多系泊机械手分布式协同控制技术研究开题报告

全文总字数：11337字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，物联网、云计算、智能机器人等新技术应用呈现爆发式增长，智能化、便利化和无人化也成为各大港口的发展趋势。从欧洲“南大门”的比雷埃夫斯港到“海上十字路口”的新加坡，再到被称为韩国“海上经济首都”的釜山港，全球各大港口在积极利用地理优势加强自身建设的同时，也加大了变革与创新，以期通过高新技术的运用，探索未来的发展之路。随着无人船舶研究的不断深入及智慧港口建设的加速，以及全球贸易的昌盛，港口的吞吐量日益上升，为了提高港口的作业效率，传统的使用系泊缆系泊的方式已经愈发不够满足港口的发展需求，相对传统船舶缆绳系泊方式，自动系泊系统基友安全、经济、高效、环保等特点。于是使用智能机械手系泊应运而生。

随着科技的进步，越来越多的复杂应用系统采用分布式多智能体系统。与一般的单体系统不同之处在于多智能体系统通过个体间的相互协作来完成群体性任务，能够完成复杂任务的同时也能更适应复杂多变的工作环境。科学家们注意到自然界中存在着许多群体现象，图1.1鱼群通过变换队形来搜索食物和迅速躲避猎食者的攻击；图1.2蜜蜂通过明确分工完成筑巢。

2. 研究的基本内容与方案

1. 设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案

   3.1基本内容和目标

论文所要进行的研究的基本内容主要包括以下五个方面。

（1）对于多系泊机械手协同控制的国内外研究现状进行综述，详细了解系泊机械手的原理与技术手段，明确系泊机械手的应用场景；

（2）明确系泊机械手的具体参数以及使用方案；

（3）多个系泊装置分布式协同控制建模；

（4）应用分布式思想，提出一种自动系泊系统的协同控制算法，

并经过仿真实验分析验证；

（5）对系统控制算法进行稳定性分析。

论文研究的目标为提出一种自动系泊系统的协同控制算法。结合系泊时，船舶所受的各种因素特点，设计合适的协同控制算法，并通过仿真实验验证算法的有效性。

3.2拟采取的技术方案

1. 主流系泊机械手分析研究

快速脱钩装置是为了快速释放缆绳研制的装置，是自动系泊技术术的起点。船舶自动系泊装置根据其系泊原理可分为真空吸盘式、磁力式和机械式三种方式。国内虽然有一部分企业申请了自动系泊的相关专利，但自动系泊装置基本由国外企业垄断，国外生产相关装备的企业主要有 Cavotec，Trelleborg，Mampaey 以及 Mac Gregor 等企业。

Cavotec公司生产的 MoorMaster真空系泊设备在港口得到了较广泛的应用。该公司的系泊装置是一种基于真空技术的自动系泊系统，可通过远程控制。在几秒钟内系住和释放船舶。2016 年 Cavotec与芬兰瓦锡兰公司合作开发全球首个综合感应无线充电自动系泊系统。Cavotec除了应用在港口外，其 MoorMaster 200LS船闸系统可用于船闸和内陆水路自动系泊的需求，从而节省了船舶通航时间并能为船上以及岸上工作人员带来更安全的环境。^[18]

Trelleborg公司其生产的的 Auto Moor自动系泊系统也是一种基于真空的

装置。可根据系泊力灵活的设置吸盘的数量。^[18]

Mampaey 业设计的 Dock-Locking 系统是一种基于磁力的自动系泊装置。该装置前段安装一层耐磨材料，在该材料下是永磁铁。永磁铁由液压缸带动，实现船体与系泊装置的连接。每个液压缸均配备行程和压力传感器，以便于计算不同条件下的系泊力。^[18]

Mac Gregor公司也开发了一种自动系泊装置，该装置是一种机械式的系泊装置。船舶的船身侧面需要与之相匹配的装置。^[18]

在考虑到我国的港口环境和经济条件下，Cavotec公司生产的 MoorMaster真空系泊设备更加符合我国的港口建设自动系泊系统要求。机械式自动系泊系统成本更高，国际上的使用程度低。电磁式的自动系泊系统会自身会有磁场产生，对于一些对磁场有要求的港口就会不匹配。

MM400E¹⁵是Cavotec MoorMaster的非常成功的泊位甲板安装式自动系泊机的重大改进。该设计基于15多年的经验，几乎适用于所有应用。具有足够的摇摆范围和容纳能力，可用于最大的集装箱船，较小的渡轮以及两者之间的所有物品。它易于安装，易于维护的设计以及最新开发的液压系统意味着低拥有成本。

