一種用于船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰的智能裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶航行領(lǐng)域，具體涉及一種用于船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰的智能裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]船舶避碰研究的課題之一是安全避讓行動決策，其關(guān)鍵是如何采取適當(dāng)?shù)谋茏屝袆?，從而提高航行的安全性，這是一個重要的課題。以往的避碰幾何數(shù)學(xué)模型沒有考慮船舶操縱性的影響，致使預(yù)計DCPA和TCPA大于實際的DCPA和TCPA。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了彌補(bǔ)以上技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰的智能裝置。本裝置從船舶操縱運動角度出發(fā)，結(jié)合現(xiàn)代非線性滑?？刂评碚摚ㄟ^建立船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰行動數(shù)學(xué)模型。搭建仿真平臺對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實例仿真結(jié)果驗證，利用Matlab船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰行動數(shù)學(xué)模型可有效解決，但沒有考慮船舶操縱性的不足。
[0004]船舶避碰研究的是安全避讓行動決策，其關(guān)鍵是如何采取適當(dāng)?shù)谋茏屝袆樱约安扇”茏屝袆雍笕绾晤A(yù)計DCPA和TCPA，以便評價避讓行動是否合適有效，為此，本發(fā)明所含原理為采用避讓行動中留有富裕時間的方法來修正這一影響；從船舶操縱運動響應(yīng)型數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā)，結(jié)合ro控制理論思想，通過建立船舶避碰動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法解決這一影響；從船舶操縱分離型數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā)，結(jié)合經(jīng)典PID控制理論思想，通過建立船舶避碰動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的方法消除這一影響。所有假定條件都是無外界干擾的船舶操縱動態(tài)避碰數(shù)學(xué)模型，這顯然不符合實際船舶本身參數(shù)發(fā)生攝動及外界存在干擾時，PID控制并不能消除這種影響。本發(fā)明從船舶操縱非線性運動數(shù)學(xué)模型和避碰幾何角度出發(fā)，結(jié)合船舶轉(zhuǎn)向滑?？刂骗h(huán)節(jié)，建立船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰行動數(shù)學(xué)模型。
[0005]船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰行動數(shù)學(xué)模型在船舶操縱運動的基礎(chǔ)上，利用船舶轉(zhuǎn)向滑?？刂骗h(huán)節(jié)獲得本船瞬時航向航速，結(jié)合來船動態(tài)信息，通過解算避碰幾何三角形獲得來船避碰
要素(包括相對方位距離DCPA和TCPA );通過本船設(shè)定的安全通過距離解算出本船預(yù)計轉(zhuǎn)向幅度大小，利用船舶轉(zhuǎn)向非線性自適應(yīng)滑?？刂骗h(huán)節(jié)實現(xiàn)自動操舵，智能裝置中建立的船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰行動數(shù)學(xué)模型包括以下三個部分:
1、本船轉(zhuǎn)向后相關(guān)避讓要素的求取:
采用避碰幾何方法獲取來船各避讓要素。首先，建立兩船運動坐標(biāo)系，縱軸為真北方向，橫軸為正東方向，本船中心為坐標(biāo)原點，分別設(shè)定本船航速和航向、來船的航速和航向、初始相對方位及初始相對距離，根據(jù)船舶運動坐標(biāo)系獲取來船初始位置表達(dá)式。若本船為讓路船，且設(shè)定本船通過轉(zhuǎn)向給來船讓路假設(shè)本船轉(zhuǎn)向角、由初始航向到所需航向經(jīng)歷的時間、轉(zhuǎn)向過程中本船航速、此刻本船的位移和來船的相對位移表達(dá)式。進(jìn)一步求得來船的相對方位、距離相對航向航速表達(dá)式。由此得出來船的DCPA和TCPA表達(dá)式。
