船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统及控制方法与流程

1.本发明涉及船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，涉及自适应航行控制技术领域，特别适用于三峡—葛洲坝枢纽通航自适应航行控制。


背景技术：

2.三峡—葛洲坝枢纽通航建筑物是长江航运的关键节点，也是长江流域综合运输体系的重要组成部分，其运行状况直接关系到所在长江航运畅通，直接体现长江公共服务水平，直接影响沿江沿河经济社会建设发展。
3.三峡船闸和葛洲坝一、二号船闸平面尺度为280m
×
34m，当前过闸船型条件下，一个闸次4～6条单船从靠船墩连续进闸，进闸时间较长。现有船舶在通过三峡及葛洲坝船闸时，由于是单船自主控制，带来过闸的整体效率不高，安全保障因不同船员的驾驶水平参差不齐而存在安全隐患。通过对黄金水道重大专项《复杂条件下三峡船闸通过能力提升技术研究》的应用，开展在船闸导航墙部位设置虚拟闸室，同时根据船舶操纵性特点，通过虚拟技术研究各种可能的船舶安全、快速进闸方式，三峡船闸和葛洲坝船闸实施了船舶从导航墙并排成组进闸，达到了有效缩短船舶的进闸距离和进闸时间，提高了船闸运行效率，三峡船闸和葛洲坝船闸日运行闸次数提高至16个。
4.但是如何进一步提升船舶过闸效率，目前在技术上尚存在瓶颈，亟需技术攻关。且随着长江过闸船舶大型化趋势，通过三峡船闸和葛洲坝船闸的大型船舶所占比例不断增大。大型船舶在闸室内操纵性差，且过闸船舶驾驶员操控水平普遍不高，船舶在闸室内停船作业不理想，存在船舶使用闸室内浮式系船柱挂缆制动，导致浮式系船柱损毁的现象，加大船闸被迫停航维修、坝区通航压力增大等通航风险。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。
5.实现船舶同步进出闸，关键在于领航船直线轨迹导航问题以及跟随船与领航船的航速/航向控制问题。船舶的航行控制主要分为航向控制和航速控制。航向控制方面使用最多的是pid控制器，但常规pid参数一旦确定以后，在船舶航行过程中不可修改，使得pid控制律日渐不能满足关于操作多模式、安全可靠、高性能等多方面要求。
6.综上，如何提高精确感知船舶过闸航行动态，实现大型船舶精确停船控制，在三峡-葛洲坝船闸通航服务与船舶控制技术上亟需技术攻关。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，此控制系统采用毫米波雷达、罗经以及激光雷达等实现航行态势精细感知并采用模糊控制算法与pid控制算法结合，实现船舶同步进出闸自适应航行控制。
8.为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，包括船载信息采集系统、船载航速控制系统和岸基服务系统；所述船载航速控制系统根据船载信息采集系统采集的信息实现船载航速的控制，所述岸基服务系统
用于实现船舶定位和远程交互。
9.所述船载信息采集系统采用毫米波雷达、激光雷达、罗经、定位单元和航海雷达作为信息获取手段；所述毫米波雷达用于获取船舶前、后、左、右四个方向的距离信息；所述激光雷达采用多线360
°
覆盖避障激光雷达，用于获取船舶周围环境障碍物距离信息；所述罗经用于获取船首向数据。
10.所述船载航速控制系统包括航速主动控制系统和航速跟随控制系统，船舶航速控制通过操控主机转速实现；
11.所述航速主动控制系统是前船根据进出闸要求主动控制船舶航行速度，保证船舶能够在指定纵向位置停下；
12.所述航速跟随控制系统是后船根据前船速度和位置来控制自身航速。
13.所述船载航速控制系统的硬件架构包括：工控机以及与该工控机连接的数据连接转换模块；所述数据连接转换模块连接有舵机电位器模块，所述舵机电位器模块经手动/自动切换开关与所述左/右主机遥控设备连接，所述左/右主机遥控设备用于控制船舶尾轴转速控制设备工作。
