本發(fā)明屬于船舶控制，尤其涉及一種拖駁系統(tǒng)的靠泊運(yùn)動(dòng)控制方法、拖駁系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)。

背景技術(shù)：

1、拖駁系統(tǒng)是一種由拖船和駁船組成的船舶組合形式，在海上運(yùn)輸、港口作業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。拖駁系統(tǒng)主要由一艘拖船和一艘駁船構(gòu)成，拖船與駁船之間采用拖纜進(jìn)行連接，常見(jiàn)的連接方式如雙拖纜方式，這種連接方式使得拖船能夠牽引駁船進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2、傳統(tǒng)的拖駁系統(tǒng)靠泊作業(yè)主要依賴駕駛員的人工操作，這在很大程度上受限于駕駛員的經(jīng)驗(yàn)和技能，在復(fù)雜氣象和海況下，存在很大的安全隱患。而現(xiàn)有的自動(dòng)控制方法難以應(yīng)對(duì)多變的環(huán)境條件，魯棒性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種拖駁系統(tǒng)的靠泊運(yùn)動(dòng)控制方法、拖駁系統(tǒng)、設(shè)備及介質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定和安全的拖駁系統(tǒng)靠泊作業(yè)。

2、本發(fā)明實(shí)施例的第一方面提供了一種拖駁系統(tǒng)的靠泊運(yùn)動(dòng)控制方法，該方法包括：

3、獲取拖駁系統(tǒng)在當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)信息，所述狀態(tài)信息包括拖船的狀態(tài)、駁船的狀態(tài)，以及所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力；

4、根據(jù)所述拖船的狀態(tài)和所述駁船的狀態(tài)，生成所述拖駁系統(tǒng)的狀態(tài)空間向量；

5、根據(jù)所述狀態(tài)空間向量、所述拖纜拉力和預(yù)先建立的馬爾科夫決策過(guò)程模型，得到所述拖船的動(dòng)作空間向量；

6、基于所述動(dòng)作空間向量，對(duì)所述拖駁系統(tǒng)進(jìn)行靠泊控制。

7、結(jié)合第一方面，在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述馬爾科夫決策過(guò)程模型通過(guò)以下方式建立：

8、基于所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力，建立所述拖船的三自由度水面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型；

9、根據(jù)所述拖船的狀態(tài)、所述駁船的狀態(tài)和所述三自由度水面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，建立馬爾科夫決策過(guò)程模型；

10、采用ppo算法對(duì)所述馬爾科夫決策過(guò)程模型進(jìn)行訓(xùn)練，，確定所述馬爾科夫決策過(guò)程模型的最優(yōu)控制策略參數(shù)。

11、結(jié)合第一方面，在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述基于所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力，建立所述拖船的三自由度水面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，包括：

12、將所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力通過(guò)配置矩陣的方式融入到所述拖船的三自由度水面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中：

13、

14、τ＝bt·f；

15、

16、其中，η＝[xt,yt,ψt]t為全局坐標(biāo)系下拖船的位置和航向角；r(ψ)為航向轉(zhuǎn)換矩陣；ν＝[ut,vt,rt]t為拖船的速度；m、c(v)、d(v)分別為慣性矩陣、科氏力與離心力矩陣和阻尼矩陣；為拖船的控制力和力矩；τenv為環(huán)境干擾力；f為所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力；bt為約束配置矩陣；β為拖纜拉力與拖船的夾角，lg為拖船位置拖點(diǎn)到拖船質(zhì)心的距離。

17、結(jié)合第一方面，在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述根據(jù)所述拖船的狀態(tài)、所述駁船的狀態(tài)和所述三自由度水面運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，建立馬爾科夫決策過(guò)程模型，包括：

18、確定所述拖駁系統(tǒng)的狀態(tài)空間向量：st＝[xb,yb,ψb,ub,vb,rb,xt,yt,ψt,ut,vt,rt]；其中，xb和yb為駁船的位置；ψb為駁船的航向角；ub、vb和rb為駁船的速度；xt和yt為拖船的位置；ψt為拖船的航向角；ut、vt和rt為拖船的速度；

19、確定所述拖船的控制力和力矩為所述拖駁系統(tǒng)的動(dòng)作空間向量at；

20、確定所述拖駁系統(tǒng)的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)，得到馬爾科夫決策過(guò)程模型。

21、結(jié)合第一方面，在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述拖駁系統(tǒng)的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)包括：

