[發明專利]一種海面溢油的隨機溯源跟蹤控制方法及其系統

有效

• 申請號: 201810449805.2
• 申請日: 2018-05-11
• 公開（公告）號: CN108664025B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 姜向遠;曾虹;李帥
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02;G05B13/04
• 代理公司: 青島申達知識產權代理有限公司 37243
• 代理人: 霍本俊

本發明提供了一種海面溢油的隨機溯源跟蹤控制方法及其系統，涉及無人船控制領域，主要包括如下步驟：1)無人船攜帶傳感器，從海面油膜獲得傳感數據，處理得到溢油模型參數和運動模型參數；2)根據兩模型參數計算得到無人船運動學控制率；3)基于反饋線性化方法對無人船運動學控制率處理，獲得無人船動力學控制率，進而得到無人船的搜尋數據，從而驅動無人船搜尋海面溢油源頭；本發明具有實時性、自適應性和魯棒性，實現無人船對廣域海面溢油擴散源頭的迅速隨機追溯。

技術領域

本發明涉及無人船控制領域，具體涉及一種海面溢油的隨機溯源跟蹤控制方法及其系統。

背景技術

無人船技術是一種綜合了計算機、控制論、結構學、信息和傳感技術，以及人工智能、仿生學到等多學科而形成的高新技術。當前，對于無人船的研究十分活躍并被日益運用到廣泛的技術領域當中。因其應用涉及海上的溢油監測，無人船技術越來越受到學術界和工業界的關注。

現有海上溢油監測有三種方法：基于地圖構建的方法，基于溢油行為的方法和基于控制的方法。傳統基于控制的溯源跟蹤控制方法多采用梯度上升的方法。然而，僅考慮梯度上升的溯源控制方法往往難以得到準確的模型參數。與此同時，單純依賴梯度上升法，溯源過程中搜索范圍有限，跟蹤速度和精度也難以保證。尤其，對于大尺寸海域溢油追蹤存在嚴重的模型誤差。因此，亟需一種更為精準迅速的廣域溢油源頭追溯控制方法。

發明內容

為解決上述現有技術的問題，利用擾動理論和平均原理，基于隨機搜索策略，本發明提出一種海面溢油的隨機溯源跟蹤控制方法，實現無人船對廣域海面溢油擴散源頭的迅速隨機追溯，具有實時性、自適應性和魯棒性的特點。

一種海面溢油的隨機溯源跟蹤控制方法，方法步驟包括：

1)無人船上設置有傳感器、擴散-對流模塊、無人船運動處理器、狀態觀測器、隨機搜索策略模塊和前驅動動力處理器，通過傳感器檢測溢油海面傳感數據；基于傳感數據，通過擴散-對流模塊處理得到溢油模型參數，通過無人船運動處理器得到運動模型參數；

2)基于溢油模型參數和運動模型參數，所述無人船運動處理器獲得無人船質心運動學模型，與擴散-對流模塊的溢油羽鋒處理模型相結合，得到狀態觀測器的狀態方程和觀測方程；將狀態觀測器與隨機搜索策略模塊聯合處理，求得無人船運動學控制率；

3)前驅動動力處理器基于反饋線性化方法對無人船運動學控制率處理，獲得無人船動力學控制率，進而得到無人船的搜尋數據，所述搜尋數據包括無人船推動力和運動方向，根據搜尋數據驅動無人船搜尋海面溢油源頭。

在步驟1)中，所述傳感器包括360°隨機擺動的搜索搖桿，所述傳感數據包括油膜濃度和流場速度；所述溢油模型參數包括溢油濃度的梯度和散度。

更優選的，a.擴散-對流模塊通過如下溢油羽鋒處理模型處理：

其中，為溢油濃度，和為溢油濃度的梯度和散度；k和v分別表示擴散系數和流場速度矢量，為待測的參數向量；

b.無人船運動處理器通過如下無人船質心運動學處理模型處理：

其中，x_r＝[x_r1，x_r2]^T表示無人船質心位置，φ為其偏航角，η＝[η₁，η₂]^T為無人船輸入的運動學控制率。

優選的，無人船狀態觀測器處理的狀態方程和觀測方程依次為：

其中，G表示沿著溢油羽鋒的法線方向的投影矩陣。