[发明专利]面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统和方法

权利要求书

1.一种面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统，其特征在于包括被拖母船、若干无人拖船和中央控制系统；

所述的被拖母船包括定位导航系统和通讯系统；

所述的无人拖船包括控制系统、推进系统、环境感知系统、定位导航系统和通讯系统；

所述的无人拖船上的环境感知系统通过风速计、激光雷达和双目摄像头来收集外界环境中的风速、风向和航行区域内的障碍物信息；被拖母船和无人拖船上的定位导航定位系统通过差分全球定位系统(DGPS)、多普勒测速仪、惯性导航设备来实时收集被拖母船和各个无人拖船的位置、航速和航向的运动状态信息；通讯系统采用无线电台的方式来进行中央控制系统与每个无人拖船的双向数据通信；

所述的中央控制系统安装在被拖母船上，与母船的定位导航系和通讯系统相连，并通过通讯系统与无人拖船进行实时数据传输。

2.根据权利要求1所述的面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统的协同作业方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)所述的中央控制系统根据被拖母船的吨位、无人拖船推进系统的推力限额、缆绳最大许用应力，首先确定无人拖船的数量和合理选择母船上拖点，确定各个无人拖船的拖点和拖曳力方向；无人拖船根据拖点的位置，合理选择拖带的方式，若拖点靠近母船船艏，则采用缆绳牵引的方式，若拖点靠近母船船尾则采用拖船顶推的方式，通过缆绳将被拖母船的拖点与各个无人拖船相连；

2)所述的中央控制系统根据拖船数量、拖点位置、各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力和各个无人拖船的实时运动状态信息，确定安全、省时的最优拖航路径p_d；

3)各个无人拖船的环境感知系统和定位导航系统分别收集实时环境信息和自身的运动状态信息，并通过通讯系统发送给所述的中央控制系统，被拖母船的定位导航系统收集自身的实时运动状态信息，并发送给中央控制系统，由中央控制系统完成以下计算：

(1)确定母船的运动方程：

其中，p、ψ和v分别是母船的位置、艏向角和速度，R^T(ψ)为大地坐标系与随船坐标系的转换矩阵：

下面等式左边三项分别对应着母船的惯性力、科里奥利力与离心力、以及阻尼力，等式右边，τ_out为外界环境力，τ_net为全部无人拖船作用在母船上的合力，τ_net＝Bτ，B为拖船的配置矩阵，与每个拖船的托点位置和拖曳力方向相关，B_i为配置矩阵B的第i列为：

其中x_i和y_i分别为在随船坐标系内的拖点i的坐标，α_i为拖力的方向角；

(2)定义母船实际路径和航速与预期值的误差；e_p＝R^T(ψ)(p_d-p)，此外，定义误差e＝e_v+k_pe_p；其中，k_p＞0为增益系数；

(3)根据上一步得到的误差，利用反馈控制器按下列公式计算母船循迹所需的拖船拖曳力的合力τ_net：

其中，r为艏摇角速度，k＞0是增益系数；

4)根据步骤3)得到总拖曳力的合力τ_net，在各个拖船的推力限额、缆绳最大许用应力约束下，中央控制系统采用蒙特卡洛方法求解拖曳力在无人拖船之间进行分配的最优化问题，得到第j条拖船所需要实现的拖曳力或顶推力τ_j；

5)中央控制系统通过通讯系统向各个无人拖船发出推进系统推力指令，各无人拖船遵循相应推进系统推力指令，提供相应的拖曳力或顶推力，通过相应拖带方式实施无人拖航作业；

6)当被拖母船未达到指定地点时，返回步骤3)；当被拖母船达到指定地点时，进入下一步；

7)结束拖航作业。