[發明專利]一種雙泵噴水推進無人艇推力動態分配方法

在審

• 申請號: 202010769907.X
• 申請日: 2020-08-04
• 公開（公告）號: CN112083651A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 徐梓京;袁景淇
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;B63H11/04;B63B35/00
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 劉翠

本發明提供了一種雙泵噴水推進無人艇推力動態分配方法，包括：根據預先給定的雙泵噴水推進無人艇矢量控制任務，設計軌跡跟蹤控制律得到航行任務指令信號；設計滑模矢量控制器，通過計算獲得完成矢量控制任務所需合力矩和合推力設定值；設計兼顧雙泵噴水推進無人艇穩定性、動態響應特性、穩態跟蹤精度要求的推力動態分配目標函數，并根據噴水推進無人艇個操縱變量的物理約束對待尋優變量約束的范圍進行限定；步驟四，采用已有優化算法求解上述優化問題，獲得兩臺噴水推進器的指令信號。本發明能實現雙泵噴水推進無人艇矢量控制航行任務，可減少傳統反饋控制引起的推進泵運動部件磨損，并提升航行過程中的操控性、經濟性和安全性。

技術領域

本發明屬于噴水推進無人艇矢量控制領域，涉及一種雙泵噴水推進無人艇推力動態分配方法。

背景技術

噴水推進技術具有抗空化能力強、吃水淺、操縱性能優越等顯著優勢，常用的噴水推進無人艇配備有兩臺左右對稱的噴水推進器，由各自軸連的柴油主機提供動力，基于矢量控制操縱方式，在低速航行時可完成原地回轉、橫移停靠、斜移等矢量航行任務。推力動態分配是實現雙泵噴水推進無人艇矢量控制的關鍵，通過對推力動態分配問題的研究，可提升無人艇綜合控制性能，減少推進設備的磨損，提高能源利用效率，同時兼顧噴水推進艦船航行過程中的操控性、經濟性和安全性要求。

對于推力動態分配問題的研究主要分為三類：線性二次無約束的推力動態分配問題，線性二次有約束的推力動態分配問題，以及非線性有約束的推力動態分配問題。對于非線性有約束的推力動態分配問題，目前最常用的解決方法是序貫二次規劃(SequentialQuadratic Programming，SQP，參見“陳寶林.最優化理論與算法.清華大學出版社,2005.”)算法，是通過循環求解原目標函數的近似二次規劃子問題，逼近目標函數最優解的算法。目前無人艇推力動態分配問題的研究主要集中在具有螺旋槳推進器和多回轉推進器的無人艇動力定位系統中，對于配備操舵、倒航裝置的雙泵噴水推進無人艇并未涉及。

經過對現有技術檢索后發現，中國專利申請號CN201910436861.7A，公開日2019-10-08，提出了一種水面無人艇路徑跟蹤控制方法，通過當前無人艇運動的狀態信息、位置坐標信息，進行路徑點的離散并根據點更新機制進行目標點的更新，根據規劃航速和海況估算推進器推力，從而進行推力分配，求得各推進器的執行信號，控制推進器執行指令動作。該專利主要貢獻在于提出了一種水面無人艇路徑跟蹤控制方法，并未涉及具體推力動態分配方法，且求取航行指令方法也較為復雜。

綜上，現有公開報道均未涉及具有可實現性噴水推進無人艇推力動態分配優化設計問題，這一空缺有待填補。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的上述缺陷，提供了一種雙泵噴水推進無人艇推力動態分配方法。

本發明是通過以下技術方案實現的。

一種雙泵噴水推進無人艇推力動態分配方法，包括：

根據選定的雙泵噴水推進無人艇矢量控制任務，設計軌跡跟蹤控制律得到航行任務指令信號；

設計滑模矢量控制器，根據航行任務指令信號獲得對應于選定矢量控制任務的合力矩和合推力設定值；

設計推力動態分配目標函數，并根據雙泵噴水推進無人艇各操縱變量物理約束對待尋優變量的約束范圍進行限定；

采用優化算法求解推力動態分布的優化問題，獲得兩臺噴水推進器的指令信號。

優選地，所述雙泵噴水推進無人艇矢量控制任務包括橫移或斜移，所述航行任務指令信號包括當前時刻的縱向速度、橫向速度及艏搖角速度的設定值；其中，所述艏搖角速度的設定值為0。

優選地，所述根據選定的雙泵噴水推進無人艇矢量控制任務，設計軌跡跟蹤控制律得到航行任務指令信號，包括：