[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

说明书

一种面向海上拖航作业的无人拖船集群作业系统和协同作业方法，拖航作业系统，包括被拖母船、无人拖船和中央控制系统。本发明无人拖航作业无需人为干预，由中央控制系统与所述的被拖母船的定位导航系统、通讯系统和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协同工作，实现自动拖带作业，即系统自动计算出最优拖航路径以及循迹时每个无人拖船需要提供的最优拖曳力方案，使海上拖航作业实现智能化。

技术领域

本发明涉及海上拖航作业，特别是一种面向海上拖航作业的无人船集群协同作业系统和方法。

背景技术

随着全球航运事业的发展和通航密度的增大，拖航业务也进入繁忙阶段。同时，船舶逐渐向大型化发展，其进出港、靠离码头等特殊工况下，操纵比较困难，需要借助拖轮拖带来协助操船。对于没有自航能力的驳船或者失去自航能力的船舶的海上救助也需要拖带完成。此外，海洋钻井平台的转移同样依赖拖船拖带作业完成。而传统的人工拖航作业程序繁琐、操纵复杂、风险较大、效率低下，已渐渐不足以应对日益繁多的拖航业务需求。因此需要一种更加智能和高效的拖航作业方式来提高拖航作业的效率。目前，无人智能体(如无人机、无人船、无人驾驶汽车等)已逐渐应用于工业界和民众生活中。随着无人技术的发展和完善，采用无人拖船代替传统人工操纵拖船进行拖航作业已变得可行。

具体地，传统拖航作业多是依靠船长和引航员的经验来现场应变，这种操纵方式很难精确地设定和控制拖航时的航线，同时也可能增加拖航航行的危险。同时，引航员通过传呼机发送指令给多名拖船船长，从指令逐条发送完成到各个拖船完成相应的拖带动作之间存在着一定的延迟，这样的延迟在日益繁忙的航线和海港中易引发事故。所以，针对传统人工拖航作业无法克服程序繁琐、操纵复杂、风险较大、效率低下等缺点，研究无人拖船集群的协同拖航作业系统对航运业和海洋工程的发展有重大意义。

发明内容

针对上述传统人工拖航作业的技术问题，本发明提出一种面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统及方法，使海上拖航作业无人化和智能化，有效提高拖航作业的效率。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种面向海上拖航作业的无人拖船集群协同作业系统，其特点在于包括被拖母船、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。

上述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，其特点在于，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；