[發明專利]一種用于小型船的自動停泊輔助控制方法

有效

• 申請號: 201810329931.4
• 申請日: 2018-04-13
• 公開（公告）號: CN109116838B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 王旭陽;高迪駒;周宇;劉涵
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 上海互順專利代理事務所(普通合伙) 31332
• 代理人: 余毅勤

1.一種用于小型船的自動停泊輔助控制方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一、三自由度運動數學模型建模

船的運動模型由6自由度系統描述，使用的符號如下：x是縱蕩位移，y是橫蕩位移，z是垂蕩位移，φ是橫搖角，θ是縱搖角，ψ是艏搖角；x,y和z描述船的位置，而φ,θ和ψ則表示方向；

引入以下假設來模擬物理系統：

1)假設船舶縱向和橫向中心穩定，即橫搖運動和縱搖運動被忽略；

2)在z≈0的假設下忽略垂蕩運動；

3)由于海港處于“封閉”環境，波浪引起的船舶高頻運動被忽略，海浪對停泊機動性的影響很小；

4)根據動力學，利用粘性摩擦方程描述船舶與風和海浪引起的環境擾動之間的相互作用；

5)忽略執行機構的動力學，它們通常比船的動力學要快得多；

6)船的質量分布均勻并且關于xz平面對稱性；

7)在港口可達到的最大速度為3節，流體靜力學和流體力學忽略不計；

用于描述船在水平面上的低頻運動的模型簡化為三自由度運動數學模型，三自由度運動數學模型與固定在船上的參考系，即船體坐標系{1}有關；船的狀態可以通過狀態向量x＝[x y ψ]^T來描述，該向量表示船體坐標系{1}上的縱蕩，橫蕩和艏搖運動；狀態向量x在地面固定參考系{e}上描述；

作用于船上的力如下：

1)推進器的產生推力，被簡化為位于重心的三個推進器，沿著縱向的輸入力f_x，沿橫向的輸入力f_y和沿著艏搖方向的τ全部施加到重心上；

2)沿縱向方向的由于風和水產生的流體動力F_xc、F_xw以及沿著橫向方向的F_yc、F_yw，風和水流的強度和方向在地面坐標系{e}上定義，然后投影到船體坐標系{1}上；數學模型如下：

通過計算力的橫向和縱向平衡以及力矩相對于z軸的平衡來獲得方程；在(1)中，f_x,f_y和τ是模型的輸入，和分別是縱蕩和橫蕩加速度，是艏搖角加速度，是艏搖角速度，M是質量，J是慣性矩，K_ψ是地轉偏向力向心系數，b_xw(t)，b_xc(t)，b_yw(t)，b_yc(t)分別是船舶重心與船舶中心點之間的時變距離；其中，下標x表示船舶縱蕩方向，y表示船舶艏搖方向，w表示由海浪引起力的含義，c表示由海流引起力的含義，(t)表示該量不是固定常量，而是一個時變量；

在{1}中縱向作用的流體動力產生的力矩用τ_x＝b_xwF_xw+b_xcF_xc表示，橫向作用的流體動力產生的力矩用τ_y＝b_ywF_yw+b_ycF_yc表示；小型船舶船體的長度是寬度的三倍以上，τ_y＞＞τ_x，中心點位于船縱軸上，因此產生b_xw(t)＝0,b_xc(t)＝0；

b_yc(t)和b_yw(t)將被視為常量，它們的值將被納入灰箱識別過程中使用的傳遞函數的增益和時間常數中；

流體動力可以定義為

其中

流體動力學導數表示為其中i＝{x,y},j＝{w,c}為流體動力系數，ρ_c和ρ_w分別是空氣和水的密度，而是流體接觸表面；

三自由度的狀態空間模型可以寫成如下形式：

其中是狀態向量，是干擾向量，u＝[f_xf_yτ]^T是輸入向量，y是輸出向量；

船配備了兩個側向螺旋槳，產生f_v1和f_v2，以及兩個船尾推進器產生f_u＝f_u1+f_u2的推力受到舵角θ影響，慣性力(f_x，f_y，τ)與實際推力之間的關系可寫為：

