浅析智能避碰仿真系统中本船运动模型

浅析智能避碰仿真系统中本船运动模型宋长亮荣雷　５　浅析智能避碰仿真系统中本船运动模型　宋长亮　荣雷　（天津理工大学　海运学院　天津３００３８４）　摘要：在智能避碰仿真系统中，本船与目标船仿真系统是不可缺少的一部分。文章在一　阶运动方程基础上建立了本船的仿真模型，并将船速的变化近似的表现为线性的，模型简单、　实用。仿真结果表明，计算方法有效，具有通用性，特别适用于电算化，对船位推算和航迹计算　具有一定的实用价值。　关键词：本船一阶运动方程航向变化船速变化运动控制　０引言　本文所考虑的船舶均具有航向稳定性，即Ｔ＞０，随　本船运动模型是一个复杂的问题，不仅如目标　着ｔ一∞，ｅ　，角速度ＨＫ６，即船舶最终稳定　船那样显示实时的运动状态信息，而且当本船采取　为定常旋回运动。　避让措施时，还需要对船舶进行变速与转向控　船舶操舵角范围为左右３５。，则舵角对应的定　制…。船舶自动控制不仅要考虑其本身动态，同时　常旋回角速度计算公式为　要考虑航行环境的复杂性。由于本文旨在研究船舶　智能避碰的仿真，以检验避碰决策效果，因而采用了　ｒ６　硒　（３）　简易的控制程序来控制本船的转向和变速。　旋回性指数Ｋ，可由下式求得　１航向的仿真模型　直航运动的船舶，当操一定舵角并维持该舵角　Ｋ＝Ｋ　（手　（４）　时，船舶将在舵的作用下进行旋回运动。若考虑船　式中Ｖ为船速，Ｌ为船长，Ｋ　为船舶无因次化旋　舶回转角速度的高阶影响，船舶的旋回运动将变得　回指数，该指数便于对不同船型的操纵性进行比较，　十分复杂，为了建立更为简单而实用的航向仿真模　其取值如下　型，本文采用了日本学者野本的一阶船舶操纵运动　，　『２．２（满载）　，　『１．７（满载）　方程　引。　Ｋ（油轮）。Ｉ．１．２　（压载）；　（其他）　ｉ０．９８　（压载）；　１．１　一阶运动方程基础上本船航向的仿真模型　（５）　野本认为船舶的受控运动基本上是一个质量很　综合式（３）、（４）、（５）便可求取任意操舵角８所　大的物体在舵的作用下进行的一种缓慢的转首运动，　对应的定常旋回角速度如式（６）。　略去船舶回转角速度的高阶影响，只考虑线性的影　响，他提出了一阶船舶操纵运动方程。如式（１）。　（６）　＋ｒ＝硒　（１）　船舶转向操舵角为左右３５。，设一引数Ｎ　＝８＋　式中Ｋ为旋回性指数，Ｔ为追随性指数，８为操　３５，操舵角由Ｎ：表示，并设ｉ＝０—７Ｏ，任意舵角８　舵角。　对应的定常旋回角速度由ｒ［ｉ］表示，如表１所示。　直航船操舵后，不考虑操舵所用时间，设初始条　表１　操舵角及其对应旋回角速度　件ｔ＝０，ｒ＝０，求解一阶操纵运动方程，则旋回运动　过程中瞬时角速度表示为　ｒ＝／（６（１一ｅ　）　（２）　收稿日期：２０１０—０５—２４　作者简介：宋天亮（１９８１一），男，天津人，助教，从事航海教　学工作。　６　天津航海２０１０年第３期　表中ｒ［ｉ］的计算公式为　操右舵２５。，采样时间Ａｔ＝０．５ｓ。则根据本文船速　小　一３５）　（７）　仿真模型操右舵２５。时船舶转向角速度及航向的变　化过程如图１所示。　