一种面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法与流程

1.本发明涉及船舶避碰技术领域，具体而言，尤其涉及一种面向多船实时 自动避碰的模型预测控制方法。


背景技术：

2.船舶碰撞事故的发生率在各类海难事故中一直占较大比重，特别是随着 航运业的发展，海上交通日益拥挤，多船之间的碰撞风险大大增加。而数据 统计，80％以上的船舶碰撞事故归因于人为因素，即人为决策失败和不遵守 国际避碰规则。
3.近年来，随着航运业不断发展，许多通航水域的交通日益密集，这使得 多船相较于两船碰撞的概率大幅度增加。而现存的船舶自动避碰研究成果大 多集中于两船避碰，并且忽视了国际避碰规则。
4.现有研究提出了一种基于船舶操纵性的近距离避碰动态支持系统。该研 究采用船舶避碰参数的动态计算模型，实时计算船舶在操纵时的动态dcpa 和tcpa，然后结合船舶操纵运动的数学模型、船舶操纵运动的控制机理以 及船舶避碰参数的动态计算模型，开发了船舶避碰动态支持系统，从而实现 两船之间的自动避碰并解决了操纵性不足的问题。但是在该研究中，仅考虑 两船之间的避碰问题，并忽视了国际避碰规则，所以该研究还存在一定的局 限性。


技术实现要素：

5.根据上述提出的技术问题，本发明在考虑国际避碰规则的前提下，一种 面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法。运用本发明提供的方法，不仅 能在考虑国际避碰规则的前提下实现多船之间的自动避碰，还能解决舵角的 输入饱和问题。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法包括如下步骤：
8.s1、基于实时的船舶间最近会遇距离和到达最近会遇点时间，建立碰撞 风险评估模型，对船舶之间的碰撞风险进行评估；
9.s2、基于国际避碰规则，判断船舶的会遇情形并划分避让责任，并制定 避让行为决策；
10.s3、设计多船实时自动避碰控制器。
11.进一步地，所述步骤s1的具体实现过程如下：
12.s11、根据船i和船j的位置和速度，将船j相对于船i的速度和航向进行 如下表示：
13.v
rij
＝((v
j
cosψ
j
‑
v
i
cosψ
i
)2 (v
j
sinψ
j
‑
v
i
sinψ
i
)2)
1/2
14.ψ
rij
＝atan2((v
j
sinψ
j
‑
v
i
sinψ
i
),(v
j
cosψ
j
‑
v
i
cosψ
i
))
15.上式中，v
rij
和ψ
rij
分别表示船j相对于船i的速度和航向；v
i
和ψ
i
分别表示船 i的速度和航向；v
j
和ψ
j
分别表示船j的速度和航向；
16.s12、根据船i和船j的位置，计算船j相对于船i的真方位，计算公式如 下：
17.α
ij
＝atan2((y
j
‑
y
i
),(x
j
‑
x
i
))
18.上式中，α
ij
表示船j相对于船i的真方位；(x
i
,y
i
)和(x
j
,y
j
)分别表示船i和船j 的位置；atan2函数的取值范围是(
‑
π,π]，而ψ
rij
和α
ij
的取值范围是[0,2π)， 如果ψ
rij
和α
ij
计算出来的值是负值，则ψ
rij
和α
ij
的值加上2π。
[0019]
s13、计算船i和船j之间的最近会遇距离dcpa
ij
和到达最近会遇点时间 tcpa
ij
，计算公式如下：
[0020]
dcpa
ij
＝r
ij
×
sin(ψ
rij
‑
α
ij
‑
π)
[0021]
tcpa
ij
＝r
ij
×
cos(ψ
rij
‑
α
ij
‑
π)/v
rij
[0022]
上式中，r
ij
表示船i和船j之间的距离；当最近会遇距离dcpa
ij
小于最小安 全会遇距离dspa且到达最近会遇点时间tcpa
ij
为正值时，此时船i和船j存 在碰撞风险，采取避让措施保证航行安全。
[0023]
进一步地，所述步骤s2中，从让路船和直航船两个方面进行避让行为决 策，具体实现过程如下：
[0024]
s21、在行动区，如果dcpa＜dspa，tcpa＞0，则让路船需要采取避让 行动；
[0025]
s22、在应急区，如果dcpa＜dspa，tcpa＞0，则直航船需要采取避让 行动。
