熊 勇，余嘉俊，牟軍敏，張本任，張 加，朱奇舸

(武漢理工大學(xué) a.航運(yùn)學(xué)院； b.湖北省內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；c.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

船舶在靠泊過程中，由于受到風(fēng)、流干擾以及淺水、岸壁效應(yīng)的影響，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，難以精確操控[1]，需要通過人的經(jīng)驗(yàn)來完成靠泊過程。因此，從理論和實(shí)踐上研究自動(dòng)靠泊技術(shù)具有重要的意義。自動(dòng)靠泊技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代初,楊鹽生[2]提出一種靠離泊操縱的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)出計(jì)算作用在船體上的流體力及槳力、舵力、拖船力、纜繩和錨鏈張力的實(shí)用算法。卜仁祥等[3]結(jié)合增量反饋技術(shù)，設(shè)計(jì)一種無需估計(jì)風(fēng)、流干擾的自動(dòng)靠泊算法。MIZUNO等[4]在非線性規(guī)劃最短時(shí)間靠泊方法的基礎(chǔ)上，改進(jìn)非線性模型預(yù)測(cè)控制器。張強(qiáng)等[5]通過總結(jié)船舶靠泊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出未來船舶自動(dòng)靠泊的研究方向。閆曉飛等[6]利用三維激光掃描儀工作原理和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理方法，研發(fā)一種能為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靠泊提供航海動(dòng)態(tài)信息的船舶靠泊監(jiān)測(cè)技術(shù)。ABLYAKIMOV等[7]提出一種可用于自動(dòng)靠泊的局部導(dǎo)航測(cè)距系統(tǒng)。YANG等[8]設(shè)計(jì)一種船基絞纜控制裝置，可利用分布在艏部和艉部的2根纜繩實(shí)現(xiàn)平行靠泊。

船舶在臨近泊位時(shí)處于低速航行狀態(tài),且受到淺水和岸壁效應(yīng)的影響，難以對(duì)船舶進(jìn)行精確建模，因此基于船舶運(yùn)動(dòng)模型的運(yùn)動(dòng)控制方法具有局限性，不能滿足船舶自動(dòng)靠泊的要求。國內(nèi)外學(xué)者嘗試采用不依賴船舶運(yùn)動(dòng)模型的方法來控制船舶的運(yùn)動(dòng)。YAMATO等[9]利用ANN(Artificial Neural Network)算法設(shè)計(jì)靠泊控制器。ZHANG等[10]利用多參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)在線調(diào)參的靠泊控制器。IM等[11-12]和TRAN等[13]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)靠泊控制器，并設(shè)計(jì)考慮側(cè)推器和拖船等輔助設(shè)備的自動(dòng)靠泊控制器。NGUYEN 等[14]利用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別訓(xùn)練舵、槳控制信號(hào),由此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靠泊。AHMED 等[15-16]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)并結(jié)合虛擬窗口理論設(shè)計(jì)自動(dòng)靠泊控制器，采用自由船模試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。張強(qiáng)等[17]使用ANN算法對(duì)船舶的自動(dòng)靠泊控制進(jìn)行仿真試驗(yàn)。在船舶低速運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域，龔征華等[18]基于噴水推進(jìn)操舵控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)干擾觀測(cè)器和全局滑模控制器。VAN等[19]改進(jìn)ANN算法,并將其應(yīng)用于實(shí)船控制中。

綜上所述，船舶自動(dòng)靠泊方法的研究歷史較早，這些方法也很少被應(yīng)用于實(shí)船自動(dòng)靠泊，且現(xiàn)有的不依賴船舶運(yùn)動(dòng)模型的控制方法多為ANN算法，還停留在仿真階段。在實(shí)際的船舶靠泊過程中，該方法的實(shí)時(shí)性難以保障，較難獲得參數(shù)訓(xùn)練的樣本，而船舶在靠泊過程中允許的控制收斂時(shí)間較短，使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法難以應(yīng)用于船舶實(shí)際靠泊中。為此設(shè)計(jì)一種基于船載微波雷達(dá)陣列，檢測(cè)船舶與泊位岸線的相對(duì)位置和姿態(tài)，并采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制的無模型自適應(yīng)控制方法以實(shí)現(xiàn)船舶的靠泊控制，并通過實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證該算法的可行性和控制效果。

