拖轮护航作业的跟踪巡航方法、系统和存储介质

1.本发明涉及船舶技术领域，尤其是一种拖轮护航作业的跟踪巡航方法、系统和存储介质。


背景技术：

2.相关技术中，港口拖轮作为港口系统的重要组成部分，对于港口的现代化建设、绿色化建设、智能化建设是至关重要的。但是，传统拖轮在应用过程中，存在燃料的使用量高和驾驶员工作负荷强的问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种拖轮护航作业的跟踪巡航方法、系统和存储介质，能够有效降低拖轮燃料的使用量和驾驶员工作负荷。
4.一方面，本发明实施例提供了一种拖轮护航作业的跟踪巡航方法，包括以下步骤：
5.获取目标船舶和作业拖轮的距离方位信息；
6.构建大地坐标系和附体坐标系；
7.确定所述距离方位信息在所述附体坐标系的第一矢量；
8.将所述第一矢量转换为所述大地坐标系的第二矢量；
9.构建拖轮的数学模型；
10.根据所述数学模型和所述第二矢量构建所述作业拖轮和所述目标船舶的误差模型；
11.构建李雅普诺夫函数和滑模控制面；
12.根据所述第一矢量和所述误差模型，采用反步法确定期望速度和期望角速度；所述反步法包括所述李雅普诺夫函数和所述滑模控制面；
13.根据所述期望速度和期望角速度确定所述目标船舶和作业拖轮之间的控制信息，所述控制信息包括作业拖轮的推进力期望量和转向力矩期望量。
14.在一些实施例中，所述获取目标船舶和作业拖轮的距离方位信息，包括：
15.获取若干个基站与定位标签的脉冲距离，所述若干个基站设置于所述作业拖轮上，所述定位标签设置于所述目标船舶上；
16.确定每个所述基站对应的圆，所述圆为以基站为中心且以基站对应的脉冲距离为半径生成的圆；
17.确定所述基站对应圆的交点坐标；
18.根据所述交点坐标确定所述目标船舶和作业拖轮的距离方位信息。
19.在一些实施例中，所述若干个基站分别设置于所述作业拖轮的船尾位置、左舷位置和右舷位置。
20.在一些实施例中，所述李雅普诺夫函数如下公式：
[0021][0022][0023][0024]
其中，和均表示李雅普诺夫函数；表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的期望速度的一阶导数；系中x方向上的期望速度的一阶导数；表示所述目标船舶和所述作业拖轮的船艏角度差；e
x
表示在大地坐标系下x方向上的船艏角度差分量；ey表示在大地坐标系下y方向上的船艏角度差分量；在大地坐标系下y方向上的船艏角度差分量；l
xd
表示附体坐标系中x方向上的船舶之间的距离期望值，表示l
xd
的一阶导数；l
yd
表示附体坐标系中y方向上的船舶之间的距离期望值，表示l
yd
的一阶导数；re表示作业拖轮的角速度误差；v1表示所述目标船舶在所述附体坐标系中y方向上的速度；u1表示所述目标船舶在所述附体坐标系中x方向上的速度；r1表示所述目标船舶的艏角速度；表示作业拖轮的期望角速度的一阶导数；τ
r2
表示作业拖轮的转船力矩；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度；表示所述目标船舶和所述作业拖轮的船艏角度差；r2表示所述作业拖轮的艏角速度；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；m
11
、m
22
和m
33
表示所述作业拖轮的惯性分量；d
11
和d
33
表示所述作业拖轮的水阻尼分量。
[0025]
在一些实施例中，所述滑模控制面如下公式：
[0026][0027]
或，
[0028][0029]
其中，s表示滑模控制面；λ表示滑模控制面参数；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度；r2表示所述作业拖轮的艏角速度；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；v
2d
表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的期望速度；表示v
2d
的一阶导数、表示ve的二阶导数；ve表示表示目标船舶在附体坐标系中x方向上的速度误差；τ
wv
表示环境干扰力；m
11
和m
22
表示所述作业拖轮的惯性分量；d
22
表示所述作业拖轮的水阻尼分量。
[0030]
在一些实施例中，所述采用反步法确定期望速度如下公式：