[0026]
进一步地，所述步骤s21中，让路船需要采取的避让行动具体包括：
[0027]
s211、当本船转θ时，计算本船与每个他船的最近会遇距离dcpa
j
(θ)； 当
‑
θ＞nn时，其中nn表示本船可以向左转向的限值，此时计算本船与每个 他船的最近会遇距离dcpa
j
(
‑
θ)；
[0028]
s212、如果dcpa
j
(θ)＞dspa，则θ为安全的航向变化，同样地，如果 dcpa
j
(
‑
θ)＞dspa，则
‑
θ为安全的航向变化。
[0029]
进一步地，所述步骤s22中，直航船需要采取的避让行动具体包括：
[0030]
s221、当本船转θ时，计算本船与每个他船的最近会遇距离dcpa
j
(θ)； 当
‑
θ＞nn时，其中nn表示本船可以向左或向右转向的限值，此时计算本船 与每个他船的最近会遇距离dcpa
j
(
‑
θ)；
[0031]
s222、如果dcpa
j
(θ)＞dspa，则θ为安全的航向变化，同样地，如果 dcpa
j
(
‑
θ)＞dspa，则
‑
θ为安全的航向变化。
[0032]
进一步地，所述步骤s3的具体实现过程如下：
[0033]
s31、计算船舶的期望航向其中期望航向包括两部分，一部分是 避碰前的期望航向由los算法计算获得，即另一部分是避碰后的期望 航向由atan 2函数计算获得，即具体的计算公式如下：
[0034][0035]
上式中，表示船舶的期望航向；表示船舶避碰前的期望航向；表 示船舶避碰后即期望航向；表示los点的位置；(x
i
，y
i
)表示船舶 避碰前的当前位置；(x
id
，y
id
)表示船舶避碰后期望目标点的位置；(x
ic
，y
ic
)表 示船舶避碰后的当前位置；
[0036]
s32、将船舶航向的取值范围设置为[0，2π)，因此将步骤s31中期望航向的计算
公式改写为如下形式：
[0037][0038]
s33、构建船i的数学模型，表达式如下：
[0039][0040]
上式中，i＝1，2，3，4表示避碰船舶的数量；(x
i
，y
i
)和ψ
i
分别表示船i的位置和航 向；u
i
，v
i
，r
i
分别表示船i的纵向速度、横向速度以及艏摇角速度；l
i
和u
i
分别 为船i的船长和合速度；δ
i
和δ
ic
分别为船i的实际舵角和命令舵角；u0和t
n
是 常值；x
i
和y
i
分别为船i在x和y方向上的受力；n表示船在z轴方向所受的 力矩；力矩；其中表示水动力参数；
[0041]
s34、将步骤s33中构建的船i的数学模型进行离散，如下：
[0042][0043]
y
i
(t)＝aζ
i
(t)
[0044]
上式中，其中表示当前航向和期望航向的差值，避碰前 避碰后其中为船舶避碰后的当前航向，即θ表示避让决策的安全航向变化量；θ表示避让决策的安全航向变化量；p和q是恒值；δ
i
(t)
表示舵角输入；
[0045]
s35、通过给定的采样周期，将该连续空间状态模型转化为离散时间状态 空间模型，表示如下：
[0046][0047][0048]
s36、在k时刻，通过预测模型和当前的状态信息，通过下式计算系统未 来的状态信息：
[0049][0050]
上式中，n
p
代表的是预测时域，n
c
代表控制时域； u
i
＝[δ
i
(k)，δ
i
(k 1)，
…
，δ
i
(k n
c
‑
1)]表示未来输入；
[0051]
s37、根据未来状态序列，将未来输出序列表示如下：
[0052][0053]
s38、定义如下变量：
[0054][0055]
s39、将预测输出序列写成紧凑形式，如下：
[0056]
y
i
＝fζ
i
(k) φu
i
[0057]
上式中，
[0058]
s40、建立代价函数，如下：
[0059][0060]
上式中，q
w
和r
w
表示权重矩阵；上式 受限于δ
min
≤δ
i
(k j)≤δ
max
,j＝0,1,
…
n
c
‑
1。
[0061]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0062]