1 自動(dòng)靠泊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

船舶的自動(dòng)靠泊需以試驗(yàn)船舶作為載體，完成試驗(yàn)船舶的硬件設(shè)計(jì)，然后搭建自動(dòng)靠泊系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的適用性，各模型、算法的穩(wěn)定性和可靠性，其中船舶硬件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)靠泊的基礎(chǔ)。船舶自動(dòng)靠泊的硬件結(jié)構(gòu)主要由以下3個(gè)單元組成。

1.1 姿態(tài)傳感器

船舶在靠泊過程中需獲取船舶的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息。采用高精度慣導(dǎo)模塊，為船舶的自動(dòng)靠泊提供X、Y和Z等3個(gè)方向上的加速度值、角度值和角速度值。

1.2 電子航向儀

船舶在水面航行時(shí)，需通過設(shè)備獲取當(dāng)前所在位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù),同時(shí)需判斷其當(dāng)前的方位和航向，采用電子航向儀實(shí)時(shí)獲取全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System,GPS)的數(shù)據(jù)和航向角數(shù)據(jù)，利用解析后的數(shù)據(jù)對(duì)船舶進(jìn)行位置監(jiān)測(cè)和靠泊控制等。

1.3 微波雷達(dá)

船舶自動(dòng)靠泊不同于傳統(tǒng)的船舶運(yùn)動(dòng)控制，靠泊時(shí)距離岸線較近，精度要求較高，因此采用微波雷達(dá)陣列來輔助船載GPS進(jìn)行高精度定位。在船體上分別安裝6個(gè)微波雷達(dá)(見圖1)，通過各微波雷達(dá)采集到的距岸線距離來計(jì)算船舶的精確位置和GPS數(shù)據(jù)，完成船舶的精確定位，并結(jié)合船載姿態(tài)傳感器精確計(jì)算出船舶的姿態(tài)。

圖1 船載微波雷達(dá)示意

圖1中:S1～S6為各微波雷達(dá)距岸線的距離，根據(jù)船上各微波雷達(dá)的具體位置，結(jié)合船載GPS設(shè)備精確定位船舶的位置。同時(shí),通過各船載微波雷達(dá)測(cè)得的距岸線的距離，結(jié)合船舶上電子航向儀獲得的船舶艏向角判斷船舶當(dāng)前的姿態(tài)。

2 船舶自動(dòng)靠泊流程設(shè)計(jì)

本文研究的是在靜水條件下的船舶自動(dòng)靠泊問題，船舶在自動(dòng)靠泊過程中，需根據(jù)船舶的各項(xiàng)參數(shù)定義其靠泊狀態(tài)。

2.1 船舶靠泊規(guī)則

船舶的靠泊過程可分為船舶抵達(dá)泊位前的運(yùn)動(dòng)過程和船舶從泊位前向碼頭靠攏的運(yùn)動(dòng)過程2個(gè)階段。

船舶在水流平緩、風(fēng)力較小、碼頭下方水域?qū)掗煹臈l件下航行時(shí)，應(yīng)至少保持與碼頭1.0～1.5倍船長的安全橫距。慢車航行，當(dāng)艏向與碼頭下端點(diǎn)距離為2～3倍船長時(shí)停車，用舵機(jī)使艏艉線與碼頭外延長線夾角不大于15°，借助船舶慣性滑行前進(jìn)。[20]

2.2 船舶靠泊的數(shù)學(xué)定義

在船舶靠泊規(guī)則的前提下，定義船舶在靠泊的過程中要實(shí)現(xiàn)靠泊，需滿足

(1)

船舶最終的靠泊狀態(tài)如式1所示，船舶姿態(tài)角為固定值；船舶到達(dá)泊位(即船舶重心距泊位小于閾值S0)。在船舶的靠泊過程中，保持船舶邊界距岸線始終大于固定值Sj，Smin為各微波雷達(dá)采集到的距離信息的最小值。

2.3 船舶自動(dòng)靠泊整體流程

利用船載電子航向儀和微波雷達(dá)陣列獲取船舶各微波雷達(dá)距岸線的距離，并結(jié)合船舶的GPS數(shù)據(jù)判斷船舶相對(duì)于泊位的位置，進(jìn)而得到船舶相對(duì)岸的姿態(tài)。利用微波雷達(dá)和姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)反饋船舶的位置信息和姿態(tài)角，根據(jù)上層的調(diào)度算法，并結(jié)合下層的無模型自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)靠泊，見圖2。