14.所述数据连接转换模块包括485转232单元、can口转232设备、4can口转网口设备和4g路由器。
15.所述毫米波雷达采用三个短距离毫米波雷达和一个长距离毫米波雷达；
16.所述定位单元采用四个定位标签实现。
17.所述定位单元采用i-uwb lps超宽带局部定位，利用4个定位基站和8个定位标签；首先，在闸室4角处安装4个定位基站，分别为定位基站1、定位基站2、定位基站3、定位基站4；其次分别在两个试验船舶四周安装4个定位标签；船舶通过4个定位标签来获取整个船舶在闸室内的高精度定位、航速、船首向信息，以及获得两船的距离。
18.所述船载航速控制系统的控制流程包括：首先通过领航船位置信息，确认控制模式，然后根据实际位置，控制船舶按照规定航速停靠。
19.采用任意一顶所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统进行船舶纵向列队协同控制方法，包括以下步骤：
20.s1，搭建船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统的硬件架构；
21.s2，以船舶三自由度运动模型和动力学方程为基础，建立过闸船舶的航向控制模型；
22.s3，分析过闸船舶航行过程，得到船间航速控制关系模型；
23.s4，以s2和s3中船舶航向模型和船间航速控制模型为基础，船载航速控制系统通过传感器模块获取前船位置信息，确认控制模式，然后根据船舶实际位置，控制船舶按照规定航速航行或停靠。
24.所述s2中过闸船舶的航向控制模型具体为：
25.g(s)＝k/s(1+t0s)
26.[0027][0028]
式中：g(s)为一个连续时间域转移函数；k、t0为系统参数，t0＝t2+t
1-t3，t1、t2、t3，由式中的p
11
、p
12
、p
21
、p
22
、q
11
、q
21
表示出，系数p
11
、p
12
、p
21
、p
22
、q
11
、q
21
由线性流体动力导数表示出来；s为复变量；v为船舶x轴方向速度；δ为舵角；r为船舶角速度；y
′v为船舶横向速度对横摇角率的偏导数；cb为船舶方形系数；b为船宽；t为船舶吃水深度；
π
为圆周率；l为船长；γ为修正系数；y
′
δ
为船舶横向速度对舵角的偏导数；y
′r为船舶横向速度对横滚角率偏导数；为船舶横向加速度对横摇角率的偏导数；为船舶横向加速度对横滚角率偏导数；为加速度对船舶横向力矩的偏导数；为船舶角加速度对船舶横向力矩偏导数；n
′v为船舶速度对横向力矩的偏导数；n
′r为船舶滚转速度对船舶横向力矩偏导数；a
δ
为舵角对船舶横向力的偏导数；n
′
δ
为舵角对船舶横向力矩的偏导数；
[0029]
所述s3中船间航速控制关系模型具体为：
[0030][0031]
式中：v为船舶航速；v0为后船的初始航行速度；k1、k2为pid系数；e为船舶和理想位置偏差；为误差补偿；
[0032]
后船与前船通常有一定的初始距离，如果后船的速度小于或等于前船的速度那么就无法保持期望距离和角度，若后船速度大于前船速度，则会造成航行不安全，因此，需要对后船的航速进行控制，由于后船的航速与和理想位置的偏差呈正比关系，即后船与理想位置的偏差越大，所需要的航速也越大；
[0033]
所述s4的过闸船舶控制流程具体为：
[0034]
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；设定理想船间距离为l0，t时刻当前船与后船的实际距离为l(t)，t时刻当前船的车钟指令为u(t)，其中：
[0035][0036]
式中：u(t)为船的车钟指令；e(i)为i时刻两船跟踪距离误差值；k
p
、ki、kd为比例系数、积分系数和微分系数；e(t)＝l(t)-l0为t时刻两船跟踪距离误差值；e(t-1)表示t-1时刻两船跟踪距离误差值；
[0037]
根据s3中建立的后船航速控制模型为基础，设定t时刻两船相对速度为v
l
