本发明属于船舶控制领域，同时涉及船舶编队控制技术，具体涉及一种多船同步过闸自适应巡航编队控制系统及方法。
背景技术：
船闸通过能力和过闸需求间的矛盾日益突出。而且随着船舶大型化，闸室内船舶停船位置精确控制操纵难度加大，加剧船闸浮式系船柱实施的损耗。同时，船舶操纵难以及过闸移泊快速性要求，加大了闸室内船舶碰撞闸门的风险。因此，当前船闸通航主要有如下问题：①船舶对闸门的碰撞；②船舶对系船柱的损伤；③船舶进出闸效率偏低。这些问题严重影响了船闸运营的安全和效率。提高船闸的船舶通过能力，目前主要有以下两种方式：①船型标准化，提高单次通过货运量；②多船同步进出闸，即船舶编队过闸。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：提供一种多船同步过闸自适应巡航编队控制系统及方法，提高船舶过闸效率和安全性。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多船同步过闸自适应巡航编队控制系统，其特征在于：包括一艘领航船和多艘跟随船，每艘船上均设有控制系统，每一艘跟随船都有一艘目标船，目标船是领航船或跟随船，至少一艘跟随船的目标船为领航船；控制系统包括测距测速单元、主机转速采集单元、定位定姿单元、通信单元、控制单元和数据处理单元；其中，
测距测速单元设置在每艘船的前后，用于获取当前船与前后船之间的距离和相对速度；
主机转速采集单元用于获取当前船的左、右主机转速值，作为船舶速度控制反馈信息；
定位定姿单元用于获取当前船在闸室内和引航道的精确位置、对地速度和船首向信息；
领航船的数据处理单元，用于按照船闸操控规范，以规定的速度航行，停靠在闸室指定位置；
跟随船的数据处理单元，用于采用模糊pid控制实现当前船与目标船的距离保持；
控制单元，根据数据处理单元的指令，控制当前船的航行。
按上述方案，所述的跟随船的数据处理单元具体采用动态跟踪距离作为当前船与目标船的距离，根据船舶不同的操纵性和航行速度来动态调整当前船与目标船的距离d0；
d0＝αl+βv
其中，l表示当前船的船长，船长越大，船舶操纵性也越差；v表示目标船的航行速度；α和β为预设的参数值。
按上述方案，所述的跟随船的数据处理单元的模糊pid控制具体为：以目标船与当前船的距离作为输入，以当前船车钟指令作为输出；t时刻当前船与目标船的实际距离为d(t)，t时刻当前船的车钟指令为u(t)；
其中，kp、ki和kd表示pid参数；考虑到相同转速下的船舶螺旋桨正转与反转效率不同，对正车和倒车分别设置pid参数；e(t)＝d(t)-d0为t时刻跟踪距离误差值，e(t-1)为t-1时刻跟踪距离误差值；
设定t时刻两船相对速度为vd(t)，vd(t)＜0表示两船距离在缩短，为保持船舶跟踪的稳定性，设定跟踪目标距离模糊区为[d0-d,d0+d]，在模糊区范围的u(t)为：
其中，v0为速度阈值，k0表示控制参数，d为距离设定阈值。
按上述方案，所述的领航船的数据处理单元，具体设置航速控制模式和停船控制模式；其中，航速控制模式是基于领航船当前航行速度和规定航行速度发出控制指令，使领航船按照规定速度安全航行；停船控制是领航船到达指定停船位置前，使船舶减速，最终使船舶停止在指定位置。
按上述方案，所述的测距测速单元为设置在船舶正前方和正后方的前毫米波雷达和后毫米波雷达。
按上述方案，所述的数据处理单元为工控机。
利用所述的控制系统实现的控制方法，其特征在于：如果目标船和当前船是前后位置关系，则依靠测距测速单元获取这两艘船舶之间的距离和相对速度关系；如果目标船和当前船是水平并列位置关系，则依靠定位定姿单元获取这两艘船舶之间的距离和相对速度关系；
领航船按照船闸操控规范，以规定的速度航行，停靠在闸室指定位置；
跟随船采用模糊pid控制实现当前船与目标船的距离保持。
本发明的有益效果为：通过在每艘过闸船舶上安装控制系统，并且设定领航船和跟随船，并分别对它们进行控制设定，从而使领航船和跟随船同步高效进出闸。
附图说明
图1为多船同步过闸自适应巡航编队的组队示意图。
图2为过闸自适应控制系统的组成与安装示意图。
图3为过闸自适应控制系统的硬件连接图。
图4为船舶毫米波雷达测量示意图。
图5为领航船控制流程图。
图6为跟随船控制流程图。