以地面坐標系{e}為參考系的船只的運動可以表示為：

[X Y Ψ]^T＝R(ψ)[x y ψ]^T (6)

其中R是旋轉矩陣；

步驟二、控制模型設計

考慮由恒定速度定義的作用點，即也就是

船的線性動力學是通過考慮的穩態條件對非線性模型(4)進行線性化，將三個輸入合力與三個輸出速度相關聯來獲得的，最終的模型可以用寫成以下形式

其中，矩陣A，B，F和C的計算方法如下

輸入輸出模型通過將拉普拉斯算子應用于線性化狀態空間模型來實現，δy(t)可以表示為

δy(t)＝G(s)δu(t)+H(s)δd(t) (10)

其中，

控制系統設計為低速靠近港口，舵角對偏航運動影響不大：

1)即傳遞函數和忽略不計；

2)中心點與中心重合，即忽略不計；

3)θ＝0；

模型簡化如下：其中K_PP和K_PROP分別代表沿縱向和橫向最大推力的常數項，com_i代表實際的執行機構的指令信號，而和是一階傳遞函數；

步驟三、灰箱識別

灰箱識別程序由三個步驟組成：

1)識別面向控制模型的傳遞函數的增益和時間常數；

2)確定從合力到船速的增益項；

3)識別模型的物理參數；

識別與縱向運動相關的傳遞函數的過程如下：

線性化模型方程改寫為

是com_x和之間的增益，是和之間的增益，是縱蕩運動的時間常數；時間常數通過輸出估算的；風速和縱蕩速度之間的傳遞函數的增益是從所有推進器關閉的測試中識別；執行器的指令與橫蕩速度之間的傳遞函數的增益通過相對于的最小化代價函數來計算

傳遞函數描述了推進器命令與船速之間的動態關系，計算合力和船速之間的增益；考慮縱蕩運動，使用公式合外力增益和縱蕩運動的時間常數的關系為對于橫蕩運動，可以表示為

質量是已知的，增益可以通過將基本公式變換為

a是側向推進器和重心之間的距離；

增益和縱蕩時間常數相對于流體動態導數K_xc和K_xw是線性的，使用最小二乘法在操作條件(和)下定義線性系統

計算橫蕩運動的流體動力學導數K_yc和K_yw；

步驟四、控制系統體系設計

自動停泊輔助系統在半自動模式下運行或定位保持，控制結構設計為每個自由度級聯兩個環路，內部速度環路專用于半自動模式，而定位模式則通過外部位置環路實現；

內環速度環的設定點可以以兩種不同的方式提供：在定位保持模式中，速度設定點由位置調節器給出，而在半自動模式中，速度設定點由用戶通過操縱桿設置；控制系統的控制輸出是推進裝置和側向螺旋槳的齒輪；推進裝置用來控制縱蕩運動，船只在齒輪接觸的情況下達到港口附近允許的最大速度為三節，側向螺旋槳用于在低速時控制橫蕩和艏搖運動；

1)考慮到(7)，坐標變換塊將需要使用的變量從地面坐標系變換到船體坐標系；

2)位置調節器模塊由三個比例調節器實現，它們為內部速度環產生參考設定值；閉環帶寬約為0.001Hz，相位裕度約為80°；

3)速度調節器模塊是通過三個比例積分調節器實現的，該調節器基于控制導向模型的傳遞函數進行調節，船只運動是解耦的；閉環帶寬約為0.01Hz，相位裕度約為90°；

4)分離器模塊將速度控制器的輸出轉換為可用執行器的指令；

5)脈寬調制模塊產生可變長度的脈沖，以控制推進器的開/關并調節推力。