(t)，v
l
(t)＜0表示两船距离在缩短，为保持船舶过闸航行的稳定性，设定跟踪目标距离模糊区为[l
0-d，l0+d]，在模糊区范围的u(t)为：
[0038][0039]
其中，vb为速度阈值，k0表示控制参数，d为距离阈值。
[0040]
本发明有如下有益效果：
[0041]
1、本发明采用智能航行技术与高精度定位及测量技术实现葛洲坝船闸多舶自适应航行控制同步进出闸，能实现在安全稳定的前提下，为缩短船舶进出闸时间，提高三峡-葛洲坝船闸运行通过能力。
附图说明
[0042]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0043]
图1是本发明系统实施例架构示意图。
[0044]
图2是本发明系统实施例硬件框图。
[0045]
图3是本发明实施例传感器布置示意图。
[0046]
图4是本发明模糊控制器的组成框架图。
[0047]
图5是本发明实施例航速控制流程示意图。
[0048]
图6是本发明船舶过闸航行前船和后船运动示意图。
[0049]
图7是本发明前船的控制流程图。
[0050]
图8是本发明后船的数据处理单元的模糊pid控制框图。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
[0052]
实施例1：
[0053]
请参见图1，本实施例中，以三峡-葛洲坝船闸为例，提供一种船舶同步进出闸自适应航行控制系统，包括船载信息采集系统、船载航速控制系统和岸基服务系统；所述船载航速控制系统根据船载信息采集系统采集的信息实现船载航速的控制，所述岸基服务系统用于实现船舶定位、远程交互。
[0054]
进一步的，所述的船载信息采集系统，采用毫米波雷达、激光雷达、罗经、定位单元、航海雷达作为信息获取手段；所述毫米波雷达用于获取船舶前、后、左、右四个方向的距离信息；所述激光雷达采用多线360
°
覆盖避障激光雷达，能够获取周围环境障碍物距离信息；所述罗经用于获取船首向数据。
[0055]
进一步的，所述船载航速控制系统包括航速主动控制系统和航速跟随控制系统，船舶航速控制通过操控主机转速实现；航速主动控制系统主要是前船根据进出闸要求主动控制船舶航行速度，保证船舶能够在指定纵向位置停下；航速跟随控制系统主要是后船根据前船速度和位置来控制自身航速。
[0056]
进一步的，请参见图2，所述船载航速控制系统的硬件架构包括：工控机以及与该工控机连接的数据连接转换模块，所述的数据连接转换模块连接有舵机电位器模块，所述舵机电位器模块经手动/自动切换开关与所述左/右主机遥控设备连接，所述左/右主机遥控设备用于控制船舶尾轴转速控制设备工作。
[0057]
进一步的，所述的数据连接转换模块包括485转232单元、can口转232设备、4can口转网口设备和4g路由器。这里不仅限于此。本系统中，传感器以及对应数据的传输都是由数据连接转换模块实现，且较佳的，传感器具体布局如图3所示。
[0058]
本实施例中所述毫米波雷达采用三个短距离毫米波雷达3car28f和一个长距离毫米波雷达4ars408；所述定位单元采用四个定位标签实现。
[0059]
请继续参见图4，所述定位单元采用i-uwb lps超宽带局部定位，利用4个定位基站和8个定位标签；首先，在闸室4角处安装4个定位基站，分别为定位基站1、定位基站2、定位基站3、定位基站4；其次分别在两个试验船舶算周安装4个定位标签。船舶通过4个定位便签来获取整个船舶在闸室内的高精度定位、和航速、船首向等信息，以及获得两船的距离等。
[0060]
请参见图7，所述船载航速控制系统的控制流程包括：首先通过领航船位置信息，确认控制模式，然后根据实际位置，控制船舶按照规定航速停靠。
[0061]
实施例2：
[0062]
本实施例以三峡-葛洲坝船闸，来说明船舶同步进出闸自适应航行。
[0063]
采用船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统进行船舶纵向列队协同控制方法，包括以下步骤：