[0031][0032]
其中，u
2d
表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的期望速度；k1表示所述目标船舶的滑模控制面参数；表示所述目标船舶和所述作业拖轮的船艏角度差；
[0033]
所述反步法确定期望角速度如下公式：
[0034][0035]
其中，r
2d
表示所述作业拖轮的期望艏角速度；s表示滑模控制面；m
11
和m
22
表示所述作业拖轮的惯性分量；δ、ε、k和λ均表示滑模控制面参数；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；v
2d
表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的期望速度；表示v
2d
的一阶导数；表示ve的二阶导数；τ
wv
表示环境干扰力；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度。
[0036]
在一些实施例中，所述根据所述期望速度和期望角速度确定所述目标船舶和作业拖轮之间的控制信息，如下公式：
[0037][0038][0039]
其中，τ
u2
表示所述作业拖轮的推进力期望量；τ
r2
表示所述作业拖轮的转向力矩期望量；m
11
、m
22
和m
33
表示所述作业拖轮的惯性分量；d
11
和d
33
表示所述作业拖轮的水阻尼分量；k3和k4表示反步法参数；ue表示作业拖轮在附体坐标系中x方向上的速度误差；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；r2表示所述作业拖轮的艏角速度；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度；τ
wu
和τ
wr
表示环境干扰力。
[0040]
另一方面，本发明实施例提供了一种拖轮护航作业的跟踪巡航系统，包括：
[0041]
获取模块，用于获取目标船舶和作业拖轮的距离方位信息；
[0042]
第一构建模块，用于构建大地坐标系和附体坐标系；
[0043]
第一确定模块，用于确定所述距离方位信息在所述附体坐标系的第一矢量；
[0044]
转换模块，用于将所述第一矢量转换为所述大地坐标系的第二矢量；
[0045]
第二构建模块，用于构建拖轮的数学模型；
[0046]
第三构建模块，用于根据所述数学模型和所述第二矢量构建所述作业拖轮和所述目标船舶的误差模型；
[0047]
第四构建模块，用于构建李雅普诺夫函数和滑模控制面；
[0048]
获取模块，用于根据所述第一矢量和所述误差模型，采用反步法确定期望速度和期望角速度；所述反步法包括所述李雅普诺夫函数和所述滑模控制面；
[0049]
第二确定模块，用于根据所述期望速度和期望角速度确定所述目标船舶和作业拖轮之间的控制信息，所述控制信息包括作业拖轮的推进力期望量和转向力矩期望量。
[0050]
另一方面，本发明实施例提供了一种拖轮护航作业的跟踪巡航系统，包括：
[0051]
至少一个存储器，用于存储程序；
[0052]
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行所述的拖轮护航作业的跟踪巡航方法。
[0053]
另一方面，本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，
所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现所述的拖轮护航作业的跟踪巡航方法。
[0054]
本发明实施例提供的一种拖轮护航作业的跟踪巡航方法，具有如下有益效果：
[0055]
本实施例通过将获取目标船舶和作业拖轮的距离方位信息从附体坐标系的矢量转换为大地坐标系的第二矢量，并根据构建的数学模型和第二矢量构建作业拖轮和目标船舶的误差模型，然后根据第一矢量和误差模型，采用包括李雅普诺夫函数和所述滑模控制面的反步法确定期望速度和期望角速度，再根据期望速度和期望角速度确定目标船舶和作业拖轮之间的控制信息，从而可以使得拖轮根据实际情况进行动力输出，有效降低拖轮燃料的使用量，并可以实现自动控制，有效降低驾驶员工作负荷。
[0056]
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0057]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：
