvs超前或滞后的问题，本方法在避碰操纵时会对gvs的前进速度进行调节。根据gvs的当前前进速度和参考路径的几何特性，gvs的位置状态信息可以实时获得。s3：在动态虚拟船型dvs的探测环半径之内不存在会遇船舶时，处于路径跟踪模式；当会遇船舶在以dvs为中心，rtest为半径的探测环外时，处于路径跟踪模式下，其中rtest代表着船舶探测设备的可识别范围，可根据避碰的需要调节大小。此模式下，dvs始终朝向gvs航行，即dvs的路径跟踪艏向角ψdp等于它对于gvs的真方位角，见公式(8)，此时dvs的当前艏向角ψd＝ψdp。dvs的路径跟踪前进速度udp按公式(9)进行规划，dvs的当前前进速度ud＝udp。其中，ldbset代表着实船到dvs距离的设定上界，可根据执行机构的功率限制调整大小，用于保证控制输入满足执行机构的饱和特性。当ldb＝ldbset时，udp＝0，即dvs始终在实船ldbset为半径的圆范围内。kd为调节参数，用于调整dvs到gvs的收敛速度。ugp为gvs路径跟踪模式下的前进速度，设置为固定常数，根据路径跟踪的需要调整大小。路径跟踪模式下，式(8)和(9)的的规划保证了dvs对gvs位置的收敛，路径跟踪任务的完成。s4：在动态虚拟船型dvs的探测环半径之内出现会遇船舶时，进行避碰局面分类，如果会遇船舶追越动态虚拟船型dvs且动态虚拟船型dvs速度小于会遇船舶速度时，进入步骤s2，否则进入步骤s5；当会遇船舶进入dvs的探测范围内时，避碰操纵模式可能被激发，主要依据对碰撞风险的预测。首先对当前的避碰局面进行分类，参数说明如图5所示。在对遇船舶进入dvs探测范围的一瞬间根据碰撞夹角决定当前避碰局面，如图6所示，避碰局面确定以后保持不变直到来船驶出探测范围，避碰过程结束。根据colregs的规定和航海操纵经验，在dvs“追越”会遇船舶和“左侧交叉相遇”的避碰局面下，实船应当加速超越并且向右侧操舵；在“对遇”和“右侧交叉相遇”的局面下，实船应当减速慢行并且向右侧操舵；在会遇船舶“追越”dvs局面下，dvs应当继续按照路径跟踪制导航行。在前两种情况下，需继续计算碰撞风险，在后一种情况下，无需计算碰撞风险，继续保持路径跟踪模式。s5：根据动态虚拟船型dvs和会遇船舶的前进速度和艏向角信息，计算碰撞风险，如果存在碰撞风险，则避碰操纵模式激活，进入步骤s6，否则进入步骤s2；碰撞风险预测的原理如图6所示，根据dvs和来船的前进速度和艏向角信息，其最小会遇距离及最小距离时间点可以获得。假定当前时间点t＝t1，如果按照当前艏向角及前进速度航行，可以通过两船的几何关系求得最小距离会遇时间点tmin＝t2、最小会遇距离lmin。给定安全半径lsafe(其值的大小决定了避碰策略的安全性能)，可以通过lsafe和lmin的关系衡量是否存在碰撞风险。图7中，lsafe＞lmin，此时认为存在碰撞风险，激活避碰操纵模式。如果lsafe≤lmin，则认为不存在碰撞风险，dvs可以按照当前艏向角和前进速度航行。不同于图7，如果求得t≤tmin，则认为已经经过最小会遇距离，dvs和会遇船舶间的距离在t≥tmin的时间里会单调递增，本方法认为此种情况也不存在碰撞风险。s6：激活避碰操纵模式，计算避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo；按公式(10)求解能够消除碰撞风险的最小dvs艏向角和速度变化，其中，l(·)代表着给定速度和艏向角下，dvs和来船距离随着时间t的变化。δts是采样周期，ψd(t-δts)和ud(t-δts)分别代表着上一时间点的艏向角和前进速度值。δu1和δu2分别代表着速度的绝对变化量，ε称为增益因数，在本方法中的含义为：dvs前进速度每变化δu，艏向角有能力变化εδu，其值的大小根据执行器的推进能力确定。λ的值对应着不同避碰局面，对于dvs“追越”会遇船舶和“左侧交叉相遇”，λ＝+1，对于“对遇”和“右侧交叉相遇”，λ＝-1。