1、本发明提供的面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法，首先，基 于动态的dcpa和tcpa建立实时的碰撞风险评估模型去评估船舶之间的碰 撞风险；其次，利用国际避碰规则去判断船舶的会遇情形并划分避让责任， 从让路船和直航船两个方面进行避让行为决策，本发明还将船舶无视规则的 情况考虑其中；最后，利用模型预测控制的预测能力和处理输入限制的优势 设计一种新型的多船自动避碰控制器去解决船舶运动中的大惯性和输入受限 等问题，从而使船舶能提前采取避碰行动并解决舵角饱和的问题。
[0063]
2、本发明提供的面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法，不仅能在 考虑国际避碰规则的前提下实现多船之间的自动避碰，还能解决舵角的输入 饱和问题。
[0064]
3、本发明提供的面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法，与现有的 多船自动避碰研究成果相比，本船在考虑国际避碰规则的前提下实现了多船 的实时自动避碰，并将船舶无视国际避碰规则的情况也考虑其中，保证船舶 在此情形下也能实现自动避碰。
[0065]
4、本发明提供的面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法，将船舶运 动中存在的大惯性问题考虑其中，利用模型预测控制的预测能力设计新型的 多船实时自动避碰控制器，使船舶能提前采取避让措施，规避碰撞风险，保 证航行安全。
[0066]
5、面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法，利用模型预测控制处理 输入限制的优势，将船舶舵角饱和问题考虑到模型预测控制的优化过程中并 得到了有效解决。
[0067]
基于上述理由本发明可在船舶避碰等领域广泛推广。
附图说明
[0068]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0069]
图1为本发明实施例提供的多船实时自动避碰和路径跟踪策略框图。
[0070]
图2为本发明实施例提供的四条船的初始位置示意图。
[0071]
图3为本发明实施例提供的四条船在600s时的位置示意图。
[0072]
图4为本发明实施例提供四条船在1200s时的位置示意图。
[0073]
图5为本发明实施例提供四条船在2400s时的位置示意图。
[0074]
图6为本发明实施例提供四条船在3200s的位置示意图。
[0075]
图7为本发明实施例提供两船之间的距离示意图。
具体实施方式
[0076]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0077]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第 一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后 次序。应该理解这样使
用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本 发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外， 术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含， 例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于 清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过 程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0078]
如图1所示，为多船实时自动避碰策略框图，图1中，(x
i
，y
i
)表示船i在 避碰前的当前位置；(x
ic
，y
ic
)表示船i在避碰后的当前位置；(x
id
，y
id
)表示船i的 期望位置；dcpa
ij
和tcpa
ij
分别表示船i和船j之间的最近会遇距离和到达 最近会遇点时间；v
rij
和ψ
rij
分别表示船j相对于船i的速度和航向；v
