[發(fā)明專利]一種基于時(shí)空解耦的多動(dòng)力定位船舶協(xié)同編隊(duì)控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110551181.7
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號(hào): CN113296507B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張國成;薛源;孫玉山;周天;張紅星;張力文;羅孝坤;于鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D1/02
• 分類號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標(biāo)事務(wù)所 23109
• 代理人: 于歌

1.一種基于時(shí)空解耦的多動(dòng)力定位船舶協(xié)同編隊(duì)控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

初始化：設(shè)多DP船系統(tǒng)中包括一個(gè)虛擬領(lǐng)航船舶和N艘待編隊(duì)的跟隨船舶，N為正整數(shù)，

步驟一：分別建立每一艘跟隨船舶的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，獲得多DP船系統(tǒng)的速度和坐標(biāo)參數(shù)，

步驟二：以每一艘跟隨船舶作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，跟隨船舶的節(jié)點(diǎn)集合為V＝{1,2,...,N}，用表示跟隨船舶之間的通信路徑，則跟隨船舶之間的通信模型能夠描述為帶權(quán)重的有向圖G＝{V,E}，第i艘跟隨船舶和第j艘跟隨船舶之間的通信強(qiáng)度系數(shù)記為

步驟三：利用多DP船系統(tǒng)的速度和坐標(biāo)參數(shù)對N艘待編隊(duì)的跟隨船舶進(jìn)行時(shí)間與空間任務(wù)解耦，設(shè)計(jì)出空間上的路徑跟蹤任務(wù)和時(shí)間上的速度協(xié)調(diào)編隊(duì)任務(wù)，

步驟四：根據(jù)路徑跟蹤任務(wù)和速度協(xié)調(diào)編隊(duì)任務(wù)分別設(shè)計(jì)路徑跟蹤控制器和速度協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器，

步驟五：設(shè)計(jì)路徑跟蹤控制器和速度協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器的事件觸發(fā)函數(shù)，

步驟六：利用事件觸發(fā)函數(shù)觸發(fā)多DP船系統(tǒng)的控制方式切換為路徑跟蹤控制器或速度協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器，根據(jù)切換后的控制器對N艘待編隊(duì)的跟隨船舶進(jìn)行編隊(duì)控制；

步驟一中運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表達(dá)式為：

動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)式為：

上述表達(dá)式中，多DP船系統(tǒng)的速度參數(shù)v＝[u w r]^T中，u和w分別為跟隨船舶在隨體坐標(biāo)系中沿x_b、y_b兩個(gè)軸方向的速度分量，r為隨體坐標(biāo)系下以z_b軸為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角速度，所述隨體坐標(biāo)系為原點(diǎn)在跟隨船舶重心的直角坐標(biāo)系，x_b軸平行于水平面且指向船艏，y_b軸指向右船舷，z_b軸指向船底；

多DP船系統(tǒng)的位置參數(shù)η＝[x y ψ]^T中，x和y分別為大地坐標(biāo)系下跟隨船舶的x軸和y軸坐標(biāo)值，ψ為大地坐標(biāo)系下跟隨船舶的艏向角，為大地坐標(biāo)系與隨體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣，M為正定慣性矩陣，C(v)為科里奧利向心力矩陣，D(v)為阻尼矩陣，τ為推進(jìn)器產(chǎn)生的力，τ_d為外界干擾力；

步驟四中，所述路徑跟蹤控制器表達(dá)式為：

其中，F(xiàn)_u和M_r分別為縱向控制力和轉(zhuǎn)艏力矩，

tanh(S₁)和tanh(S₂)分別為S₁和S₂的雙曲正切函數(shù)，e_u＝u-u_d，e_r＝r-r_d，d_u＝-X_uuu²-X_www²，d_r＝-N_wuw-N_w|w|w|w|-N_rur，

m和I_z分別為跟隨船舶質(zhì)量和轉(zhuǎn)矩，u_d為跟隨船舶的期望航速，c(s)為期望路徑的曲率，s為c(s)的變量，β為漂角，ψ_los為水平面趨近角，為路徑跟蹤的艏向角誤差，

X_uu為沿x_b軸方向的軸向力對u的二階水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，X_ww為沿x_b軸方向的軸向力對w的二階水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，為沿x_b軸方向的軸向力對加速度的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，為艏搖力矩力對角加速度的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，N_w為艏搖力矩力對w的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，N_ww為艏搖力矩力對w的二階水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)，

k_ψ為艏向角誤差控制參數(shù)，k_u和k_r分別為S₁和S₂的系數(shù)，且k_u0，k_r0，k₂、k₃、k₄和k₅分別為tanh(S₁)、S₁、tanh(S₂)和S₂的控制參數(shù)；

事件觸發(fā)函數(shù)f_i(t)表達(dá)式為：

其中，σ_i為事件觸發(fā)函數(shù)的控制參數(shù)，0＜σ_i＜1，a_i0為第i艘跟隨船舶和虛擬領(lǐng)航船舶之間的通信強(qiáng)度系數(shù)，λ_L為拉普拉斯矩陣最大特征值，k₆為第i艘與第j艘跟隨船舶之間的控制參數(shù)，k₇為第i艘跟隨船舶和虛擬領(lǐng)航船舶之間的控制參數(shù)，

時(shí)刻為第i艘跟隨船舶上一次觸發(fā)事件觸發(fā)函數(shù)的時(shí)刻，αh時(shí)刻表示時(shí)刻之后經(jīng)過α個(gè)周期h的時(shí)刻，為時(shí)刻在S-F坐標(biāo)系下第i艘跟隨船舶與目標(biāo)路徑中任意參考點(diǎn)的姿態(tài)誤差，ε_ei(αh)為αh時(shí)刻在S-F坐標(biāo)系下第i艘跟隨船舶與目標(biāo)路徑中任意參考點(diǎn)的姿態(tài)誤差，和η_i(αh)分別為時(shí)刻和αh時(shí)刻第i艘跟隨船舶的姿態(tài)，和v_i(αh)分別為時(shí)刻和αh時(shí)刻第i艘跟隨船舶的速度，和e_i0(αh)分別為時(shí)刻和αh時(shí)刻第i艘跟隨船舶和虛擬領(lǐng)航船舶之間實(shí)際距離與期望距離的誤差，和v_i0(αh)分別為時(shí)刻和αh時(shí)刻第i艘跟隨船舶和虛擬領(lǐng)航船舶之間的速度；

當(dāng)f_i(t)＞0時(shí)，采用路徑跟蹤控制器對N艘待編隊(duì)的跟隨船舶進(jìn)行編隊(duì)控制；

當(dāng)f_i(t)＜0時(shí)，采用速度協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器對N艘待編隊(duì)的跟隨船舶進(jìn)行編隊(duì)控制；

所述速度協(xié)調(diào)編隊(duì)控制器表達(dá)式為：

其中，τ_i(t)為速度協(xié)調(diào)編隊(duì)控制率，v_i0為第i艘跟隨船舶與虛擬領(lǐng)航船舶之間的速度差，v_ij為第i艘與第j艘跟隨船舶之間的速度差，a_i0為第i艘跟隨船舶和虛擬領(lǐng)航船舶之間的通信強(qiáng)度系數(shù)，e_i0為第i艘跟隨船舶與虛擬領(lǐng)航船舶之間實(shí)際距離與期望距離的誤差，e_ij為第i艘與第j艘跟隨船舶之間實(shí)際距離與期望距離的誤差，為第i艘跟隨船舶上一次觸發(fā)事件觸發(fā)函數(shù)的時(shí)刻。