[0058]
图1为本发明实施例的一种拖轮护航作业的跟踪巡航方法的流程图；
[0059]
图2为本发明实施例的uwb工作原理图；
[0060]
图3为本发明实施例的作业拖轮和目标船舶的矢量转换示意图。
具体实施方式
[0061]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0062]
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0063]
在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0064]
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
[0065]
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0066]
参照图1，本发明实施例提供了一种拖轮护航作业的跟踪巡航方法，本实施例的方法可应用于船舶控制平台的处理端、云端或服务器。具体的，在应用过程中，如图1所示，本
实施例的方法包括但不限于以下步骤：
[0067]
步骤110、获取目标船舶和作业拖轮的距离方位信息。
[0068]
在本技术实施例中，可以通过获取设置于所述作业拖轮上的若干个基站与设置于所述目标船舶上的定位标签的脉冲距离，以基站为中心且以基站对应的脉冲距离为半径确定每个所述基站对应的圆，然后确定所述基站对应圆的交点坐标，根据所述交点坐标确定所述目标船舶和作业拖轮的距离方位信息。例如，如图2所示，作业拖轮210在图示位置放置三个uwb基站211，即在作业拖轮的船尾位置、左舷位置和右舷位置分别放置一个uwb基站211，目标船舶220的合适位置放置uwb定位标签221。当驾驶员开启跟踪巡航功能时，每个uwb基站分别和uwb定位标签进行脉冲测距，得到每个基站与定位标签的距离，随后以每个基站为中心，定位标签与基站间的距离为半径画圆，三个圆圈的交点坐标则是定位标签所处的三维坐标，通过对三维坐标的转换计算，可以得到目标船舶与作业拖轮间的距离方位信息。
[0069]
步骤120、构建大地坐标系和附体坐标系。具体地，附体坐标系也叫船体坐标系，在附体坐标系中可以看到船舶的加速度和角加速度矢量；大地坐标系用于反应目标船舶和拖轮之间的真距离、真速度，从而得到目标船舶和拖轮间的速度差矢量和距离差矢量。
[0070]
步骤130、确定所述距离方位信息在所述附体坐标系的第一矢量，并将所述第一矢量转换为所述大地坐标系的第二矢量。具体地，作业拖轮和目标船舶可以通过图3所示的矢量转换图进行转换。
[0071]
步骤140、构建拖轮的数学模型。具体的，数学模型可以通过对作业拖轮资料的收集和对作业拖轮进行实验后确定符合当前状态的数据模型。其中，数学模型包括运动学模型和动力学模型。
[0072]
在本技术实施例中，船舶位置状态向量在o
e-xeyeze坐标系可被表示为η＝[x y z]
t
。对向量η1求对时间的导数，可知与船舶坐标系下的船舶速度向量v＝[u v w]
t
的关系如公式(1)所示：
[0073][0074]
其中为大地坐标系与船体坐标系的转换矩阵，v表示附体坐标系中y方向的速度。
[0075]
简化后的三自由度欠驱动船舶动力学模型可表示为公式(2)所示：
[0076][0077]
其中，m为船舶的惯性矩阵；c(v)为科里奥利和向心力矩阵；d为阻尼参数矩阵；τ＝[τ
u 0τr]
t
为船舶的控制力和力矩，τu和τr分别表示船舶纵向推进力和转向力矩，由于是欠驱动船舶，所以τv＝0；τ＝[τ
wu
τ
wv
τ
wr
]
t
表示在船舶坐标系下的位置外界时变干扰。
[0078]
m，c(v)，d的表达式分别如公式(3)、公式(4)、公式(5)和公式(6)所示：
[0079]
[0080][0081][0082][0083]
其中，d
11
＝-xu，d
22
＝-y，d
33
＝-nr。m为船舶的质量；iz为转动惯量；等为水动力导数。
[0084]
欠驱动船舶数学模型也可简化成如下公式(7)：
[0085][0086]
步骤150、根据所述数学模型和所述第二矢量构建所述作业拖轮和所述目标船舶的误差模型。具体地，所述误差模型如公式(8)所示：
[0087][0088]
