本发明涉及一种双无人艇自主协同回收船舶方法，属于海洋智能航行器控制领域。
背景技术：
由于码头区域来往船只较多，一般都比较繁忙，回收在近海岸发生航行故障的船舶通常采用有人拖轮拖航的方式，耗费时间与人力，经济性差。船舶靠泊操纵也是船舶操纵领域最复杂的操作之一，大型船舶的靠泊要依靠拖轮实现靠泊，小型船舶条件允许时也可进行自行操纵靠泊；即便如此，据统计，70％的靠泊事故与驾驶员在港内的不良船艺有关。在低速运动状态下船舶的操纵稳定性和舵效相对较差，而且靠泊过程的精度要求又很高。
专利号：cn103901806b，名称为“一种智能船舶靠泊辅助系统及方法”，提供了一种固定在岸端的监测系统，靠泊辅助系统中包括数据实时采集模块、数据实时处理模块、信息实时发布模块。基于多种传感器为靠泊船只提供环境信息，起到预警作用。然而，在低速靠泊的过程中，精确辨识船舶的动力学模型比较困难，所述的辅助系统发送到靠泊船只的控制信息不完全正确；而且所述的辅助系统不能适用于没有携带移动终端的靠泊船只。
专利号：cn106875753a，名称为“基于物联网技术的船舶靠泊辅助系统”。所述的船舶靠泊辅助系统基于物联网技术，利用局部网络或互联网通信技术把各传感器信息、控制器信息、港口信息、船舶信息和驾驶员信息联系在一起，实现靠泊过程动态可视化监控，保障船舶靠泊的安全性。所述方法中的靠泊船只必须安装激光测距模块、六自由度传感器模块、ais模块、gps模块等才能实现辅助靠泊过程，这大大减小了所述辅助靠泊系统的适用范围。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种双无人艇自主协同回收船舶方法，通过零空间的行为融合方法，分析双无人艇在执行协同辅助靠泊中的具体行为，以及顶推待回收船舶时船舶对两艘无人艇产生的位姿影响；获得双无人艇在成功顶推船舶至目的位置时需要执行多个行为情况下的应对措施，以此得到行为融合后双无人艇的期望艏向及航速，完成自主协同回收船舶。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种双无人艇自主协同回收船舶方法，包括如下步骤：
步骤一、靠泊系统根据待回收船舶位置、双无人艇当前位置、码头内障碍目标当前位置信息，获得双无人艇前往待回收船舶位置轨迹；靠泊系统将上述轨迹发送给双无人艇；
步骤二、双无人艇接收靠泊系统发送的双无人艇前往待回收船舶位置轨迹，按上述轨迹行驶至待回收船舶所在位置，所述双无人艇带有拖航设备；
步骤三、双无人艇判断待回收船舶是否满足拖拽条件，若满足，待回收船舶上的船员将双无人艇的拖航设备安装到待回收船舶上，转入步骤四；若不满足，转入步骤一；
步骤四、双无人艇自主获得当前位置到指定泊位区域的轨迹，双无人艇将自身当前艏向及速度信息发送给待回收船舶，待回收船舶根据双无人艇的艏向及速度设定待回收船舶的艏向及速度；
步骤五、双无人艇将待回收船舶拖航至指定泊位区域，待回收船舶停止操作，双无人艇卸下拖航设备，双无人艇行驶至待回收船舶靠泊位置相反的一侧；
步骤六、双无人艇采用零空间行为融合控制方法，获得双无人艇的期望行为，双无人艇根据上述期望行为，将待回收船舶推到期望靠泊位置；
步骤七、若待回收船舶进入靠泊位置，则本次船舶回收结束；若待回收船舶未进入靠泊位置，转入步骤六，直到待回收船舶进入靠泊位置。
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，所述双无人艇自主协同回收船舶方法至少包括两艘无人艇。
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，所述步骤三中双无人艇带有传感器，所述传感器用于测量双无人艇与待回收船舶的位置和角度关系，双无人艇判断待回收船舶满足拖拽的条件包括：
(1)在垂直于待回收船舶艏向方向，双无人艇与待回收船舶的距离均小于等于2m；
(2)双无人艇与待回收船舶的艏向夹角均小于等于15°；
(3)双无人艇的拖航设备与待回收船舶的距离均小于等于1m。
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，所述拖航设备包括拖航索，所述拖航索的局部为轻杆结构。
