限制水域船舶路径规划和轨迹跟踪控制算法研究
摘要
近些年来，限制水域商业运输船舶自动避碰技术受到广泛关注。船舶在狭窄浅水航
道航行时，船舶操纵能力下降和船-船水动力干扰对船舶的航行安全造成了威胁，但现有
的限制水域船舶避碰路径规划和轨迹跟踪控制研究很少将两者考虑在内。因此，如何准
确预报限制水域船舶操纵性和水动力干扰，并将其考虑进船舶路径规划和轨迹跟踪控制
算法设计是限制水域船舶自动避碰技术的核心。本文针对限制水域船舶赶超和会遇工况
下的自动避碰问题，开展计及船舶操纵能力和船-船水动力干扰的限制水域船舶避碰路
径规划算法研究，提出基于人工势场法和人工变道思想的限制水域船舶避碰路径规划算
法，在此基础上，开展基于PID和模型预测控制方法的船舶轨迹跟踪控制仿真研究。本
文的主要研究工作和成果如下：
（1）开展了计及船-船水动力干扰的限制水域船舶运动操纵特性研究。基于分离型
船舶操纵运动模型，引入浅水修正，计入基于势流方法求解的船-船水动力干扰，建立限
制水域船舶运动数值模型，通过与模型试验及其他数值方法对比验证数值模型的可靠性。
基于建立的船舶运动数值模型进行了船舶回转试验、Zigzag试验、直航性试验等数值仿
真，研究了船舶在不同水深、航速下的操纵能力。
（2）开展了限制水域典型工况下的船舶避碰路径规划算法研究。将船舶操纵能力
考虑在内，通过定性考虑船-船水动力干扰，设计了基于人工势场法的路径规划算法，通
过定量考虑船-船水动力干扰，设计了基于人工变道思想的路径规划算法。在此基础上，
对不同水深和航速下的船舶赶超、会遇工况进行路径规划数值仿真，验证了算法的稳定
性；针对船舶碰撞危险和路径耗费，对两种路径规划算法进行了对比分析。
（3）开展了限制水域典型工况下的船舶轨迹跟踪控制算法研究。考虑船舶降速、系
统噪声、舵机时滞等船舶特性，建立了限制水域船舶轨迹跟踪控制模型。在此基础上，
基于PID算法对船舶赶超和会遇工况的避碰路径进行轨迹跟踪数值仿真。为改善控制效
果，避免PID控制算法的超调等缺陷，基于模型预测控制方法对船舶赶超和会遇工况的
避碰路径进行轨迹跟踪仿真，并对两种控制算法进行了对比分析。
关键词：限制水域船舶操纵性；船-船水动力干扰；路径规划；轨迹跟踪控制
I
限制水域船舶路径规划和轨迹跟踪控制算法研究
Abstract
Inrecentyears,theautomaticcollisionavoidancetechnologyofcommercialtransport
shipsinrestrictedwatershasreceivedwidespreadattention.Whenshipsnavigateinnarrowand
shallowwaterways,thedeclineinshipmaneuverabilityandship-shiphydrodynamicinteraction
posesathreattothesafetyoftheshipnavigation,buttheexistingresearchonshipcollision
avoidancepathplanningandtrajectorytrackingcontrolinrestrictedwatersrarelytakesthisinto
account.Therefore,howtoaccuratelyforecastshipmaneuverabilityandhydrodynamic
interactioninrestrictedwaters,andtakethemintoaccountinshippathplanningandtrajectory
trackingcontrolalgorithmdesignisthecoreofautomaticcollisionavoidancetechnologyfor
sh