圖2 船舶靠泊流程圖

自動(dòng)靠泊算法結(jié)構(gòu)分為上層的靠泊調(diào)度算法和下層的運(yùn)動(dòng)控制算法。由上層的調(diào)度算法計(jì)算出船舶目標(biāo)航向角和航速，由下層的運(yùn)動(dòng)控制算法計(jì)算出船舶當(dāng)前指令舵角信息和指令螺旋槳轉(zhuǎn)速信息，從而實(shí)現(xiàn)航向和航速控制，完成自動(dòng)靠泊。

3 船舶自動(dòng)靠泊調(diào)度算法

根據(jù)《船舶操縱》中的船舶靠泊規(guī)則，本文采用的路徑規(guī)劃算法將船舶自動(dòng)靠泊分為2個(gè)階段，其中:第一階段是將船舶行駛至設(shè)定的轉(zhuǎn)向點(diǎn)處;第二階段是船舶到達(dá)轉(zhuǎn)向點(diǎn)后調(diào)整船舶的姿態(tài)，并將其沿著引導(dǎo)線駛?cè)氩次弧?/p>

各微波雷達(dá)距離岸線的距離分別為S1～S6，各雷達(dá)距離岸線最近距離為Smin，船舶各雷達(dá)距岸線的警戒距離為Sj(1.5倍船長)，船舶進(jìn)入該范圍時(shí)，立即向反方向航行，遠(yuǎn)離岸線；轉(zhuǎn)向圈半徑為Sz(10倍船長)，船舶在進(jìn)入轉(zhuǎn)向圈時(shí)轉(zhuǎn)向，先向設(shè)置的轉(zhuǎn)向點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)船舶到達(dá)轉(zhuǎn)向點(diǎn)后，調(diào)整航速至5 kn。調(diào)速完成后，調(diào)整航向，使船舶到達(dá)引導(dǎo)線上，再將其艏向角調(diào)整為θ(10°)，沿著引導(dǎo)線航行，并保持航速為4～5 kn；調(diào)速圈半徑為St(4倍船長)，船舶在調(diào)速圈中開始減速至1～2 kn，并保持艏向角為θ，使得船舶緩緩駛?cè)氩次?；靠泊圈半徑為S0(1倍船長)，當(dāng)船舶進(jìn)入靠泊圈時(shí)，調(diào)整姿態(tài)，關(guān)閉電機(jī)，使得船舶到達(dá)泊位，即認(rèn)為船舶完成靠泊操作。引導(dǎo)線與岸線的夾角為θ，轉(zhuǎn)向點(diǎn)位于引導(dǎo)線上距泊位中心8倍船長的位置。船舶靠泊各項(xiàng)閾值示意見圖3。

圖3 船舶靠泊各項(xiàng)閾值示意

以下為船舶分別從左側(cè)和右側(cè)自動(dòng)靠泊時(shí)的具體流程。

3.1 船舶左側(cè)靠泊

當(dāng)船舶從左側(cè)靠近轉(zhuǎn)向圈時(shí)(見圖4)，先通過船舶上GPS數(shù)據(jù)計(jì)算出船舶與泊位中心的距離S。當(dāng)S>Sz(船舶在轉(zhuǎn)向圈外)時(shí)，船舶正常向泊位行進(jìn)；當(dāng)St

圖4 船舶左側(cè)靠泊示意

圖5 微波雷達(dá)航向調(diào)節(jié)示意

以Smin=S4為例，當(dāng)前船舶姿態(tài)與定義的靠泊姿態(tài)有較大的差距，見圖6?？坎凑{(diào)度算法將大角度左轉(zhuǎn)的控制指令輸出到船舶的航向控制器中，完成調(diào)向后，繼續(xù)根據(jù)微波雷達(dá)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)船舶的當(dāng)前姿態(tài)進(jìn)行判斷，直至船舶滿足靠泊姿態(tài)要求。

