[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于欠驅(qū)動雙槳雙舵船舶自主靠泊的控制方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 202110437851.2 | 申請日： | 2021-04-22 |
| 公開（公告）號： | CN113110468B | 公開（公告）日： | 2022-07-26 |
| 發(fā)明（設(shè)計）人： | 杜亞震;李偉;李彬;朱志軍;孟凡彬 | 申請（專利權(quán)）人： | 中國船舶重工集團(tuán)公司第七0七研究所九江分部 |
| 主分類號： | G05D1/02 | 分類號： | G05D1/02 |
| 代理公司： | 北京慕達(dá)星云知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 11465 | 代理人： | 符繼超 |
| 地址： | 332007 江西*** | 國省代碼： | 江西;36 |
| 權(quán)利要求書： | 查看更多 | 說明書： | 查看更多 |
| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 一種 應(yīng)用于 驅(qū)動 雙槳雙舵 船舶 自主 靠泊 控制 方法 | ||
1.一種應(yīng)用于欠驅(qū)動雙槳雙舵船舶自主靠泊的控制方法，其特征在于，包括：
船舶運(yùn)動模型參數(shù)辨識步驟：獲取船舶自身運(yùn)動狀態(tài)測量設(shè)備采集到的船舶運(yùn)動歷史數(shù)據(jù)，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，生成欠驅(qū)動雙槳雙舵船舶運(yùn)動模型，得到模型參數(shù)的估計值；
模型預(yù)測控制步驟：根據(jù)所述欠驅(qū)動雙槳雙舵船舶運(yùn)動模型，獲取目標(biāo)泊位和固定、移動礙障物相對船舶的位置信息形成約束條件，并獲取船舶周圍風(fēng)速和流速信息形成運(yùn)動干擾輸入；作為當(dāng)前狀態(tài)條件；
利用非線性模型預(yù)測控制求取基于所述當(dāng)前狀態(tài)條件的靠泊路線、運(yùn)動狀態(tài)沿靠泊路線分布、控制指令序列；
PID控制步驟：基于模型預(yù)測控制步驟獲得的靠泊路線和期望狀態(tài)；所述期望狀態(tài)包括運(yùn)動狀態(tài)和期望位置；利用船舶當(dāng)前位置和艏向角與期望位置、艏向角的偏差結(jié)合PID控制形成反饋控制指令；根據(jù)所述控制指令實現(xiàn)船舶自主靠泊的控制；
其中，獲取目標(biāo)泊位和固定、移動礙障物相對船舶的位置信息形成約束條件，包括兩類船舶運(yùn)動的邊界約束條件；其中，設(shè)定SS為港口區(qū)域，Sb為船舶運(yùn)動區(qū)域，So為浮標(biāo)障礙物的等效圓區(qū)域，則船舶運(yùn)動的邊界約束分為兩類：
第一類：船舶運(yùn)動始終在港口區(qū)域內(nèi)，
第二類：船舶不與障礙物發(fā)生碰撞，Sb∩SS；
對于第一類約束，轉(zhuǎn)化為Sb邊界上的點(diǎn)始終位于凸多邊形SS內(nèi)來處理，即：
Ss＝{xNED|AsxNED＜bs}………………………………(8)
(8)式中，xNED為大地坐標(biāo)系中Sb邊界的頂點(diǎn)坐標(biāo)組成的列向量，As為與Sb邊界的直線斜率組成的系數(shù)矩陣，bs為Sb邊界的直線截距組成的列向量；
利用隨船坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，式(8)中的約束以式(9)中的非線性約束來表示；
(9)式中，ψ為船舶的艏向角，為船舶重心在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，R為局部坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，即：
對于第二類約束，用下式表達(dá)：
(11)式中，xiNED、yiNED為大地坐標(biāo)系下Sb頂點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，Ox、Oy為障礙物區(qū)域等效圓的圓心坐標(biāo)，r為障礙物區(qū)域的等效圓半徑；
利用非線性模型預(yù)測控制求取基于所述當(dāng)前狀態(tài)條件的靠泊路線、運(yùn)動狀態(tài)沿靠泊路線分布、控制指令序列；包括：
令期望靠泊點(diǎn)的坐標(biāo)和姿態(tài)ηd＝[xd,yd,ψd]T,則靠泊路徑規(guī)劃和控制問題轉(zhuǎn)化為如下非線性連續(xù)最優(yōu)控制問題；
式(12)中，F(xiàn)(Xp(t),up(t))為代價函數(shù)，t代表時間，Xp＝[up,vp,rp,xp,yp,ψp]T為規(guī)劃的狀態(tài)量,up為規(guī)劃的縱向速度，vp為規(guī)劃的橫向速度，rp為規(guī)劃的轉(zhuǎn)艏角速度，xp為規(guī)劃的重心北向位置，yp為規(guī)劃的重心東向位置，ψp為規(guī)劃的艏向角；up＝[nlp,nrp,δp]T為規(guī)劃的輸入指令,nlp為規(guī)劃的左側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速；nrp為規(guī)劃的右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速；δp為規(guī)劃的舵角；np為規(guī)劃的左右側(cè)螺旋槳轉(zhuǎn)速；約束條件如下：
(13)式中，δmax和nmax分別為舵角和轉(zhuǎn)速幅值限制；代價函數(shù)F(Xp(t),up(t))由下式表達(dá)：
(14)式中，pseudo-Huber損失函數(shù)H(a)的形式為
利用非線性模型預(yù)測控制技術(shù)，求解式(14)和式(15)組成的約束優(yōu)化問題，獲得所述當(dāng)前狀態(tài)條件的靠泊路線、運(yùn)動狀態(tài)沿靠泊路線分布、控制指令序列。
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