[0064]
s1、搭建三峡-葛洲坝船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统硬件架构部分；
[0065]
本实施例中，三峡-葛洲坝船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，包括船载信息采集系统、船载航速控制系统和岸基服务系统；船载航速控制系统根据船载信息采集系统采集的信息实现船载航速的控制，所述岸基服务系统用于实现船舶定位、远程交互。如附图2所示为本发明系统实施例硬件框图，具体为以下部分：
[0066]
船载信息采集系统通过采用毫米波雷达、激光雷达、罗经、定位单元、航海雷达等硬件结构作为信息获取的手段。毫米波雷达用于获取船舶前、后、左、右四个方向的距离信息；激光雷达采用多线360
°
覆盖避障激光雷达，能够获取周围环境障碍物距离信息；罗经则用于获取船首向数据，具体架构如附图3所示。
[0067]
其中，所述毫米波雷达为采用三个短距离毫米波雷达3car28f和一个长距离毫米波雷达4ars408；定位单元通过采用四个定位标签实现。如附图4所示，定位单元采用i-uwb lps超宽带局部定位，利用4个定位基站和8个定位标签：首先，在闸室4角处安装4个定位基站，分别为定位基站1、定位基站2、定位基站3、定位基站4；其次，分别在两个试验船舶算周安装4个定位标签。船舶通过4个定位便签来获取整个船舶在闸室内的高精度定位、和航速、船首向等信息，以及获得两船的距离等。
[0068]
s2、以船舶三自由度运动模型和动力学方程为基础，建立过闸船舶的航向控制模
型。
[0069]
对船舶六自由度运动模型简化，忽略起伏、横摇和纵摇运动，三自由度船舶模型的运动学方程为：
[0070][0071]
其中，η＝[x，y，ψ]
t
，v＝[u，v，r]
t
，τ＝[τu，τv，τr]
t
，其中，η∈r3×3是船舶惯性坐标系下的位置向量；v∈r3是速度向量；τ∈r3为系统的控制器输入量，r(ψ)表示传递矩阵：
[0072][0073]
且满足r
t
(ψ)＝r-1
(ψ)。
[0074]
三自由度水面船舶动力学方程表示为：
[0075][0076]
式中，m(v)为刚体质量矩阵，且
[0077]
表示科式向心力矩阵；d(v)表示非线性水动力阻尼矩阵，
[0078]
结合船舶运动学模型和动力学方程，船舶模型可以表示为：
[0079][0080]
将式子(4)转换为：
[0081][0082]
应用牛顿刚体力学的动量定理和动量矩定理对船舶运动进行分析，得到过闸船舶在平面运动的动力学方程为：
[0083][0084]
其中，等式右端的合力和合力矩表示靶船在水面上所受到的外力和合力矩，m为船舶质量，j
zz
表示过闸船舶对oz轴的惯性矩。
[0085]
通过线性化处理方法将式子(6)转化成船舶运动线性化数学模型。线性化过程中，将x、y、n平衡点附件进行taylor展开并保留一阶导数，经过简化处理后得到数学模型如下：
[0086][0087]
式子(7)中，xc表示船体质心的横坐标，获得航向控制模型的关键在于求得式子(7)中相关的流体动力导数。为了使数据处理更加方便和计算转换更加简洁，采用无量纲流体动力学导数来处理。对式子(7)处理后可以得到：
[0088][0089]
线性流体动力导数回归公式为：
[0090][0091]
式子(9)中，y
′v为船舶横向速度对横摇角率的偏导数；cb为船舶方形系数；b为船宽；t为船舶吃水深度；l为船长；γ为修正系数；y
′
δ
为船舶横向速度对舵角的偏导数；y
′r为船舶横向速度对横滚角率偏导数；为船舶横向加速度对横摇角率的偏导数；为船舶横向加速度对横滚角率偏导数；为加速度对船舶横向力矩的偏导数；为船舶角加速度对船舶横向力矩偏导数；n
′v为船舶速度对横向力矩的偏导数；n
′r为船舶滚转速度对船舶横向力矩偏导数；a