圖6 微波雷達(dá)轉(zhuǎn)向示意

調(diào)整好船舶姿態(tài)后進(jìn)入調(diào)速圈(Sk

3.2 船舶右側(cè)靠泊

當(dāng)船舶從右側(cè)靠近轉(zhuǎn)向圈時(shí)，先算出船舶距泊位中心的距離S。當(dāng)S>Sz時(shí)，船舶正常向泊位航行；當(dāng)St

圖7 船舶右側(cè)靠泊示意

4 無模型自適應(yīng)控制

在自動(dòng)靠泊過程中，需要設(shè)計(jì)船舶航向和航速2個(gè)控制器。

船舶在自動(dòng)靠泊過程中，會(huì)有高速和低速運(yùn)動(dòng)2種情況，船舶在低速航行時(shí)，較難建立船舶運(yùn)動(dòng)模型，從而影響船舶運(yùn)動(dòng)控制的精度。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制不基于機(jī)理模型，而是僅利用被控對(duì)象的輸入和輸出數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)控制器的設(shè)計(jì)。[21]因此,在靠泊過程中，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制分別設(shè)計(jì)船舶的航向和航速控制器。

4.1 船舶航向控制器

考慮一般的離散時(shí)間下的非線性系統(tǒng)為

y(k+1)=f(y(k),…,y(k-n),u(k),…,

u(k-m))

(2)

式(2)中：y(k)為控制器的測(cè)量值，即被控系統(tǒng)的輸出;u(k)為控制器的輸出，即被控系統(tǒng)的控制量，亦為被控系統(tǒng)的輸入;k為釆樣時(shí)間;n和m分別為系統(tǒng)輸出和輸入的階數(shù);…為未知的非線性的函數(shù),可代表一般的無噪聲干擾作用的非線性系統(tǒng)。對(duì)于式(2)表達(dá)的非線性受控系統(tǒng)作以下3點(diǎn)基本假設(shè):

y(k+1)=φ(k)Δu(k)+y(k)

(3)

1) 系統(tǒng)對(duì)于輸入、輸出均可觀測(cè)，可控制。

3) 系統(tǒng)滿足廣義Lipschitz條件，即輸入變量變化有界,則輸出變量變化有界。[21]

在船舶航向控制中，控制器的輸入是船舶的目標(biāo)航向角，輸出是船舶的舵角。這2個(gè)控制量均滿足上述假設(shè)。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)為

(4)

(5)

Δu(k-1)=u(k-1)-u(k-2)

(6)

(7)

(8)

Δy(k)=y*-y(k)

(9)

式(8)和式(9)中：y*為期望的航向角；ρ1和λ1為無模型控制律的控制參數(shù);式(8)為無模型自適應(yīng)控制的控制律公式，只有1個(gè)需要通過輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)的參數(shù)，即φ(k);u為輸出的舵角信息;y為輸入的當(dāng)前航向角。

4.2 船舶航速控制器

船舶的航速控制系統(tǒng)也是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，其輸入是船舶的螺旋槳轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)的輸出是船舶的航速。這2個(gè)控制量均滿足無模型自適應(yīng)控制的假設(shè)。

設(shè)計(jì)非線性受控系統(tǒng)為

v(k+1)=φ(k)Δn(k)+v(k)

(10)

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則函數(shù)為

(11)

(12)

Δn(k-1)=n(k-1)-n(k-2)

(13)

(14)

(15)

Δv(k)=v*-v(k)

(16)

式(15)和式(16)中:v*為期望的航速;ρ2和λ2為無模型控制律的控制參數(shù);式(15)為無模型自適應(yīng)控制的控制律公式;式(16)只有1個(gè)需要通過輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)的參數(shù)，即φ(k);n為控制器輸出，即輸出的螺旋槳轉(zhuǎn)速；v為控制器輸入，即船舶當(dāng)前的航速。

5 實(shí)船試驗(yàn)

試驗(yàn)船舶參數(shù)見表1，實(shí)船見圖8。

表1 試驗(yàn)船舶參數(shù)