静水中的直航船操某一舵角后，忽略转向延迟，　并不是马上进人固定角速度的定常旋回运动，船舶　将经过一段时间逐渐达到对应的定常角速度。　为了表示转向角速度的变化过程，设引数Ｎ　和　方向引数Ｄｉｒ，船舶的瞬时角速度为ｒ，当ｒ［ｉ］　ｒ＜　由图１可见，当船舶操右舵２５。时，在前７．５ｓ内　船舶转向角速度不断增大，当角速度达到右舵２５。　所对应的转向角速度１．５５。／ｓ时，角速度不再增大，　船舶进入定常旋回状态。　２船速的仿真模型　ｒ［ｉ＋１］时，Ｎ　＝ｉ。当Ｎ　Ｎ　时，表明船舶由初始　船舶速度的变化与船舶的初始速度、船型、航行　舵角向左打舵，此时方向引数Ｄｉｒ＝一１；当Ｎ：＞Ｎ，　时，表明船舶由初始舵角向右打舵，方向引数Ｄｉｒ＝　１。船舶在直航时满舵转向，达到定常旋回的最大角　速度ｒ［７０］所需的时间大约为ｌ０．５ｓ，则给定某一舵　角８，采样周期△ｔ，经过每个采样周期船舶旋回角　速度为　ｒ＋＝ｒ［７０］Ａｔ／ｌＯ．５　Ｄｉｒ　（８）　船舶转向角速度不断变化，经过若干个采样周　期，船舶转向角速度将达到所操舵角对应的定常旋　回角速度，即当船舶由初始舵角向右打舵，ｒ＞ｒ［８＋　３５］时；当船舶由初始舵角向左打舵，ｒ＜ｒ［６＋３５］　时，转向角速度不再变化，船舶以固定的角速度ｒ＝ｒ　［８＋３５］定常旋回。在船舶转向过程中，通过求取　任意采样周期内船舶转向角速度，船舶航向可由下　式表示：　ｃ＋＝ｒ　Ａｔ　（９）　当Ｃ＞２１Ｔ时，Ｃ＝ｃ一２ｎ　；当ｃ＜２ｖ时，ｃ＝ｃ＋　２ｎｗ。　１．２航向的仿真实例　以上建立的船舶航向的仿真模型近似的反应了　船舶在避碰过程中转向的过程，为了检验该仿真模　型算法的正确性，并且更直观的反应船舶转向过程，　以下给出一实例。　图１航向的仿真　例中本船初始航向Ｃ。＝０。，设计航速１７．３　ｋｎ，　船长２４７ｍ，本船为满载集装箱船，Ｋ　＝１．７，设船舶　环境等密切相关，而在智能避碰仿真模型中，旨在得　到船舶变速后的结果，而与船舶变速的过程关系不　大。因此，本文中近似的将船速的变化简化为线性　的　］［４］。　２．１近似的船速变化过程　在船舶变速过程中，根据给定的车钟来控制船　速的变化。本文采用的船速仿真模型中，将本船船　速分为停车、微进、进一、进二、进三等共九个车钟位　置，设车钟位置引数Ｎ２＝０～８，单位船速Ｄｅｌ＝　Ｌ／５×０．５１４，　为船舶的设计船速（Ｉ（ｎ），车钟速度　系数由Ｄ［　］＝｛５，４，３，２，０，一２，一３，一４，一５｝表　示，各车钟位置的船速为Ｖ［ｉ］，则船舶车钟与其对　应的船速如表２所示。　船舶以某一速度航行，当需要对船舶进行变速　操纵时，通过改变车钟位置使其变速，本模型假设船　舶速度的改变是一个匀变速的过程，当操某一车钟　时，船舶将由初始船速经匀变速运动达到所操车钟　对应的船速，并最终以该车钟对应的速度保速航行。　表２车钟位置及其对应的船速　为了表示船舶速度的变化过程，设引数Ｊ７ｖ　和方　向引数Ｄｉｒ，船舶的瞬时速度为　，当Ｖ［ｉ］≤Ｖ＜［ｉ　＋１］时，Ｎ　＝ｉ。