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，：所述零空间行为融合控制方法的具体步骤包括：
步骤(1)双无人艇根据自身与待回收船舶的位置姿态信息，判断双无人艇的位置是否满足位置初始化要求；若双无人艇的位置满足位置初始化要求，则转入步骤(2；否则双无人艇的控制系统进行位置初始化、船舶艏向动态调整、改变顶推角度的行为融合；
步骤(2)双无人艇根据自身与待回收船舶的位置姿态信息，判断待回收船舶的艏向是否满足靠泊要求；若待回收船舶的艏向满足要求，则转入步骤(3)；否则双无人艇的控制系统进行船舶艏向动态调整与改变顶推角度的行为融合；
步骤(3)双无人艇根据自身与待回收船舶的位置姿态信息，判断双无人艇的顶推角度是否均垂直于待回收船舶的艏向；若双无人艇的顶推角度均垂直于待回收船舶的艏向，则转入步骤(4)；否则双无人艇的控制系统改变两艘无人艇的顶推角度；
步骤(4)双无人艇保持实时的位置与姿态角，低速启动，顶推待回收船舶至靠泊位置；若待回收船舶已到达靠泊位置，则近码头协同靠泊成功；否则转入步骤(1)。
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，所述双无人艇的控制系统进行位置初始化、船舶艏向动态调整、改变顶推角度的行为融合的具体方法为：
设待回收船舶的实时位置与艏向为
(a)位置初始化行为
使用零空间方法可得，双无人艇系统位置初始化行为的行为变量δl为：
则行为变量δl的雅克比矩阵jl为：
位置初始化行为的输出速度vl为：
式中，va为无人艇a的位置初始化行为输出速度，vb为无人艇b的位置初始化行为输出速度，λl为位置初始化行为的影响因子；
(b)船舶艏向动态调整行为
双无人艇系统船舶艏向动态调整行为，其本质上是调整无人艇b的输出速度，输出速度矩阵vh为：
式中，输出速度(ua,ub)t为a、b无人艇在大地坐标系oe-xeyeze中的合速度，
(c)改变顶推角度行为
使用零空间方法可得，双无人艇系统位置初始化行为的行为变量δd为：
则行为变量δd的雅克比矩阵jd为：
输出速度vd为：
式中，λd为改变顶推角度行为增益；
将位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为进行融合，则求得位置初始化行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度vl,d：
式中，vl,d为位置初始化行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度，i为单位矩阵，vd为改变顶推角度行为输出速度；
双无人艇最终输出的融合输出速度与艏向为vl,h,d：
式中，vl,h,d为位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度。
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，所述双无人艇的控制系统进行船舶艏向动态调整与改变顶推角度的行为融合的输出速度与艏向vh,d为：
其中，vh,d为船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度与艏向，ua、ub分别为无人艇a和无人艇b的实时航速，
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，所述双无人艇的位置初始化要求为：两艘无人艇的艏部应分别紧靠待回收船舶1的艏部与艉部。
上述双无人艇自主协同回收船舶方法，所述回收船舶的艏向的靠泊要求为：待回收船舶1的艏向
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明中针对的待回收船舶不需要额外配备任何环境感知传感器或其他通讯设备，适用范围广；
(2)本发明中的双无人艇系统在回收船舶过程中可以自主航行完成待回收船舶的靠泊工作，不需要待回收船舶上的驾驶员进行任何操作，节省时间与人力；