[0006]2、建立船舶操縱運動方程式: 船舶運動具有非線性特點，在海上航行還會受到風(fēng)浪等強(qiáng)干擾的影響.Bech等在二階野。本方程的基礎(chǔ)上發(fā)展了適用于大幅度航向改變操縱，同時又可解釋航向不穩(wěn)定等非線性現(xiàn)象的船舶操縱運動方程式。
[0007]3、船舶轉(zhuǎn)向控制環(huán)節(jié)
通過構(gòu)造Iyapunov函數(shù)，結(jié)合滑?？刂评碚摵妥赃m應(yīng)控制技術(shù)，利用反演法求得船舶轉(zhuǎn)向
控制算法。
[0008]第一步，定義誤差變量，構(gòu)造滑模面針對系統(tǒng)，構(gòu)造如下滑模面；
第二步，利用反演法，構(gòu)造Iyapunov函數(shù),證明控制系統(tǒng)漸近穩(wěn)定。
[0009]當(dāng)船舶航向水域開闊時，船舶通常采取轉(zhuǎn)向行動來避讓來船在轉(zhuǎn)向過程中，由于船舶本身慣
性和其操縱性能的影響，以及船舶斜航時水體阻力增加的影響，船舶速度會有所下降。所以，從船舶操縱舵輪改變船舶航向到穩(wěn)定于新航向這一過程中，來船的DCPA和TCPA值都是時刻變化的。
[0010]利用Matlab軟件搭建兩船會遇局面下單船轉(zhuǎn)向避讓仿真平臺，同時，在外界風(fēng)浪較大時，利用船舶航向自動轉(zhuǎn)向控制明顯較手動操舵更加準(zhǔn)確快速穩(wěn)定于新航向上，有利于船舶安全。
[0011]由以上分析可知，以往的船舶避碰靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是欠妥的，也是不符合實際的。本發(fā)明所含建立的船舶轉(zhuǎn)向動態(tài)避碰行動數(shù)學(xué)模型較合理，并且符合海上船舶避碰實際。
[0012]本發(fā)明從船舶操縱非線性運動數(shù)學(xué)模型和避碰幾何的角度出發(fā)，結(jié)合船舶轉(zhuǎn)向滑模控制環(huán)節(jié)，建立的船舶轉(zhuǎn)向動態(tài)避碰行動數(shù)學(xué)模型符合海上避碰實際，可使船舶駕駛員認(rèn)識到船舶操縱性對避碰行動結(jié)果產(chǎn)生的不安全影響，幫助駕駛員確定更加安全的避讓行動幅度。
【主權(quán)項】
1.一種用于船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰的智能裝置，其所含運算原理為從船舶操縱非線性運動數(shù)學(xué)模型和避碰幾何的角度出發(fā)，結(jié)合船舶轉(zhuǎn)向滑模控制環(huán)節(jié)，建立的船舶轉(zhuǎn)向動態(tài)避碰行動數(shù)學(xué)模型符合海上避碰實際，可使船舶駕駛員認(rèn)識到船舶操縱性對避碰行動結(jié)果產(chǎn)生的不安全影響，幫助駕駛員確定更加安全的避讓行動幅度。2.智能裝置中建立的船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰行動數(shù)學(xué)模型包括以下三個部分: ⑴本船轉(zhuǎn)向后相關(guān)避讓要素的求取: ⑵建立船舶操縱運動方程式: ⑶船舶轉(zhuǎn)向控制環(huán)節(jié): 第一步，定義誤差變量，構(gòu)造滑模面針對系統(tǒng)，構(gòu)造如下滑模面； 第二步，利用反演法，構(gòu)造Iyapunov函數(shù),證明控制系統(tǒng)漸近穩(wěn)定。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于船舶動態(tài)轉(zhuǎn)向避碰的智能裝置，其所含運算原理為從船舶操縱非線性運動數(shù)學(xué)模型和避碰幾何的角度出發(fā)，結(jié)合船舶轉(zhuǎn)向滑?？刂骗h(huán)節(jié)，建立的船舶轉(zhuǎn)向動態(tài)避碰行動數(shù)學(xué)模型符合海上避碰實際，可使船舶駕駛員認(rèn)識到船舶操縱性對避碰行動結(jié)果產(chǎn)生的不安全影響，幫助駕駛員確定更加安全的避讓行動幅度。
【IPC分類】G08G3/02, G06F19/00
【公開號】CN105574314
【申請?zhí)枴緾N201410540896
【發(fā)明人】劉鑫
【申請人】威海拓達(dá)高科船舶科技有限公司
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2014年10月14日