论文：船舶自动航行系统的研究

收稿日期:2002203206

作者简介:郑道昌(19582),男,宁波大学副教授

文章编号:1000-4653(2002)02-0018-04

船舶自动航行系统的研究

———船舶改向运动的控制与实现

郑道昌

(宁波大学海运学院,浙江宁波315211)

摘　要:本文应用动态规划理论和最优控制理论,对航行环境的复杂性和可变性而导致的船舶自动航行系统不确定性作出综合决策和控制,并对改向决策后的船舶操纵运动控制问题进行了探讨,为船舶航行自动化的实现提供理论思路和方法。

关键词:船舶;最优控制;探讨

中图分类号:U675.79 文献标识码:A

Discussion on W atercraft Automatic Voyage System

ZHEN G Dao 2chang

(The Maritime College of Ningbo University ,Ningbo ,Zhe jiang 315211,China )

Abstract :By applying dynamic layout theory and optimum cybernetics ,the comprehensive decision and control are

made for automatic voyage system uncertainty caused by the complexity and variability of navigational environment.In this paper the problem of watercraft to acclimatize itself to voyage after making decision of changing course is also dis 2cussed ,which offers theoretical thought and method for the realization of shi p navigation automation.

K ey w ords :Watercraft ;Optimum cybernation ;Discussion

船舶自动识别系统(A IS )和电子海图的应用实施,计算机技术的迅速发展,给船舶的航行安全提供了有效的保障,也给船舶航行自动化的实现带来了可能。本文根据电子海图的应用将导航信息和环境信息以及船舶要经过的航线进行格点化,对每个格点的变量,进行决策,使船舶能航行在一条安全、经济的路径上。同时对船舶自动航行系统采取改向的决策,探讨一种线性和非线性控制兼顾型的方法,实施船舶运动的控制。

1　船舶自动航行系统的决策思路

船舶航行的自动化在于具有大范围的快速自组织和自适应能力,面对复杂的环境和任务能够随机应变。本文以动态规划为理论基础,不用孤立的观点看待决策,在每一阶段选择一个使当前阶段代价和最小,对未来阶段期望最好的决策。1.1　数学模型

根据计划航线将出发港到目的港之间的海域划

分为n 个区段,每个区段划分为m 个格点,即阶段

变量k =1,2,3,……n ,格点变量h =1,2,3,……

m 。

(1)状态变量为s k ,反映船舶在每个阶段初所

处的状态(经过当前格点的航向和航速)。在每一阶段中可以有多个状态,如s kh 表示第k 阶段第h 个格点的状态为:

S k ={s kh }

(1)

(2)决策变量为x k (s k ),表示给定状态变量后

(船舶处在第k 阶段第h 个状态),向第k +1阶段

第h 状态作出选择的变量。对x k (s kh )取值的范围用D k (s kh )表示。

(3)状态转移方程,表示从第k 阶段到第k +1

阶段的演变规律。如果给定了第k 阶段的状态变量s k 和决策变量x k ,则根据状态转移方程第k +1阶段的状态变量s k +1的值也就随之而定:

s k +1=T k (s k ,x k (s k ))

(2)

如果船舶在第k 阶段第h 格点状态向第k +1

2002年第2期

总第51期

　中　国　航　海

　NAV IG A TION OF CHINA No.2J une 2002Serial No.51

阶段第h 格点状态航行的决策,则有:

x k (s k ,h )=s k +1,h

(3)

(4)指标函数。由于人们对航行的要求是在考虑航行区域各种各样的地理及环境的情况下,使出发港到目的港的航行时间最少。因此指标函数就是第k 阶段的航行时间v k (s k ,x k ),而第k 阶段到第n 阶段的总时间为:

V k ,n =

∑n

k =1

v

k

(s k ,x k )(4)

(5)动态规划基本方程为f k (s k ,x k ),表示指标函数v k ,n 的最优值,也就是从第k 阶段到目的港航行时间最短,

f k (s k )=

min x k

∈D k

(S k

)

[v k (s k ,x k )+f k +1(s k +1)]

k =1,2,3,……,n f n +1(s n +1)=0

(5)

1.2　航行环境信息的表示和处理

采用电子海图的网络格点为航行区域的阶段和格点的划分。航行区域的二维平面用G i ,j 表示一个格点。则环境信息表示为:

G ij ∈{G 1.1,G 1.2,……,G n ,m }

i 为整数,0≤i ≤n ;j 为整数,0≤j ≤m.

该航行区域各格点的某一环境特征为f r (包括起始点的状态,动、静态障碍物等),并对应到相应位

置,则有

G i ,j =f 1,f 2,f 3,……,f r 为整数,0≤r.

设X i 的f g 映射值g 为整数,1≤g ≤r 。则多维状态变量

G i ,j (X 1,X 2,X 3,……,X n =<(f 1,f 2,f 3,……,f r )

<(f g )为映射函数。

船舶在海域上航行,由A IS 和ARPA 等提供航行环境信息,对于来船及海上障碍物的信息作如下

表征:

1)危险度(G i ,j )

<(f g )=

0　有障碍物,保持原态势

λ　有动态障碍物,λ为数值,体现危险度

的大小,由系统决策态势

∞　有静态障碍物,无法越过,必须改变 态势

2)来船方向(G i ,j )

来船从G i ,j 到邻近格点限定在8个方向上移

动,任何一个矢量都能够由8个方向矢量的线性组合表示。

通过映射函数,将环境特征空间转换成了具有代价的格点,反映出该点的相关状态,使路径算法与具体应用环境的特征信息细节隔离

。选择合适的决策集合应用于各个有关状态上,直至得到一个描述目标状态的表示为止。从而找出一条最合理的航路。

2　系统改向决策的实施

当船舶在格点中移动,经过新的格点系统将给定一个决策,使得决策得以实施,即要进行船舶的控制。而且该控制必须适应船舶态势决策的变化,当产生紧迫局面时需大角度快速改向,控制能响应及时;当小角度纠偏航线,则应缓慢跟踪。2.1　船舶运动状态方程

x =A (t )x +B (t )u

(6)x = <

<δ

,　A (t )=

-

1

T

　0K

T

　1　0

0　0

-

1

T E

,

B (t )=

01

T E

　u =δ

u =δ

式中:K ,T 为操纵性指数,δ为舵角,<为方位角,

T E 为转舵时间常数,x 为n 维状态向量,u 为p 维

控制向量。寻找一个最优控制u 3,使下面的性能指标最小。J =12x T f Fx f +

1

2

∫

t f

t 0

[x T Q (t )x +u T

R (t )u ]d t

(7)

式中:Q 为n ×n 对称半正定矩阵

R 为p ×p 对称正定矩阵F 为n ×n 对称半正定矩阵

不难看出上式状态调节器问题是t f 固定,终值

x f 自由的泛函极值问题。利用哈密尔顿函数H :

H =

12x T Q (t )x +12

u T

R (t )+λT [A (t )x +B (t )u ]

(8)

伴随方程为

5H

5x

=- λ=A T (t )λ+Q (t )x (9)

横截条件为

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