(3)本发明中双无人艇配备拖航设备的拖航索的局部为轻杆结构，相对于普通柔性拖航索来说，能够很大程度上减小拖航索对两艘无人艇产生的回转力矩。
附图说明
图1为本发明双无人艇自主协同回收船舶方法的总体流程示意图；
图2为本发明双无人艇对待回收船舶的拖航示意图；
图3为本发明双无人艇近码头协同辅助待回收船舶靠泊示意图；
图4为本发明双无人艇控制系统进行零空间行为融合流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
本发明考虑使用双无人艇协同回收失事船舶并辅助失事船舶或船舶靠泊，能够提供更大的拖曳力，系统容错性也更强。因此，使用双无人艇的自主协同协助回收船舶具有重要的意义。若使用双无人艇来辅助船舶靠泊，靠泊船舶不用携带指定移动终端，也不用另外安装其他传感器，适用范围广。而且传感器与主控模块间的通信易受天气影响，使用双无人艇就可以实现双无人艇自主回收船舶并辅助靠泊；因此本发明方法的无人艇数量至少为两艘。
一种双无人艇自主协同回收船舶方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤一、待回收船舶1向岸上的靠泊系统发送靠泊请求和自身位置，靠泊系统接收待回收船舶1位置；靠泊系统根据待回收船舶1位置、双无人艇当前位置、码头内障碍目标当前位置信息，靠泊系统采用人工势场法获得双无人艇前往待回收船舶1位置轨迹；靠泊系统将上述轨迹发送给双无人艇。
步骤二、双无人艇接收靠泊系统发送的双无人艇前往待回收船舶1位置轨迹，按上述轨迹行驶至待回收船舶1所在位置。
其中双无人艇带有拖航设备，如图2所示。现有技术使用柔性拖航设备，在无人艇a、无人艇b艉部会产生由待回收船舶1带来的回转力矩，对双无人艇系统的正常航行带来很大影响。本发明的拖航设备包括拖航索3，拖航索3的局部为轻杆结构2，这时待回收船舶1对拖航设备的拖曳力方向被结构2约束，很大程度上减小对无人艇a、无人艇b产生的回转力矩。将拖航设备分别安装到无人艇a、无人艇b艉部，安装方法采用吸盘6的方式，其中吸盘6中带有抽放真空机构，便于在近码头辅助待回收船舶1拖航时能够快速脱离拖航设备。
步骤三、双无人艇判断待回收船舶1是否满足拖拽条件，双无人艇带有用于测量双无人艇与待回收船舶1的位置和角度关系的传感器，具体的拖拽条件为：
(1)在垂直于待回收船舶1艏向方向，双无人艇与待回收船舶1的距离均小于等于2m；
(2)双无人艇与待回收船舶1的艏向夹角均小于等于15°；
(3)双无人艇的拖航设备与待回收船舶1的距离均小于等于1m。
若同时满足上述3个条件，待回收船舶1上的船员将双无人艇的拖航设备安装到待回收船舶1上，转入步骤四；若不同时满足上述3个条件，则转入步骤一。
步骤四、双无人艇采用人工势场法自主获得当前位置到指定泊位区域的轨迹，双无人艇将自身当前艏向及速度信息发送给待回收船舶1，待回收船舶1根据双无人艇的艏向及速度设定待回收船舶1的艏向及速度，节省靠泊时间；
步骤五、双无人艇将待回收船舶1拖航至指定泊位区域，即靠泊位置7附近，待回收船舶1停止操作，双无人艇卸下拖航设备，双无人艇行驶至待回收船舶1靠泊位置7相反的一侧，即远离缓冲装置8的一侧；
步骤六、双无人艇采用零空间行为融合控制方法，获得双无人艇的期望行为，双无人艇根据上述期望行为，将待回收船舶1推到期望靠泊位置7；
步骤七、若待回收船舶1进入靠泊位置7，则本次船舶回收结束；若待回收船舶1未进入靠泊位置7，转入步骤六，直到待回收船舶1进入靠泊位置7。
现有技术中双无人艇的顶推位置或艏向角度不同，待回收船舶1受到的顶推作用力也不同。如图3所示，将待回收船舶1推到期望靠泊位置7，即要将待回收船舶1顶推至靠泊位置7，其中在岸边布置了缓冲装置8。顶推位置在待回收船舶1艉部的效果最好，在船舶艏部的位置次之；双无人艇与船舶间的作用力角度在90°最好，如无人艇a、无人艇b的位置。