MM400E¹⁵ 的优点：

• 系泊速度约为30秒，脱离不到15秒

• 使用智能船只技术可主动控制码头一侧的船只运动，这可以增加泊位的正常运行时间并提高安全性

• 只需要一个操作员

• 带有多个MM400E15的泊位上可使用船只弯曲功能

• 操作员可以使用Cavotec的ARMADA（自动实时监视和数据采集）进行实时监视，并可以通过Cavotec的服务产品进行远程诊断

• 泊位设计可以进行重大优化，以节省传统的系泊基础设施和CAPEX。

因此本文的研究以Cavotec公司生产的自动系泊机械手臂作为硬件设施。

1. Cavotec公司生产的自动系泊机械手臂参数及使用情况

   表1 MM400E15 的技术指标表

图2 MoorMasterMM400E¹⁵装置实体图

系统配置由潮汐范围，吃水变化，环境条件和现有基础设施定义。现可能的配置如图3。

图3自动系泊系统配置图

1. 多个系泊装置分布式协同控制建模

   使用MATLAB软件进行建模。选用多个MATLAB中自带的机械手通过矩阵联系在一起构成简化的模型。

2. 自动系泊机械手分布式协同控制算法研究

   在提出系泊机械手分布式协同控制方案前，先做了如下假设：

   假设1：系泊机械手具有足够的推力，系泊后的船只在海面上不会发生横向运动，但还是会产生纵向和垂直运动。

   假设2：跟系泊机械手可以通过自身的传感器检测出与领航车之间的相对距离Ｌ和相对角度。

   假设3：系泊机械手可以通过传感器检测出自身的速度和角速度，以及垂摆角θ。

   假设4：系泊机械手之间的通讯时理想化的，无延迟等情况。

   多系泊机械手的控制拟采用领航-跟随法^[19]中的l-控制方法：跟随者保持一定的相对位移和角度跟踪领航者。采取系泊船中心位置的系泊机械手作为领航者，其余系泊机械手作为跟随者。

   本文系泊机械手只考虑二维平面的运动，不考虑横向，即不考虑无人车X轴方向的移动，因此无人车的位姿信息q 包括二维平面的位置和朝向。则无人系泊机械手的位姿q 可表示为：[ ]

   q = yzθ(1.1)

   其中，y和z是无人车在二维坐标系的位置，θ为系泊机械手吸盘的方向相对于y轴正方向的夹角。

   无人车的线速度为v，则无人车在二维坐标系的Y 轴方向线速度和Z轴方向线速度为：

   （1.2）

   机械手的角速度为 w，则：

   （1.3）

   对公式(1.1)求导，将公式(1.2)、(1.3)代入，可得机械手的运动学模型为：

   （1.4）

   令处于船舶中央的系泊机械手为领航机械手记作，的位置状态信息为，记跟随机械手为， 的位置状态信息为。跟随者的任务是与领航者保持一定的距离和一定的角度。

根据几何关系可得：

（1.5）

其中，d 为吸盘中心到吸左右边缘的距离。

对公式(1.5)求导，结合公式(1.4)系泊机械手系统模型，可得：

（1.6）

其中，和分别为领航系泊机械手在船舶受到外力（例如风流，浪流，潮汐影响）时跟着船舶移动所产生的线速度和角速度。分别为跟随机械手的线速度和角速度。。

定义状态误差变量为：q -q

（1.7）

其中，。对公式（1.7）求导，并结合公式（1.6）可得：

（1.8）

跟谁机械手的任务时与领航机械手保持一定的距离和一定角度，和是不变的，所以=0，=0，将其带入公式（1.8）中，可得：

（1.9）

基于输入-输出反馈的线性化的l-领航-跟随法编队控制方法的控制律为：

（1.10）

其中：为反馈比例系数，。

根据公式（1.10）可以得到跟随者的控制器为：

（1.11）

1. 稳定性分析

   结合公式(1.7)的定义和基于输入-输出反馈的线性化的l-领航-跟随法编队控制方法的控制律公式(1.10)可得：

   (1.12)

其中，。

根据公式（1.12）且，当时，则，结合。所以，按照输入-输出反馈线性化方法的l-领航-跟随法的跟随者控制器是稳定的。

系泊机械手工作的简单流程图:

图4 系统工作简化流程图

3. 研究计划与安排

4. 参考文献（12篇以上）

1] fax j a, murray r m. information flow and cooperative control of vehicle

formations[j]. ieee transactions automatic control, 2004, 49(9): 1465-1476.

[2] 甘亚辉 , 戴先中 . 多机械臂协调控制研究综述 [j]. 控制与决策 , 2013, 28(3):321-333.