[发明专利]一种船舶防碰撞控制系统的设计方法

说明书

本发明公开了一种船舶防碰撞控制系统的设计方法，其特征在于，包括：船舶运动模块、路径跟踪制导模块、人机共融制导模块；船舶运动模块的输入端与人机共融制导模块的输出端相连、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；路径跟踪制导模块的输入端与船舶运动模块的输出端相连、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、输出端与船舶运动模块的输入端相连。本发明基于无人水面船舶和障碍物之间的距离，引入人类驾驶员的活动参数，通过调节共融控制权从而缓和人机共驾的冲突，能够强制执行约束或在有意图时采取最佳行动，充分发挥人类和自动化协调能力。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制技术领域，尤其是一种船舶防碰撞控制系统的设计方法。

背景技术

船舶防碰撞操纵指船舶在不同海洋环境下能安全有效地避开各种障碍物，顺利到达目的地，既要遵循海上船舶避让规则，同时规避还需要具备实时性。目前，无人水面船舶自主防碰撞所涉及到的障碍物分为两种：一是静态障碍物，主要是礁石、浅滩、水面上的浮标等；二是动态障碍物，主要是航行中的船舶等。而船舶自主防碰撞可分为已知的全局避障规划和行驶过程中未知的局部避障规划。其中全局避障通常是在全局环境已知的情况下，寻求规避障碍物最优的运动轨迹或路径，适用于针对静态障碍物的避障；局部避障是指在局部环境未知的情况下，船舶根据探测到的实时环境信息，自主避让突遇的未知障碍物，使船舶安全完成行驶任务，一般适用于规避船舶的动态避障规划。在现有的船舶自主防碰撞系统中，存在下列不足：第一、现有针对静态障碍物的全局避障研究中，通常将船舶视为质点，忽视了对安全距离的约束往往无法安全及时的规避障碍。第二、现有的无人水面船舶防碰撞通常使用单纯的运动操纵模型，该模型非线性且不确定性高，对水路航行有较差的适应性，难以满足复杂的海面情况，不能达到船舶避障效率和航行舒适性的平衡。

发明内容

本发明提供一种船舶防碰撞控制系统及其设计方法，以克服以上问题。

本发明系统包括：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。

进一步地，位置信息通过以下策略获得：

步骤1、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2、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。

进一步地，路径跟踪制导律ψ_LOS通过以下公式获得：