其中，表示在大地坐标系下x方向上的船艏角度差分量的一阶导数；表示在大地坐标系下y方向上的船艏角度差分量的一阶导数；表示的一阶导数；表示u2的一阶导数；表示v2的一阶导数；表示r2的一阶导数；ey表示在大地坐标系下y方向上的
船艏角度差分量；l
xd
表示附体坐标系中x方向上的船舶之间的距离期望值，表示l
xd
的一阶导数；l
yd
表示附体坐标系中y方向上的船舶之间的距离期望值，表示l
yd
的一阶导数；re表示目标船舶的角速度误差；v1表示所述目标船舶在所述附体坐标系中y方向上的速度；u1表示所述目标船舶在所述附体坐标系中x方向上的速度；r1表示所述目标船舶的艏角速度；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度；表示所述目标船舶和所述作业拖轮的船艏角度差；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；r1表示所述目标船舶的艏角速度；r2表示所述作业拖轮的艏角速度；τ
u2
表示所述作业拖轮的推进力期望量；τ
r2
表示所述作业拖轮的转向力矩期望量；m
11
、m
22
和m
33
表示所述作业拖轮的惯性分量；d
11
、d
22
和d
33
表示所述作业拖轮的水阻尼分量。
[0089]
步骤160、构建李雅普诺夫函数和滑模控制面。
[0090]
在本技术实施例中，所述李雅普诺夫函数如公式(9)、公式(10)和公式(11)所示：
[0091][0092][0093][0094]
其中，和均表示李雅普诺夫函数；表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的期望速度的一阶导数；系中x方向上的期望速度的一阶导数；表示所述目标船舶和所述作业拖轮的船艏角度差；e
x
表示在大地坐标系下x方向上的船艏角度差分量；ey表示在大地坐标系下y方向上的船艏角度差分量；在大地坐标系下y方向上的船艏角度差分量；l
xd
表示附体坐标系中x方向上的船舶之间的距离期望值，表示l
xd
的一阶导数；l
yd
表示附体坐标系中y方向上的船舶之间的距离期望值，表示l
yd
的一阶导数；re表示作业拖轮的角速度误差；v1表示所述目标船舶在所述附体坐标系中y方向上的速度；u1表示所述目标船舶在所述附体坐标系中x方向上的速度；r1表示所述目标船舶的艏角速度；表示作业拖轮的期望角速度的一阶导数；τ
r2
表示作业拖轮的转船力矩；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度；表示所述目标船舶和所述作业拖轮的船艏角度差；r2表示所述作业拖轮的艏角速度；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；m
11
、m
22
和m
33
表示所述作业拖轮的惯性分量；d
11
和d
33
表示所述作业拖轮的水阻尼分量。
[0095]
所述滑模控制面如公式(12)或公式(13)所示：
[0096]
[0097][0098]
其中，s表示滑模控制面；λ表示滑模控制面参数；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度；r2表示所述作业拖轮的艏角速度；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；v
2d
表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的期望速度；表示v
2d
的一阶导数、表示ve的二阶导数；ve表示表示目标船舶在附体坐标系中x方向上的速度误差；τ
wv
表示环境干扰力；m
11
和m
22
表示所述作业拖轮的惯性分量；d
22
表示所述作业拖轮的水阻尼分量。
[0099]
步骤170、根据所述第一矢量和所述误差模型，采用反步法确定期望速度和期望角速度；所述反步法包括所述李雅普诺夫函数和所述滑模控制面。
[0100]
在本技术实施例中，所述采用反步法确定期望速度如公式(14)所示：
[0101][0102]
其中，u
2d
表示所述作业拖轮在所述大地坐标系中x方向上的期望速度；k1表示所述目标船舶的滑模控制面参数；表示所述目标船舶和所述作业拖轮的船艏角度差。
[0103]
所述反步法确定期望角速度如公式(15)所示：
[0104][0105]
其中，r
2d
表示所述作业拖轮的期望艏角速度；s表示滑模控制面；m
11
和m
