[發明專利]一種基于時空解耦的多動力定位船舶協同編隊控制方法

有效

• 申請號: 202110551181.7
• 申請日: 2021-05-20
• 公開（公告）號: CN113296507B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）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）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 于歌

一種基于時空解耦的多動力定位船舶協同編隊控制方法，涉及動力定位船的控制技術領域。本發明是為了解決基于路徑跟蹤的編隊控制策略完成編隊任務所需時間長的問題。本發明根據路徑跟蹤任務和速度協調編隊任務分別設計路徑跟蹤控制器和速度協調編隊控制器，設計路徑跟蹤控制器和速度協調編隊控制器的事件觸發函數，利用事件觸發函數觸發多DP船系統的控制方式切換為路徑跟蹤控制器或速度協調編隊控制器，根據切換后的控制器對N艘待編隊的跟隨船舶進行編隊控制，使多DP船編隊控制具有更高更快的效率。

技術領域

本發明屬于動力定位船的控制技術領域。

背景技術

多DP(Dynamic Positioning，動態定位系統)船編隊控制是指多個DP船編排成一定隊形一起航行的形式。編隊控制技術貫穿于多DP船編隊航行的整個過程中，對于任務的順利開展和完成具有重要的意義。編隊控制的根本是隊形的形成和保持，多個體之間編隊作業很大程度上提高了個體的作業能力，能夠完成一些個體無法完成的復雜任務，提高效率，增強容錯性。

當前，實現多DP船協同編隊的控制方法主要包括基于領航者—跟隨者的方法、基于人工勢場的方法、基于虛擬結構的方法、基于行為的方法和基于路徑跟隨的方法等。其中，基于領航者—跟隨者的編隊控制方法，優點是結構簡單、易于實現，但該算法對領航者過度依賴；虛擬結構法由于將DP船視為虛擬體，對DP船會有較大的約束，缺乏靈活性和適應性，難以應對存在障礙物等海洋中的復雜環境；人工勢場法便于處理編隊個體之間、編隊個體與障礙物之間的相對距離關系，避障性能優越，但對編隊隊形沒有精確的解析表達式，不便于進行編隊隊形的組織；基于行為的編隊控制方法比較容易實現分布式控制，系統應變能力較強，能夠較好的應對避碰避障問題，編隊也能通過成員相互之間的感知達到隊形反饋的目的，但該方法對編隊的整體行為沒有解析的表達式，不便于進行系統的穩定性分析。

而基于路徑跟隨的編隊控制方法的基本思想是將編隊控制任務進行時空分解，得到空間上的路徑跟隨任務和時間上的協調同步任務，進而實現協調編隊控制。該控制方法中各DP船之間交換數據量很小，更適合通信受限的水聲環境。另外，如果短時間內編隊通信鏈路出現故障導致個別DP船失聯，該DP船仍可沿預設路徑航行，不至于處于混亂狀態，直至通信恢復正常或者采用其他補救措施。

然而，現有文獻對于路徑跟蹤控制率與協調編隊控制率之間的切換策略并未進行闡述。目前關于基于路徑跟蹤的編隊控制策略，均為完成路徑跟蹤任務后再切換為協調編隊控制策略。該控制率切換策略下各DP船要完成編隊任務需要較長時間，故有必要提出基于事件觸發的控制率切換策略。

發明內容

本發明是為了解決基于路徑跟蹤的編隊控制策略完成編隊任務所需時間長的問題，現提供一種基于時空解耦的多動力定位船舶協同編隊控制方法。

一種基于時空解耦的多動力定位船舶協同編隊控制方法，包括以下步驟：

初始化：設多DP船系統中包括一個虛擬領航船舶和N艘待編隊的跟隨船舶，N為正整數，

步驟一：分別建立每一艘跟隨船舶的運動學模型和動力學模型，獲得多DP船系統的速度和坐標參數，

步驟二：以每一艘跟隨船舶作為一個節點，跟隨船舶的節點集合為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度系數記為

步驟三：利用多DP船系統的速度和坐標參數對N艘待編隊的跟隨船舶進行時間與空間任務解耦，設計出空間上的路徑跟蹤任務和時間上的速度協調編隊任務，

步驟四：根據路徑跟蹤任務和速度協調編隊任務分別設計路徑跟蹤控制器和速度協調編隊控制器，

步驟五：設計路徑跟蹤控制器和速度協調編隊控制器的事件觸發函數，