i
和ψ
i
分 别表示船i的速度和航向；v
j
和ψ
j
分别表示船j的速度和航向；α
ij
表示船j相 对于船i的真方位；表示船i在避碰后的当前航向；表示船舶 避碰前利用los算法得到的期望航向；表示船舶避碰后的期望航向；表 示期望航向和当前航向的差值；j
i
表示代价函数；δ
i
和δ
ic
分别为船i的实际舵 角和命令舵角；δ
min
和δ
max
分别表示舵角的上下限值。
[0079]
本实施例提供了一种面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法，包括 如下步骤：
[0080]
s1、基于实时的船舶间最近会遇距离和到达最近会遇点时间，建立碰撞 风险评估模型，对船舶之间的碰撞风险进行评估；
[0081]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s1的具体实现过程 如下：
[0082]
s11、根据船i和船j的位置和速度，将船j相对于船i的速度和航向进行 如下表示：
[0083]
v
rij
＝((v
j
cosψ
j
‑
v
i
cosψ
i
)2 (v
j
sinψ
j
‑
v
i
sinψ
i
)2)
1/2
[0084]
ψ
rij
＝atan2((v
j
sinψ
j
‑
v
i
sinψ
i
)，(v
j
cosψ
j
‑
v
i
cosψ
i
))
[0085]
上式中，v
rij
和ψ
rij
分别表示船j相对于船i的速度和航向；v
i
和ψ
i
分别表示船i的速度和航向；v
j
和ψ
j
分别表示船j的速度和航向；
[0086]
s12、根据船i和船j的位置，计算船j相对于船i的真方位，计算公式如 下：
[0087]
α
ij
＝atan 2((y
j
‑
y
i
)，(x
j
‑
x
i
))
[0088]
上式中，α
ij
表示船j相对于船i的真方位；(x
i
，y
i
)和(x
j
，y
j
)分别表示船i和船j 的位置；atan 2函数的取值范围是(
‑
π，π]，而ψ
rij
和α
ij
的取值范围是[0，2π)， 如果ψ
rij
和α
ij
计算出来的值是负值，则ψ
rij
和α
ij
的值加上2π。
[0089]
s13、计算船i和船j之间的最近会遇距离dcpa
ij
和到达最近会遇点时间 tcpa
ij
，计算公式如下：
[0090]
dcpa
ij
＝r
ij
×
sin(ψ
rij
‑
α
ij
‑
π)
[0091]
tcpa
ij
＝r
ij
×
cos(ψ
rij
‑
α
ij
‑
π)/v
rij
[0092]
上式中，r
ij
表示船i和船j之间的距离；当最近会遇距离dcpa
ij
小于最小安 全会遇距离dspa(distance at safety point of approach)且到达最近会遇点时 间tcpa
ij
为正值时，此时船i和船j存在碰撞风险，采取避让措施保证航行安 全。
[0093]
s2、基于国际避碰规则，判断船舶的会遇情形并划分避让责任，并制定 避让行为决策；
[0094]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s2中，从让路船和 直航船两个方面进行避让行为决策，具体实现过程如下：
[0095]
s21、在行动区，如果dcpa＜dspa，tcpa＞0，则让路船需要采取避让 行动；
[0096]
所述步骤s21中，让路船需要采取的避让行动具体包括：
[0097]
s211、当本船转θ时，计算本船与每个他船的最近会遇距离dcpa
j
(θ)； 当
‑
θ＞nn时，其中nn表示本船可以向左转向的限值，此时计算本船与每个 他船的最近会遇距离dcpa
j
(
‑
θ)；
[0098]
s212、如果dcpa
j
(θ)＞dspa，则θ为安全的航向变化，同样地，如果 dcpa
j
(
‑
θ)＞dspa，则
‑
θ为安全的航向变化。
[0099]
s22、在应急区，如果dcpa＜dspa，tcpa＞0，则直航船需要采取避让 行动。
[0100]
所述步骤s22中，直航船需要采取的避让行动具体包括：
[0101]
s221、当本船转θ时，计算本船与每个他船的最近会遇距离dcpa
j