δ
为舵角对船舶横向力的偏导数；n
′
δ
为舵角对船舶横向力矩的偏导数；
[0092]
式子(7)可以改写为：
[0093][0094]
其中，式中的v为船舶x轴方向速度；δ为舵角；r为船舶角速度；系数p
11
、p
12
、p
21
、p
22
、q
11
、q
21
可以由线性流体动力导数表示出来。
[0095]
设过闸船舶的设定航向为ψq，船舶的航向偏差可以表示为δψ＝ψ-ψq；过闸船舶三自由度状态空间数学模型如式子(11)所示：
[0096]
[0097]
根据式子(11)，可以得到舵角δ到航向改变量δψ的传递函数形式的式子：
[0098]
g(s)＝[k(1+t3s)]/[s(1+t1s)(1+t2s)]
ꢀꢀꢀ
(12)
[0099]
其中，式子(12)中的t1、t2、t3可以由式子(10)中的p
11
、p
12
、p
21
、p
22
、q
11
、q
21
表示出。根据野本模型，对其进行泰勒展开后，可以将式子(12)进行简化，得出：
[0100]
g(s)＝k/s(1+t0s)
ꢀꢀ
(13)
[0101]
对于式子(13)，g(s)为一个连续时间域转移函数；k、t0为系统参数，其中t0＝t2+t
1-t3，因此根据上式可以得出过闸船舶对应的航向控制模型。
[0102]
s3、分析过闸船舶航行过程，得到船间航速控制关系模型。
[0103]
后船与前船一般有一定的初始距离，如果后船的速度小于或等于前船的速度那么就无法保持期望距离和角度，若后船速度大于前船速度，则会造成航行不安全，因此需要对后船的航速进行控制。由于后船的航速与和理想位置的偏差呈正比关系，即后船与理想位置的偏差越大，所需要的航速也越大。由pid控制原理中微分环节的作用得知，加入微分环节可以使后船的航速具有预知性。所以跟随船最终的航速控制模型可以表达为：
[0104][0105]
其中，v0为后船的初始航行速度；k1、k2为pid系数；e为船舶和理想位置偏差；为误差补偿。
[0106]
s4、以s2和s3中船舶航向模型和船间航速控制模型为基础，船载航速控制系统通过传感器模块获取前船位置信息，确认控制模式，然后根据船舶实际位置，控制船舶按照规定航速航行或停靠。
[0107]
模糊控制是通过模拟人类和动物大脑的一部分功能与特征来控制目标对象。不仅可以用在已知对象模型的控制中，对未知精确模型的对象控制和非线性复杂对象的控制同样具有良好的鲁棒性。模糊控制器的组成如附图4所示，包括模糊化、知识库、模糊推理、反模糊化四个部分。
[0108]
传统pid控制系统通常包括：系统控制输入量、pid控制器及被控对象。pid控制算法是建立在闭环控制基础之上，闭环控制使得整个系统的响应最终收敛到系统输入量。其原理是根据系统输入输出之间的偏差来影响系统的输入从而干预系统的控制效果。其包括偏差量的放大或缩小若干倍(比例效果)、积分效果、微分效果。pid控制算法可以表示为：
[0109][0110]
其中，k
p
、ki、kd为比例系数、积分系数和微分系数。常规的pid控制器无法在线调整相关参数，因此在面对非线性或外界干扰较大情况下时，难以获得期望控制效果。
[0111]
如附图6所示反应了船舶过闸航行前船和后船运动示意图，图中包含三个位置状态信息及相关距离信息：前船位置和航向角(xf，yf，ψf)、后船理想位置和航向角(x
l
，y
l
，ψ
l
)、后船实际位置和航向角(xs,ys，ψs)。两船理想跟随距离l0和跟随角度以及实际的两船距离l。船舶过闸航行要实现是前船和后船之间保持固定的距离和角度，当前船位置发生变化后，由它确定的后船的理想位置也发生相应的改变，所以整个系统前进的实质是后船不断跟踪其理想位置的一个过程。
[0112]
所述的前船的控制流程具体如图7所示，后船的数据处理单元的模糊pid控制具体如图8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；设定理想船