22
表示所述作业拖轮的惯性分量；δ、ε、k和λ均表示滑模控制面参数；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；v
2d
表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的期望速度；表示v
2d
的一阶导数；表示ve的二阶导数；τ
wv
表示环境干扰力；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度。
[0106]
步骤180、根据所述期望速度和期望角速度确定所述目标船舶和作业拖轮之间的控制信息，所述控制信息包括作业拖轮的推进力期望量和转向力矩期望量。
[0107]
在本技术实施例中，所述根据所述期望速度和期望角速度确定所述目标船舶和作业拖轮之间的控制信息可通过公式(16)和公式(17)完成：
[0108][0109][0110]
其中，τ
u2
表示所述作业拖轮的推进力期望量；τ
r2
表示所述作业拖轮的转向力矩期望量；m
11
、m
22
和m
33
表示所述作业拖轮的惯性分量；d
11
和d
33
表示所述作业拖轮的水阻尼分量；k3和k4表示反步法参数；ue表示作业拖轮在附体坐标系中x方向上的速度误差；v2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中y方向上的速度；r2表示所述作业拖轮的艏角速度；u2表示所述作业拖轮在所述附体坐标系中x方向上的速度；τ
wu
和τ
wr
表示环境干扰力。
[0111]
综上可知，本实施例的方法在应用过程中，执行护航任务的作业拖轮由驾驶员驾
驶至与目标船的目标护航位置并保持一定的角度、速度；在执行护航任务，且航行环境不存在明显风险时，驾驶员可选择开启跟踪巡航模型；系统启动后，uwb系统开始对目标船的位置进行测距，将开启功能前与目标船的角度、距离作为拖轮作业的期望量，随后，将距离信息实时的传给控制组件；控制组件将实时距离信息转化为速度误差，通过控制算法计算得到作业拖轮的期望速度和期望角速度；将期望值转为拖轮动力组件需要的力矩信息并由拖轮动力组件执行；作业拖轮可在驾驶员不驾驶的情况下完成对目标船的护航任务。
[0112]
本发明实施例提供了一种拖轮护航作业的跟踪巡航系统，包括：
[0113]
获取模块，用于获取目标船舶和作业拖轮的距离方位信息；
[0114]
第一构建模块，用于构建大地坐标系和附体坐标系；
[0115]
第一确定模块，用于确定所述距离方位信息在所述附体坐标系的第一矢量；
[0116]
转换模块，用于将所述第一矢量转换为所述大地坐标系的第二矢量；
[0117]
第二构建模块，用于构建拖轮的数学模型；
[0118]
第三构建模块，用于根据所述数学模型和所述第二矢量构建所述作业拖轮和所述目标船舶的误差模型；
[0119]
第四构建模块，用于构建李雅普诺夫函数和滑模控制面；
[0120]
获取模块，用于根据所述第一矢量和所述误差模型，采用反步法确定期望速度和期望角速度；所述反步法包括所述李雅普诺夫函数和所述滑模控制面；
[0121]
第二确定模块，用于根据所述期望速度和期望角速度确定所述目标船舶和作业拖轮之间的控制信息，所述控制信息包括作业拖轮的推进力期望量和转向力矩期望量。
[0122]
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
[0123]
本发明实施例提供了一种拖轮护航作业的跟踪巡航系统，包括：
[0124]
至少一个存储器，用于存储程序；
[0125]
至少一个处理器，用于加载所述程序以执行图1所示的拖轮护航作业的跟踪巡航方法。
[0126]
本发明方法实施例的内容均适用于本系统实施例，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法达到的有益效果也相同。
[0127]
本发明实施例提供了一种存储介质，其中存储有计算机可执行的程序，所述计算机可执行的程序被处理器执行时用于实现图1所示的拖轮护航作业的跟踪巡航方法。
[0128]
本发明实施例还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行图1所示的拖轮护航作业的跟踪巡航方法。
[0129]
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。