在协同辅助靠泊行为中，两艘无人艇在顶推过程中与待回收船舶1间的作用力会影响两艘无人艇位置及艏向和待回收船舶1的位置及艏向，因此涉及到两艘无人艇间的互相配合与协调。本发明采用零空间行为融合控制方法，根据顶推靠泊的流程，将零空间行为优先级从高到低为：位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为，具体行为控制流程如图4所示。其中位置初始化的意义是，将无人艇a、无人艇b的位置调整到待回收船舶1的艏部与艉部，两艘无人艇低速行驶可达到顶推最优效果；船舶艏向动态调整行为是通过调整无人艇b提供的顶推力(顶推位置在待回收船舶1艉部效率最高)，使待回收船舶1的艏向与期望靠泊艏向一致；在上述行为成功进行时，调整两艘无人艇的艏向，使无人艇与船舶间的作用力呈90°，这样提供的顶推力最大。
零空间行为融合控制方法具体步骤为：
步骤(a)双无人艇根据自身与待回收船舶1的位置姿态信息，判断双无人艇的位置是否满足位置初始化要求，即两艘无人艇的艏部应分别紧靠待回收船舶1的艏部与艉部，如图3所示。若双无人艇的位置满足位置初始化要求，则转入步骤(b)；若双无人艇的位置不满足位置初始化要求，则双无人艇的控制系统需进行位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为、改变顶推角度行为的融合。
双无人艇的控制系统进行位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为、改变顶推角度行为的融合方法为：
设待回收船舶1的实时位置与艏向为
(a1)位置初始化行为
使用零空间方法可得，双无人艇系统位置初始化行为的行为变量δl为：
则行为变量δl的雅克比矩阵jl为：
位置初始化行为的输出速度vl为：
式中，va为无人艇a的位置初始化行为输出速度，vb为无人艇b的位置初始化行为输出速度，λl为位置初始化行为的影响因子。
(a2)船舶艏向动态调整行为
双无人艇系统船舶艏向动态调整行为，其本质上是调整无人艇b的输出速度，输出速度矩阵vh为：
式中，输出速度(ua,ub)t为a、b无人艇在大地坐标系oe-xeyeze中的合速度，
(a3)改变顶推角度行为
使用零空间方法可得，双无人艇系统位置初始化行为的行为变量δd为：
则行为变量δd的雅克比矩阵jd为：
输出速度vd为：
式中，λd为改变顶推角度行为增益。
按照图4所示步骤，将位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为进行融合，则求得位置初始化行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度vl,d：
式中，vl,d为位置初始化行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度，i为单位矩阵，vd为改变顶推角度行为输出速度。
双无人艇最终输出的位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为的融合输出速度与艏向为vl,h,d：
式中，vl,h,d为位置初始化行为、船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度与艏向。
步骤(b)双无人艇根据自身与待回收船舶1的位置姿态信息，判断待回收船舶1的艏向是否满足靠泊要求，如图3所示，待回收船舶1的艏向
将船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为进行融合，则求得双无人艇系统最终输出的船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为的融合输出速度与艏向vh,d为：
其中，vh,d为船舶艏向动态调整行为与改变顶推角度行为的行为融合输出速度与艏向，ua、ub分别为无人艇a和无人艇b的实时航速。
步骤(c)双无人艇根据自身与待回收船舶1的位置姿态信息，判断双无人艇的顶推角度是否均垂直于待回收船舶1的艏向；若双无人艇的顶推角度均垂直于待回收船舶1的艏向，则转入步骤(d)；否则双无人艇的控制系统需改变两艘无人艇的顶推角度；
步骤(d)双无人艇保持实时的位置与姿态角，低速启动，顶推待回收船舶1至靠泊位置7。若待回收船舶1已到达靠泊位置7，则近码头协同靠泊成功；若未到达靠泊位置7，转入步骤(a)。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。