[发明专利]一种船舶防碰撞控制系统的设计方法

权利要求书

1.一种船舶防碰撞控制系统的设计方法，其特征在于，

船舶防碰撞控制系统，包括：船舶运动模块、路径跟踪制导模块、人机共融制导模块；

船舶运动模块用于输出船舶的位置信息；所述船舶运动模块的输入端与人机共融制导模块的输出端相连，所述船舶运动模块的输出端与路径跟踪制导模块和人机共融制导模块的输入端相连；

路径跟踪制导模块用于设计路径跟踪制导律ψ_LOS和参数化更新律，控制船舶航行路径；所述路径跟踪制导模块的输入端与船舶运动模块的输出端相连，所述路径跟踪制导模块的输出端与人机共融制导模块的输入端相连；

人机共融制导模块用于设计人机共融制导律，控制驾驶员的指令和路径跟踪制导模块对船舶航行的控制比重；所述人机共融制导模块的输入端与船舶运动模块和路径跟踪制导模块的输出端相连，所述人机共融制导模块的输出端与船舶运动模块的输入端相连；船舶防碰撞控制系统的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、建立船舶运动模块，获取船舶位置信息(x,y)；

步骤2、根据经验设定船舶参数化路径信息，根据步骤1的船舶位置信息、船舶参数化路径信息，获取路径跟踪制导律ψ_LOS和参数化更新律，建立模块路径跟踪制导模块；

步骤3、根据路径跟踪制导律ψ_LOS和基于目标船舶与障碍物的视距ρ，获得人机共融权值λ，建立人机共融制导模块，设计人机共融制导律，控制驾驶员的指令和路径跟踪制导模块对船舶航行的控制比重；目标船舶与障碍物的视距ρ通过船舶上的传感器获取；

所述步骤3中的人机共融制导模块为：

ψ_cmd＝λψ_H+(1-λ)ψ_LOS (9)

其中，ψ_cmd表示人机共融制导律，ψ_H表示驾驶员设置的控制指令，λ表示驾驶员参与动态决策的权值因子；ψ_LOS表示路径跟踪制导律；

驾驶员参与动态决策的权值因子λ的计算公式为：

其中，为视距传感器所测得障碍物和船舶的距离，p_o＝(x_o,y_o)为视距传感器所测得的障碍物在地球坐标系下的位置坐标，γ_ρ为增益参数，ρ_safe为距离障碍物的安全距离，ρ_danger为距离障碍物的危险距离；x代表地球坐标系船舶的x轴位置坐标、y代表地球坐标系下船舶的y轴位置坐标；距离障碍物的安全距离ρ_safe、增益参数γ_ρ均为根据经验设定；

λ＝0时说明不存在碰撞危险；λ＝1时，需要采取强制防碰撞措施；0λ1时，需要人类驾驶员的输入加权，平滑的由路径跟踪过渡到防碰撞操纵。

2.根据权利要求1所述的一种船舶防碰撞控制系统的设计方法，其特征在于，所述步骤1中建立船舶运动模块包括：

步骤11、计算船舶位置信息的导数：

其中，分别船舶位置信息(x,y)x轴位置坐标、y轴位置坐标的导数；ψ代表地球坐标系下船舶的艏摇角，U表示防碰撞船舶的纵荡速度、横荡速度的合速度，U为根据经验设定，β表示防碰撞船舶的侧滑角，

防碰撞船舶的侧滑角β为根据经验设定，β∈(-π,π]；

步骤12、根据船舶位置坐标导数，自动生成船舶的x轴位置坐标x、船舶的y轴位置坐标y。

3.根据权利要求1所述的一种船舶防碰撞控制系统的设计方法，其特征在于，所述步骤2中建立路径跟踪制导模块包括：

步骤21、设计路径跟踪制导律，所述路径跟踪制导律用于控制船舶航向：

其中，ψ_LOS表示路径跟踪制导律，表示规划路径的切向角，和表示规划路径(x_d(θ),y_d(θ))中规划横坐标x_d(θ)的导数，表示规划路径(x_d(θ),y_d(θ))中规划纵坐标y_d(θ)的导数，e表示根据经验设定的沿规划路径的纵向跟踪误差，Δ表示根据经验设定的前视距离，Δ∈R；规划路径(x_d(θ),y_d(θ))为根据经验设定；

步骤22、设计参数更新律，参数更新律用于实时更新船舶的规划路径(x_d(θ),y_d(θ))，所述参数更新律为：

其中，表示参数更新律，表示理想速度，k表示根据经验设定的恒定增益参数，k0，s表示根据经验设定的沿规划路径的横向跟踪误差；ψ_d表示根据经验设定的期望航向角。