图中：1-前毫米波雷达，2-后毫米波雷达，3-主机转速采集单元，4-定位定姿单元，5-电源单元，6-通信单元，7-控制单元，8-工控机，9-本船，10-前障碍物，11-后障碍物，12-闸室。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种多船同步过闸自适应巡航编队控制系统，包括一艘领航船和多艘跟随船，每艘船上均设有控制系统，每一艘跟随船都有一艘目标船，目标船是领航船或跟随船，至少一艘跟随船的目标船为领航船；如图1所示，本实施例中设置最前排左侧的船舶为领航船，每排两艘船，领航船右侧和紧跟其后的跟随船以领航船作为目标船，其它在后的跟随船均以正前方的跟随船作为目标船。
如图2和图3所示，控制系统包括测距测速单元、主机转速采集单元3、定位定姿单元4、电源单元5、通信单元6、控制单元7和数据处理单元，本发明的数据处理单元采用工控机8；其中，测距测速单元设置在每艘船的前后，用于获取当前船与前后船之间的距离和相对速度，本实施例中为前毫米波雷达1和后毫米波雷达2。主机转速采集单元3用于获取当前船的左、右主机转速值，作为船舶速度控制反馈信息。定位定姿单元4用于获取当前船在闸室内和引航道的精确位置、对地速度和船首向信息，本实施例中定位定姿单元采用差分gnss定位和超宽带室内定位融合技术。领航船的数据处理单元，用于按照船闸操控规范，以规定的速度航行，停靠在闸室指定位置。跟随船的数据处理单元，用于采用模糊pid控制实现当前船与目标船的距离保持。控制单元7根据数据处理单元的指令，控制当前船的航行。
本实施例中，前、后毫米波雷达1、2通过can总线与工控机8相连，毫米波雷达最大测量距离约250m，速度测量精度约0.1m/s。定位定姿单元4、主机转速采集单元3通过串口与工控机相连。通信单元6通过网口与工控机8相连。工控机8通过串口与控制单元7相连。电源单元5由船舶24v直流电供电，为前毫米波雷达1、后毫米波雷达2、主机转速采集单元3、定位定姿单元4、通信单元6、控制单元7、工控机8等设备供电。
图4中，abdc表示前障碍物10的四个顶点，efhg表示本船9的四个顶点，ijlk表示后障碍物11的四个顶点。本船9在前、右位置安装的前、后毫米波雷达获取的正前方距离分别为d1、d2。本船相对于闸室12前进方向的夹角由船舶定位定姿单元获得，记为ψ。参数计算如下：
式中，w、l分别为本船9的宽度和长度。c1、c2和c3分别为本船9距离前障碍物10垂直距离、本船9垂直距离和本船距离后障碍物11垂直距离。
目标船与跟随船的距离设定既需要考虑过闸高效率的要求，也需要考虑距离过近带来的安全风险。因此，本发明采用动态跟踪距离，即根据船舶不同的操纵性和航行速度来动态调整跟踪距离d0。所述的跟随船的数据处理单元具体采用动态跟踪距离作为当前船与目标船的距离，根据船舶不同的操纵性和航行速度来动态调整当前船与目标船的距离d0；
d0＝αl+βv
其中，l表示当前船的船长，船长越大，船舶操纵性也越差；v表示目标船的航行速度；α和β为预设的参数值。
所述的领航船的数据处理单元，具体设置航速控制模式和停船控制模式；其中，航速控制模式是基于领航船当前航行速度和规定航行速度发出控制指令，使领航船按照规定速度安全航行；停船控制是领航船到达指定停船位置前，使船舶减速，最终使船舶停止在指定位置。领航船的主要任务是按照航行规则控制本船的航行速度以及使本船停靠在闸室内系船柱附近。领航船航速控制流程如图5所示。领航船共有两种控制模式，即航速控制和停船控制。航速控制是基于领航船当前航行速度和规定航行速度来控制车钟，使领航船按照规定速度安全航行。停船控制是领航船到达指定停船位置前，通过操控车钟使船舶减速，最终使船舶停止在指定位置。
所述的跟随船的数据处理单元的模糊pid控制具体为：如图6所示，以目标船与当前船的距离作为输入，以当前船车钟指令作为输出；t时刻当前船与目标船的实际距离为d(t)，t时刻当前船的车钟指令为u(t)；
其中，kp、ki和kd表示pid参数；考虑到相同转速下的船舶螺旋桨正转与反转效率不同，对正车和倒车分别设置pid参数；e(t)＝d(t)-d0为t时刻跟踪距离误差值；e(t-1)为t-1时刻跟踪距离误差值。
设定t时刻两船相对速度为vd(t)，vd(t)＜0表示两船距离在缩短，为保持船舶跟踪的稳定性，设定跟踪目标距离模糊区为[d0-d,d0+d]，在模糊区范围的u(t)为：
其中，v0为速度阈值，k0表示控制参数，d为距离设定阈值。
利用所述的控制系统实现的控制方法，如果目标船和当前船是前后位置关系，则依靠测距测速单元获取这两艘船舶之间的距离和相对速度关系；如果目标船和当前船是水平并列位置关系，则依靠定位定姿单元获取这两艘船舶之间的距离和相对速度关系；领航船按照船闸操控规范，以规定的速度航行，停靠在闸室指定位置；跟随船采用模糊pid控制实现当前船与目标船的距离保持。