利用公式(10)可以分别求出最小会遇距离和后续时间不存在碰撞风险的最小速度变化量δu1和δu2。令δu＝min{δu1,δu2}，进一步定义避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo如式(11)。为保证gvs和dvs前进速度的配合，令ug＝ud。s7：计算路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh；为了避免产生冗余航程，促进dvs在避碰操纵结束后回归到路径跟踪任务上，定义路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh如公式(12)，。其中，代表着每个采样周期速度的变化能力s8：计算动态虚拟船型dvs在路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh下，与会遇船舶的碰撞风险，如果不存在碰撞风险，选取动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud＝udh，当前艏向角ψd＝ψdh，导引虚拟船型gvs的当前前进速度ug＝ud，如果存在碰撞风险，使用避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo作为动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud和当前艏向角ψd，并按照下式计算随后的动态虚拟船型dvs的前进速度ud和艏向角ψd导引虚拟船型gvs的当前前进速度ug＝ud，其中δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udo是动态虚拟船型dvs的避碰操纵前进速度，ψdo是动态虚拟船型dvs的避碰操纵艏向角，ε为增益因数；在采用路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh作为dvs参数的情况下，需要预测该速度和艏向角下dvs的碰撞风险，求解最小会遇距离和最小距离时间点，如果不存在碰撞风险，选取动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud＝udh，当前艏向角ψd＝ψdh，导引虚拟船型gvs的当前前进速度ug＝ud，dvs具有回归到路径跟踪任务上的趋势。如果存在碰撞风险，按照(11)式选取动态虚拟船型dvs的当前前进速度ud和当前艏向角ψd，为了保证不同命令速度和艏向角制导的光滑过渡，选取当前前进速度和艏向角如公式(13)，并令ug＝ud。s9：在每个采样时间点计算dvs在路径跟踪艏向角ψdp和路径跟踪前进速度udp下的碰撞风险，如果存在碰撞风险，仍处于避碰操纵模式，否则进入步骤s10；在每一个采样时间点，计算在dvs的探测范围内，如果按照路径跟踪制导策略(8)，(9)的碰撞风险，如果存在碰撞风险，仍处于避碰操纵模式，否则dvs此时已经完成避碰操纵或者来船尚未对dvs构成碰撞的威胁，此时应回归到路径跟踪模式上。s10：完成避碰操纵的动态虚拟船型dvs的当前前进速度udo和当前艏向角ψdo选取为gvs的当前前进速度ug＝ugp，其中δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udp是动态虚拟船型dvs的路径跟踪前进速度，ψdp是动态虚拟船型dvs的路径跟踪艏向角，ε为增益因数，回到步骤s3；本制导方法结合dvs制导方法的优势和碰撞风险预测机制，具有实现船舶路径跟踪和自主避碰的能力，该方法的执行流程如图7所示。在来船未进入dvs探测范围时，执行路径跟踪制导；在来船进入dvs探测范围时，对碰撞风险进行预测，若路径跟踪制导模式存在碰撞风险，则执行避碰操纵制导，选取能够消除碰撞风险的制导信息，并保证对路径跟踪任务的回归趋势；如不存在碰撞风险，则恢复到路径跟踪制导模式。