(θ)； 当
‑
θ＞nn时，其中nn表示本船可以向左或向右转向的限值，此时计算本船 与每个他船的最近会遇距离dcpa
j
(
‑
θ)；
[0102]
s222、如果dcpa
j
(θ)＞dspa，则θ为安全的航向变化，同样地，如果 dcpa
j
(
‑
θ)＞dspa，则
‑
θ为安全的航向变化。
[0103]
s3、设计多船实时自动避碰控制器。
[0104]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s3的具体实现过程 如下：
[0105]
s31、计算船舶的期望航向其中期望航向包括两部分，一部分是 避碰前的期望航向由los算法计算获得，即另一部分是避碰后的期望 航向由atan 2函数计算获得，即具体的计算公式如下：
[0106][0107]
上式中，表示船舶的期望航向；表示船舶避碰前的期望航向；表 示船舶避碰后即期望航向；表示los点的位置；(x
i
，y
i
)表示船舶 避碰前的当前位置；(x
id
，y
id
)表示船舶避碰后期望目标点的位置；(x
ic
，y
ic
)表 示船舶避碰后的当前位置；
[0108]
s32、将船舶航向的取值范围设置为[0，2π)，因此将步骤s31中期望航向的计算公式改写为如下形式：
[0109][0110]
s33、构建船i的数学模型，表达式如下：
[0111][0112]
上式中，i＝1，2，3，4表示避碰船舶的数量；(x
i
，y
i
)和ψ
i
分别表示船i的位置和航 向；u
i
，v
i
，r
i
分别表示船i的纵向速度、横向速度以及艏摇角速度；l
i
和u
i
分别 为船i的船长和合速度；δ
i
和δ
ic
分别为船i的实际舵角和命令舵角；u0和t
n
是 常值；x
i
和y
i
分别为船i在x和y方向上的受力；n表示船在z轴方向所受的 力矩；力矩；其中表示水动力参数；
[0113]
s34、将步骤s33中构建的船i的数学模型进行离散，如下：
[0114][0115]
y
i
(t)＝aζ
i
(t)
[0116]
上式中，其中表示当前航向和期望航向的差值，避碰前 避碰后其中为船舶避碰后的当前航向，即θ表示避让决策的安全航向变化量；θ表示避让决策的安全航向变化量；p和q是恒值；δ
i
(t)表示舵角输入；
[0117]
s35、通过给定的采样周期，将该连续空间状态模型转化为离散时间状态 空间模型，表示如下：
[0118]
[0119][0120]
s36、在k时刻，通过预测模型和当前的状态信息，通过下式计算系统未 来的状态信息：
[0121][0122]
上式中，n
p
代表的是预测时域，n
c
代表控制时域； u
i
＝[δ
i
(k)，δ
i
(k 1)，
…
，δ
i
(k n
c
‑
1)]表示未来输入；
[0123]
s37、根据未来状态序列，将未来输出序列表示如下：
[0124][0125]
s38、定义如下变量：
[0126][0127]
s39、将预测输出序列写成紧凑形式，如下：
[0128]
y
i
＝fζ
i
(k) φu
i
[0129]
上式中，
[0130]
s40、建立代价函数，如下：
[0131][0132]
上式中，q
w
和r
w
表示权重矩阵；上式 受限于δ
min
≤δ
i
(k j)≤δ
max
,j＝0,1,
…
n
c
‑
1。
[0133]
为了验证所提出的面向多船实时自动避碰的模型预测控制方法的有效 性，主要从以下具体实施例进行说明。本实施例描述的是对遇情形。在本实 施例中采用四条船进行仿真验证，四条船的初始状态信息如表1所示，并且 四条船的初始速度均为15knot。如图2所示，给出了四条船的初始位置，如 图3
‑
6所示，分别给出了四条船在600s，1200s，2400s和3200s的位置。
[0134]
表1四条船的初始状态
[0135][0136]
仿真结果如图7所示，每个船在对遇情形中均基于国际避碰规则采取了 适当的避碰行为，并且任意两船之间的最小距离不小于1英里，这意味着每 个船的航行安全可以得到保证，实现了船舶的自动避碰，并且在避碰后每条 船都可以跟踪到相应的期望点
[0137]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。