间距离为l0。t时刻当前船与后船的实际距离为l(t)，t时刻当前船的车钟指令为u(t)。
[0113]
其中，
[0114]kp
、ki、kd为比例系数、积分系数和微分系数；e(t)＝l(t)-l0为t时刻两船跟踪距离误差值；e(t-1)表示t-1时刻两船跟踪距离误差值。
[0115]
以s3建立的后船航速控制模型为基础，设定t时刻两船相对速度为v
l
(t)，v
l
(t)＜0表示两船距离在缩短，为保持船舶过闸航行的稳定性，设定跟踪目标距离模糊区为[l
0-d，l0+d]，在模糊区范围的u(t)为：
[0116][0117]
其中，vb为速度阈值，k0表示控制参数，d为距离阈值。
[0118]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于，包括船载信息采集系统、船载航速控制系统和岸基服务系统；所述船载航速控制系统根据船载信息采集系统采集的信息实现船载航速的控制，所述岸基服务系统用于实现船舶定位和远程交互。2.根据权利要求1所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于：所述船载信息采集系统采用毫米波雷达、激光雷达、罗经、定位单元和航海雷达作为信息获取手段；所述毫米波雷达用于获取船舶前、后、左、右四个方向的距离信息；所述激光雷达采用多线360
°
覆盖避障激光雷达，用于获取船舶周围环境障碍物距离信息；所述罗经用于获取船首向数据。3.根据权利要求1所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于：所述船载航速控制系统包括航速主动控制系统和航速跟随控制系统，船舶航速控制通过操控主机转速实现；所述航速主动控制系统是前船根据进出闸要求主动控制船舶航行速度，保证船舶能够在指定纵向位置停下；所述航速跟随控制系统是后船根据前船速度和位置来控制自身航速。4.根据权利要求1所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于：所述船载航速控制系统的硬件架构包括：工控机以及与该工控机连接的数据连接转换模块；所述数据连接转换模块连接有舵机电位器模块，所述舵机电位器模块经手动/自动切换开关与所述左/右主机遥控设备连接，所述左/右主机遥控设备用于控制船舶尾轴转速控制设备工作。5.根据权利要求4所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于：所述数据连接转换模块包括485转232单元、can口转232设备、4can口转网口设备和4g路由器。6.根据权利要求2所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于：所述毫米波雷达采用三个短距离毫米波雷达和一个长距离毫米波雷达；所述定位单元采用四个定位标签实现。7.根据权利要求2所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于：所述定位单元采用i-uwb lps超宽带局部定位，利用4个定位基站和8个定位标签；首先，在闸室4角处安装4个定位基站，分别为定位基站1、定位基站2、定位基站3、定位基站4；其次分别在两个试验船舶四周安装4个定位标签；船舶通过4个定位标签来获取整个船舶在闸室内的高精度定位、航速、船首向信息，以及获得两船的距离。8.根据权利要求1所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统，其特征在于：所述船载航速控制系统的控制流程包括：首先通过领航船位置信息，确认控制模式，然后根据实际位置，控制船舶按照规定航速停靠。9.采用权利要求1-8任意一项所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统进行船舶纵向列队协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，搭建船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统的硬件架构；s2，以船舶三自由度运动模型和动力学方程为基础，建立过闸船舶的航向控制模型；s3，分析过闸船舶航行过程，得到船间航速控制关系模型；s4，以s2和s3中船舶航向模型和船间航速控制模型为基础，船载航速控制系统通过传感器模块获取前船位置信息，确认控制模式，然后根据船舶实际位置，控制船舶按照规定航