圖8 試驗(yàn)船舶

船舶航向角控制器參數(shù)為：ρ1=0.25;λ1=3;η1=0.001;μ1=1。

船舶航速控制器參數(shù)為：ρ2=0.2;λ2=2.6;η2=0.001 5;μ2=0.8。

設(shè)計(jì)2組船舶靠泊試驗(yàn)，分別為船舶位于轉(zhuǎn)向圈外左側(cè)駛向泊位和船舶位于轉(zhuǎn)向圈外右側(cè)駛向泊位。

5.1 船舶左側(cè)靠泊

船舶初始狀態(tài)為轉(zhuǎn)向圈外左側(cè)，按設(shè)計(jì)的靠泊算法停在泊位(見圖9),船舶左側(cè)靠泊航向時(shí)序圖見圖10，速度變化時(shí)序圖見圖11。

圖9 船舶左側(cè)靠泊軌跡圖

圖10 船舶左側(cè)靠泊航向時(shí)序圖圖11 船舶左側(cè)靠泊速度時(shí)序圖

船舶初始航向?yàn)?01.2°，到達(dá)轉(zhuǎn)向點(diǎn)后，調(diào)整航向，駛向引導(dǎo)線后保持航向角為10°進(jìn)入調(diào)速圈，最終航向角保持約為9°如圖10所示。

步長為0.2 s，船舶記錄的初始航速約為8 kn(如圖11所示)，此時(shí)無期望航速要求，在8 s后，船舶調(diào)整完成航向時(shí)根據(jù)調(diào)度算法，期望航速為5 kn，船舶完成調(diào)速后保持5 kn航速繼續(xù)行駛，在進(jìn)入調(diào)速圈后，調(diào)整航速為1 kn，緩慢向泊位靠攏，到達(dá)泊位后停止電機(jī)運(yùn)行,完成靠泊。

5.2 船舶右側(cè)靠泊

船舶初始狀態(tài)為轉(zhuǎn)向圈外右側(cè)，試驗(yàn)中按設(shè)計(jì)的船舶調(diào)度算法，依次進(jìn)入轉(zhuǎn)向圈、調(diào)速圈和靠泊圈,最終停在泊位，完成自動(dòng)靠泊(見圖12),船舶右側(cè)靠泊航向時(shí)序圖見圖13，船舶右側(cè)靠泊近岸速度時(shí)序圖見圖14。

船舶初始航向?yàn)?51.5°，到達(dá)轉(zhuǎn)向點(diǎn)后，調(diào)整航向，駛向引導(dǎo)線后保持航向角為10°進(jìn)入調(diào)速圈，最終航向角保持約為9°如圖13所示。

圖12 船舶右側(cè)靠泊軌跡圖

圖13 船舶右側(cè)靠泊航向時(shí)序圖圖14 船舶右側(cè)靠泊近岸速度時(shí)序圖

步長為0.2 s，船舶記錄的初始航速約為8 kn，此時(shí)無期望航速要求，在大約4 s后，船舶航向調(diào)整完成,根據(jù)調(diào)度算法，期望航速為5 kn，船舶航速調(diào)整完成后保持航速為5 kn繼續(xù)航行，在進(jìn)入調(diào)速圈后，調(diào)整船舶航速為1 kn，緩慢向泊位靠攏，到達(dá)泊位后停止電機(jī),完成靠泊如圖14所示。試驗(yàn)結(jié)果表明:船舶在自動(dòng)靠泊過程中，無模型自適應(yīng)控制有良好的控制效果，雖然有些許的誤差，但考慮到測(cè)量設(shè)備的精度問題，這些誤差也在可接受的范圍內(nèi)，尤其是在船舶即將靠岸時(shí),船舶處于低速狀態(tài)，但仍有良好的控制效果，能實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)靠泊。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)一套自動(dòng)靠泊算法，基于微波雷達(dá)陣列，結(jié)合船載GPS數(shù)據(jù)，在準(zhǔn)確獲取船舶的實(shí)時(shí)位置的基礎(chǔ)上，使用無模型自適應(yīng)控制控制船舶航向和航速，從而實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)靠泊。同時(shí),設(shè)計(jì)實(shí)船試驗(yàn)，證明按本文介紹的船舶自動(dòng)靠泊算法，試驗(yàn)船舶能完成自動(dòng)靠泊。本文采用的船舶為小型無人艇，并未驗(yàn)證大型無人艇能否采用該方法完成靠泊，但該方法具有一般性，可為大型船舶的自動(dòng)靠泊技術(shù)研究提供參考。