当Ⅳ２ｓⅣ】时，表明船舶在前进状　态下的减速或倒车状态下加速，此时方向引数Ｄｉｒ＝　一１；当Ⅳ２＞Ｎ，时，表明船舶在前进状态下加速或　倒车状态下减速，此时方向引数Ｄｉｒ＝１。船舶主机　浅析智能避碰仿真系统中本船运动模型宋长亮荣雷　７　由停车位置到全速前进位置需时间大约为４７．５ｓ，　若给定某一车钟，采样周期Ａｔ，则经过每个采样周　期船舶速度为　＋　Ａｔ／４７．５　Ｄｉｒ　（１０）　近似为一圆形。　船舶速度匀速变化，经过若干个采样周期，船速　将达到所操车钟对应的速度，即当Ｄｉｒ＝一ｌ，Ｖ＜Ｖ　［Ⅳ２］时；当Ｄｉｒ＝１，Ｖ＞Ｖ［Ⅳ２］时，船速不再变化，　船舶将以速度Ｖ＝Ｖ［Ｎ２］保速航行。　２．２船速变化的仿真实例　为了直观的反应航速仿真模型中船速的变化过　程，以０中的本船为例，船舶由静止给定车钟位置Ｈ　＿Ａｈｅａｄ，采样时间Ａｔ＝０．５ｓ，则船速的变化过程由　图２直观表示。　图２船速随时间变化过程　如图２所示，船舶在静止时，将车钟推至　一　ｈｅａｄ位置，船速在前３８ｓ内以匀加速度逐渐增大，图　内为一条上升的斜线，当船速增至１３．８４ｋｎ，也就是　车钟Ｈ．　ｈｅａｄ位置对应的船速时，速度不再增加，　船舶将以１３．８４ｋｎ的船速保速直航。　３舵机与主机的仿真模型　船舶的转向与变速是由舵机与主机控制的，船　舶主机有双机与单机之分。舵角的改变导致船舶转　向，主机转速的变化导致船速变化。本文航向的仿　真模型与航速的仿真模型间接的反应了主机转速随　所操车钟以及船舶舵角随船舶操舵的变化过程。因　此，本文将根据１．１与２．１所述的模型算法，建立舵　机与主机的仿真模型，实现主机转速与舵角在仿真　系统中实时显示…。　３．１本船运动控制模型仿真　本船转向控制模型仿真如图３所示，图中本船　在以初始航向直航的情况下操右舵２０。，船舶右转，　旋转角速度不断增大，当达到右舵２０。所对应的角　速度时，船舶进入定常旋回状态，图中本船转向轨迹　图３航向控制仿真　本船变速控制模型仿真如图４所示，本船以全　速航行，将车钟置于Ｄ—Ａｈｅａｄ位置，船舶不断减速，　当达到Ｄ—Ａｈｅａｄ所对应的船速６．９２ｋｎ时，速度不　再变化．并最终保速航行。　圈４船速控制仿真　４结论　本文所介绍的本船航向与船速的仿真模型简单　适用，通过一阶运动方程和航速变化的近似线性，简　单的表示本船运动的变化过程，并建立了对应的舵　机与主机的仿真模型。计算方法简单合理，计算结　果完全适用检验避碰效果的要求。使用计算机可以　方便的进行编程，本文所述的算法采用一步计算而　非累积推算，避免了积累误差，使船位推算更加准　确。　参考文献　［１］任茂东．船舶仿人智能自动避碰控制系统［Ｊ］．中国航海，　１９９４，３４（１）：１７　［２］　洪碧光．船舶操纵原理与技术，大连：大连海事大学出版社　［３］史国友，贾传荧．航海模拟器中ＤＣＰＡ　ＴｃＰＡ的算法．大连海事　大学学报，１９９９，２５（３）：１７—２Ｏ　［４］孙立成．船舶避碰决策数学模型的研究．（博士学位论文）．大　连：大连海事大学，２０００　［５］赵月林．船舶操纵．大连：大连海事大学出版社，２０００