速航行或停靠。10.根据权利要求9所述船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统进行船舶纵向列队协同控制方法，其特征在于，所述s2中过闸船舶的航向控制模型具体为：g(s)＝k/s(1+t0s)s)式中：g(s)为一个连续时间域转移函数；k、t0为系统参数，t0＝t2+t
1-t3，t1、t2、t3，由式中的p
11
、p
12
、p
21
、p
22
、q
11
、q
21
表示出，系数p
11
、p
12
、p
21
、p
22
、q
11
、q
21
由线性流体动力导数表示出来；s为复变量；v为船舶x轴方向速度；δ为舵角；r为船舶角速度；y
′
v
为船舶横向速度对横摇角率的偏导数；c
b
为船舶方形系数；b为船宽；t为船舶吃水深度；π为圆周率；l为船长；γ为修正系数；y
′
δ
为船舶横向速度对舵角的偏导数；y
′
r
为船舶横向速度对横滚角率偏导数；为船舶横向加速度对横摇角率的偏导数；为船舶横向加速度对横滚角率偏导数；为加速度对船舶横向力矩的偏导数；为船舶角加速度对船舶横向力矩偏导数；n
′
v
为船舶速度对横向力矩的偏导数；n
′
r
为船舶滚转速度对船舶横向力矩偏导数；a
δ
为舵角对船舶横向力的偏导数；n
′
δ
为舵角对船舶横向力矩的偏导数；所述s3中船间航速控制关系模型具体为：式中：v为船舶航速；v0为后船的初始航行速度；k1、k2为pid系数；e为船舶和理想位置偏差；为误差补偿；后船与前船通常有一定的初始距离，如果后船的速度小于或等于前船的速度那么就无法保持期望距离和角度，若后船速度大于前船速度，则会造成航行不安全，因此，需要对后
船的航速进行控制，由于后船的航速与和理想位置的偏差呈正比关系，即后船与理想位置的偏差越大，所需要的航速也越大；所述s4的过闸船舶控制流程具体为：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；设定理想船间距离为l0，t时刻当前船与后船的实际距离为l(t)，t时刻当前船的车钟指令为u(t)，其中：式中：u(t)为船的车钟指令；e(i)为i时刻两船跟踪距离误差值；k
p
、k
i
、k
d
为比例系数、积分系数和微分系数；e(t)＝l(t)-l0为t时刻两船跟踪距离误差值；e(t-1)表示t-1时刻两船跟踪距离误差值；根据s3中建立的后船航速控制模型为基础，设定t时刻两船相对速度为v
l
(t)，v
l
(t)<0表示两船距离在缩短，为保持船舶过闸航行的稳定性，设定跟踪目标距离模糊区为[l
0-d，l0+d]，在模糊区范围的u(t)为：其中，v
b
为速度阈值，k0表示控制参数，d为距离阈值。

技术总结
本发明提供了船闸船舶同步进出闸自适应航行控制系统及控制方法，包括船载信息采集系统、船载航速控制系统和岸基服务系统；所述船载航速控制系统根据船载信息采集系统采集的信息实现船载航速的控制，所述岸基服务系统用于实现船舶定位和远程交互。采用毫米波雷达、罗经以及激光雷达等实现航行态势精细感知并采用模糊PID控制算法实现船舶同步进出闸自适应航行控制。应航行控制。应航行控制。


技术研发人员：齐俊麟 侯国佼 潘诚 王士健 肖圣魁 姜东参
受保护的技术使用者：长江三峡通航管理局
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/1