22、p＝pt+ppro+pc+ps+psuc；

23、pt＝-α·et；

24、ppro＝μ·(δd)；

25、

26、其中，pt為軌跡偏差懲罰，et表示駁船的當(dāng)前位置和目標(biāo)軌跡點(diǎn)之間的歐幾里得距離，-α表示偏差懲罰的權(quán)重；ppro為進(jìn)度獎(jiǎng)勵(lì)，δd＝dn-dc，dn表示執(zhí)行動(dòng)作后拖駁系統(tǒng)沿軌跡的累計(jì)距離，dc表示當(dāng)前拖駁系統(tǒng)沿著軌跡的累計(jì)距離，μ表示進(jìn)度獎(jiǎng)勵(lì)的權(quán)重；pc為碰撞懲罰，-λ表示碰撞懲罰值；n為拖駁系統(tǒng)到岸邊的距離；nsafe為預(yù)設(shè)的最小安全距離；ps為速度控制獎(jiǎng)勵(lì)，表示超速懲罰權(quán)重，v表示當(dāng)前速度，v1表示速度的最大閾值；psuc為任務(wù)完成獎(jiǎng)勵(lì)，φ表示完成靠泊任務(wù)獎(jiǎng)勵(lì)的權(quán)重。

27、結(jié)合第一方面，在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述采用ppo算法對(duì)所述馬爾科夫決策過(guò)程模型進(jìn)行訓(xùn)練，確定所述馬爾科夫決策過(guò)程模型的最優(yōu)控制策略參數(shù)，包括：

28、初始化拖駁系統(tǒng)狀態(tài)，設(shè)定拖駁系統(tǒng)預(yù)定靠泊軌跡；

29、根據(jù)ppo算法中的actor網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以所述拖駁系統(tǒng)的狀態(tài)空間向量st為輸入得到所述拖駁系統(tǒng)的動(dòng)作空間向量at，重復(fù)執(zhí)行t次，收集狀態(tài)空間向量、動(dòng)作空間向量以及獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)；

30、根據(jù)收集的狀態(tài)空間向量、動(dòng)作空間向量以及獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，建立優(yōu)勢(shì)函數(shù)計(jì)算每時(shí)刻的優(yōu)勢(shì)估計(jì)值；

31、根據(jù)優(yōu)勢(shì)估計(jì)值，更新actor網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；

32、更新ppo算法中的critic網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)；

33、重復(fù)上述迭代過(guò)程，直至達(dá)到終止條件，得到最優(yōu)控制策略參數(shù)。

34、結(jié)合第一方面，在第一方面的一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述拖船和所述駁船之間通過(guò)至少兩條拖纜連接；

35、所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力通過(guò)以下方式計(jì)算：

36、根據(jù)計(jì)算每條拖纜的拉力，對(duì)各條拖纜的拉力進(jìn)行矢量合成，得到所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力；

37、其中，h為拖纜懸垂值；f1為任意一條拖纜的拉力；ξ為單位長(zhǎng)度拖纜重力；為拖纜與水平面的夾角；lc為拖纜長(zhǎng)度；lc為拖點(diǎn)間水平距離。

38、本發(fā)明實(shí)施例的第二方面提供了一種拖駁系統(tǒng)，包括：

39、下位機(jī)模塊，用于獲取拖駁系統(tǒng)在當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)信息，所述狀態(tài)信息包括拖船的狀態(tài)、駁船的狀態(tài)，以及所述拖船和所述駁船之間的拖纜拉力；根據(jù)所述拖船的狀態(tài)和所述駁船的狀態(tài)，生成所述拖駁系統(tǒng)的狀態(tài)空間向量；

40、數(shù)據(jù)處理模塊，用于根據(jù)所述狀態(tài)空間向量、所述拖纜拉力和預(yù)先建立的馬爾科夫決策過(guò)程模型，得到所述拖船的動(dòng)作空間向量；基于所述動(dòng)作空間向量，對(duì)所述拖船進(jìn)行靠泊控制。

41、本發(fā)明實(shí)施例的第三方面提供了一種電子設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器以及存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中并可在所述處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述第一方面或第一方面的任意一種實(shí)現(xiàn)方式中的所述方法的步驟。

42、本發(fā)明實(shí)施例的第四方面提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述第一方面或第一方面的任意一種實(shí)現(xiàn)方式中的所述方法的步驟。

43、本發(fā)明實(shí)施例與現(xiàn)有技術(shù)相比存在的有益效果是：

44、本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)拖船的狀態(tài)和駁船的狀態(tài)，生成拖駁系統(tǒng)的狀態(tài)空間向量；將狀態(tài)空間向量和拖纜拉力，輸入到預(yù)先建立的馬爾科夫決策過(guò)程模型中，得到拖船的動(dòng)作空間向量，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖駁系統(tǒng)進(jìn)行靠泊控制。本方法不依賴精確的模型和先驗(yàn)知識(shí)，適用于一些具有不確定性的環(huán)境。同時(shí)具備學(xué)習(xí)能力，在未知海域環(huán)境下，也能夠?qū)崿F(xiàn)拖駁系統(tǒng)的靠泊運(yùn)動(dòng)，提升了對(duì)未知干擾的魯棒性，增強(qiáng)了拖駁系統(tǒng)的精準(zhǔn)定點(diǎn)定位的能力。