本发明通过在每艘过闸船舶上安装一套过闸自适应控制系统，能够使领航船和跟随船同步高效进出闸；采用毫米波雷达作为船舶距离感知手段，相比航海雷达、激光雷达等感知手段具有成本低、效率高、可靠性好等优点，便于推广应用，保证了船舶在跟踪时的安全和高效。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种多船同步过闸自适应巡航编队控制系统，其特征在于：包括一艘领航船和多艘跟随船，每艘船上均设有控制系统，每一艘跟随船都有一艘目标船，目标船是领航船或跟随船，至少一艘跟随船的目标船为领航船；控制系统包括测距测速单元、主机转速采集单元、定位定姿单元、通信单元、控制单元和数据处理单元；其中，
测距测速单元设置在每艘船的前后，用于获取当前船与前后船之间的距离和相对速度；
主机转速采集单元用于获取当前船的左、右主机转速值，作为船舶速度控制反馈信息；
定位定姿单元用于获取当前船在闸室内和引航道的精确位置、对地速度和船首向信息；
领航船的数据处理单元，用于按照船闸操控规范，以规定的速度航行，停靠在闸室指定位置；
跟随船的数据处理单元，用于采用模糊pid控制实现当前船与目标船的距离保持；
控制单元，根据数据处理单元的指令，控制当前船的航行。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的跟随船的数据处理单元具体采用动态跟踪距离作为当前船与目标船的距离，根据船舶不同的操纵性和航行速度来动态调整当前船与目标船的距离d0；
d0＝αl+βv
其中，l表示当前船的船长，船长越大，船舶操纵性也越差；v表示目标船的航行速度；α和β为预设的参数值。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于：所述的跟随船的数据处理单元的模糊pid控制具体为：以目标船与当前船的距离作为输入，以当前船车钟指令作为输出；t时刻当前船与目标船的实际距离为d(t)，t时刻当前船的车钟指令为u(t)；
其中，kp、ki和kd表示pid参数；考虑到相同转速下的船舶螺旋桨正转与反转效率不同，对正车和倒车分别设置pid参数；e(t)＝d(t)-d0为t时刻跟踪距离误差值，e(t-1)为t-1时刻跟踪距离误差值；
设定t时刻两船相对速度为vd(t)，vd(t)＜0表示两船距离在缩短，为保持船舶跟踪的稳定性，设定跟踪目标距离模糊区为[d0-d,d0+d]，在模糊区范围的u(t)为：
其中，v0为速度阈值，k0表示控制参数，d为距离设定阈值。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的领航船的数据处理单元，具体设置航速控制模式和停船控制模式；其中，航速控制模式是基于领航船当前航行速度和规定航行速度发出控制指令，使领航船按照规定速度安全航行；停船控制是领航船到达指定停船位置前，使船舶减速，最终使船舶停止在指定位置。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的测距测速单元为设置在船舶正前方和正后方的前毫米波雷达和后毫米波雷达。
6.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述的数据处理单元为工控机。
7.利用权利要求1至6中任意一项所述的控制系统实现的控制方法，其特征在于：如果目标船和当前船是前后位置关系，则依靠测距测速单元获取这两艘船舶之间的距离和相对速度关系；如果目标船和当前船是水平并列位置关系，则依靠定位定姿单元获取这两艘船舶之间的距离和相对速度关系；
领航船按照船闸操控规范，以规定的速度航行，停靠在闸室指定位置；
跟随船采用模糊pid控制实现当前船与目标船的距离保持。
技术总结
本发明提供一种多船同步过闸自适应巡航编队控制系统，包括一艘领航船和多艘跟随船，每艘船上均设有控制系统，每一艘跟随船都有一艘目标船；测距测速单元获取当前船与前后船之间的距离和相对速度；主机转速采集单元获取当前船的左、右主机转速值，作为船舶速度控制反馈信息；定位定姿单元获取当前船在闸室内和引航道的精确位置、对地速度和船首向信息；领航船的数据处理单元按照船闸操控规范，以规定的速度航行，停靠在闸室指定位置；跟随船的数据处理单元采用模糊PID控制实现当前船与目标船的距离保持；控制单元根据数据处理单元的指令，控制当前船的航行。本发明通过在每艘过闸船舶上安装控制系统，从而使领航船和跟随船同步高效进出闸。
技术研发人员：柳晨光;齐俊麟;初秀民;毛庆洲;吴勇;郑茂;王维刚
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：.10.30
技术公布日：.01.14
