[發明專利]一種應用于欠驅動雙槳雙舵船舶自主靠泊的控制方法

有效

• 申請號: 202110437851.2
• 申請日: 2021-04-22
• 公開（公告）號: CN113110468B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 杜亞震;李偉;李彬;朱志軍;孟凡彬
• 申請（專利權）人: 中國船舶重工集團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: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 符繼超

本發明公開了一種應用于欠驅動雙槳雙舵船舶自主靠泊的控制方法，包括：船舶運動模型參數辨識步驟基于擴展卡爾曼濾波方法，將實際靠泊過程發生的頻繁錯車、倒車等因素考慮在辨識的運動模型結構中，實現靠泊航行過程中船舶運動模型參數的自適應修正。模型預測控制步驟和PID控制步驟，利用非線性模型預測控制和PID控制技術實現靠泊過程的路徑規劃和跟蹤控制。其中，利用非線性模型預測控制規劃的航線考慮船舶非線性運動特性和實際環境與障礙物因素的影響，PID控制解決非線性模型預測控制求解速度慢、求解周期較長的局限，克服非線性模型預測周期內模型參數變化、環境干擾等因素變化對非線性模型預測控制方法生成控制指令的缺陷。

技術領域

本發明涉及船舶自動控制技術領域，特別涉及一種應用于欠驅動雙槳雙舵船舶自主靠泊的控制方法。

背景技術

欠驅動雙槳雙舵船舶主要是指軍用艦船和民事專用船舶，該類船舶在靠泊階段航速低、舵效差，通常需要螺旋槳錯車輔助改變航向。再加上淺水、低速、岸壁效應以及環境干擾等因素的影響，使得靠泊操縱成為船舶操縱中最復雜、最困難的操縱之一。實際靠泊實踐中，通常需要有經驗的船長和引航員協助靠泊，受人為因素影響較大，可靠性難以保證。因此利用計算機程序實現船舶自身的自主靠泊控制具有重要的現實意義。

由于欠驅動船舶不能跟蹤任意路徑且港內操縱水域有限，靠泊路徑規劃需要充分考慮船舶本身操縱運動特性和控制能力等因素的影響，設計的靠泊路徑需保證船舶具有誤差允許范圍內的航線跟蹤能力，且能自主適應港內環境干擾和固定、移動礙障物變化對靠泊路徑規劃和控制的影響。

公開日2014年7月30日，公開號CN 103955218 A，發明名稱為“一種基于非線性控制理論的無人艇軌跡跟蹤控制裝置及方法”的專利申請，提出一種欠驅動無人艇自適應軌跡跟蹤位置及控制方法，該方法能夠在慣性質量參數和水動力參數未知情況下，基于非線性控制理論實現欠驅動無人艇的軌跡跟蹤控制。但該方法屬于給定軌跡條件下的跟蹤控制，軌跡指定缺乏動態航行時的環境適應性，且該方法最終得到的推力和轉艏力矩指令信息，無法明確執行機構指令分配。

公開日2018年7月10日，公開號CN 108267955 A，發明名稱為“面向無人艇自主靠泊的運動控制方法”的專利申請，將欠驅動無人艇靠泊控制器分成遠端和近端兩種模式，根據靠泊行為改變進行控制參數的動態自適應調整。但該專利提出的控制方法針對航速和航向進行單獨控制，不能解決欠驅動雙槳雙舵船舶舵和螺旋槳錯車協同控制改變航向的實際需求。此外，期望航速和航向提前指定，無法根據環境和碼頭礙障物變化實時調整，缺乏自主性。

公開日2018年9月21日，公開號CN 108563130 A，發明名稱為“一種欠驅動船舶自適應神經網絡自動靠泊控制方法，設備及介質”的專利申請提出采用附加控制方法解決欠驅動控制器設計的難題，利用航海動態深度信息的神經網絡重構不確定的模型動態參數與未知擾動向量。但該方法沒有考慮港內礙障物對控制的影響，且在艏向控制中只考慮舵的控制，尚未計及車的影響，因此不適合雙槳雙舵船舶的自主靠泊設計。

綜上所述，現有的欠驅動水面船舶控制方法或沒有考慮港內環境和礙障物變化對靠泊路徑的影響；或沒有考慮舵和螺旋槳錯車對艏向角改變的協同控制；或沒有考慮船舶自身的操縱運動特性，均無法很好解決欠驅動雙槳雙舵船舶自主靠泊過程中存在的實際問題。

發明內容

鑒于上述問題，本發明提供的一種應用于欠驅動雙槳雙舵船舶自主靠泊的控制方法，該方法考慮港內環境和礙障物變化對靠泊路徑的影響，也考慮舵和螺旋槳錯車對艏向角改變的協同控制，且根據船舶自身的操縱運動特性，可很好解決欠驅動雙槳雙舵船舶自主靠泊過程中存在的實際問題。

本發明實施例提供一種應用于欠驅動雙槳雙舵船舶自主靠泊的控制方法，包括：

船舶運動模型參數辨識步驟：獲取船舶自身運動狀態測量設備采集到的船舶運動歷史數據，采用擴展卡爾曼濾波算法，生成欠驅動雙槳雙舵船舶運動模型，得到模型參數的估計值；