同时dvs当前前进速度和艏向角随时间的变化是光滑的。为验证本制导方法的有效性，以大连海事大学科研实习船“育鲲”轮为例，开展了模拟真实海况下的路径跟踪及避碰仿真实验。“育鲲”轮的一些关键参数如表1所示。表1.“育鲲”轮关键参数“育鲲”轮具有如公式(16)所示的3自由度数学模型，其水动力参数通过先进辨识方法[6]和实船操纵性试验获得。其中，τu,τr代表控制输入，外界干扰以附加力和力矩τwu,τwv,τwr的形式作用在三个自由度上。设定5个航路点分别为(50m,50m)，(250m,2000m)，(1700m,2580m)，(3200m,2000m)，(3500m,400m)，给定位置状态的初始值如下[xd(0),yd(0),x(0),y(0),ψ(0),u(0),v(0),r(0)]＝[25m,25m,0m,0m,30°,0m/s,0m/s,0m/s]。制导方法参数设置为：ugp＝6m/s，ldbset＝200m，kd＝0.05，rtest＝8lpp，lsafe＝4lpp，ε＝2.5。模拟“育鲲”在5级海况条件下航行的情况，对应蒲氏风级6级，风向30°，海浪的干扰力和力矩通过“torsethaugen”海浪波谱[1]构建，此时的风场视图和波面视图如图9所示。给定4个对应不同避碰局面的会遇船舶，假设均具有和“育鲲”相同的尺度，其参数设置如表2所示。表2.会遇船舶参数设置根据colregs规定，如果在避碰操纵的过程中，本船具有航行优先权，则来船应当主动执行避碰操纵，用驼峰函数描述来船的轨迹，否则规定其轨迹为直线，实船主动执行避碰操纵。另外，假设会遇船舶只在如表2所示的起始时间出现，在结束时间湮灭。将文献[2]中的鲁棒神经自适应控制策略应用在本仿真中，给定8个时间点：t(1)＝130s，t(2)＝200s，t(3)＝460s，t(4)＝520s，t(5)＝730s，t(6)＝770s，t(7)＝940s，t(8)＝1020s。仿真结果如图10和图11所示。图10给出了“育鲲”轮和来船在8个时间点的轨迹。由图10可以知，在避碰模式下“育鲲”轮和来船能够保持合适的安全距离，消除碰撞风险，避碰操纵结束后能够迅速回归到路径跟踪任务上来，且路径跟踪精度高，说明控制策略对外界干扰具有鲁棒性。另一方面，“育鲲”在避碰模式和路径跟踪模式之间的轨迹光滑，说明制导策略保证了模式切换的良好过渡性能。图11给出了“育鲲”的状态变量随时间变化的曲线，可以看出制导方法对前进速度和艏向角的规划高效合理，抖振小，过渡光滑，制导方法和控制策略的耦合保证了系统状态变量的一致有界。图12给出了控制输入的时间变化曲线，根据不同的控制策略会有不同，因为实船的舵机和推进器等执行机构具有滤波特性，抖振的存在是合理的。得益于dvs制导方法对执行器饱和特性的考虑，控制输入是有界的。通过仿真实验，验证了本发明所提出制导方法的有效性，对比已存在的制导方法，本发明带来的有益效果可以总结为以下几点：1)良好的路径规划能力。本制导方法基于dvs框架提出，继承了dvs制导方法的优势。本制导方法可以对航路点处曲线段的路径进行规划，进而保证了方法在整个参考路径上的有效性。2)基于碰撞风险预测的避碰制导机制，能够提前对碰撞风险进行分析，找到最近的能够消除风险的艏向角和速度，在避碰操纵结束后可以迅速回归到路径跟踪任务上，不会产生冗余航程。3)制导方法引入了速度的调节，适用范围广、限制少，对会遇船舶的速度没有要求，中间变量的引入确保了速度和艏向的变化是一个光滑的过程。4)制导方法同先进控制策略的耦合性好，适用于欠驱动船舶的控制，能够有效落实“一切光滑轨迹均可由虚拟船型产生”的假设。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
：的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页12当前第1页12