一種動力定位船舶循跡導引控制方法技術

本發明專利技術公開了一種動力定位船舶循跡導引控制方法。該算法首先建立大地坐標系和船體坐標系，以及船舶的數學模型；然后通過設定路徑點生成的路徑與船舶之間的幾何位置關系生成導引策略，計算船舶當前時刻的期望艏向；應用控制算法得到控制船舶達到期望艏向所需的控制力矩；最后計算控制船舶達到期望運動速度所需要的縱向推力。該算法根據航跡信息以及航跡和船舶的相對位置計算高速循跡直線段和轉彎段船舶的期望艏向，并通過縱向推力控制船舶的運動速度，計算過程簡單易行，適合于工程應用。

【技術實現步驟摘要】
一種動力定位船舶循跡導弓I控制方法
本專利技術涉及一種對直線航跡段和轉彎航跡段采取分段幾何導引策略，僅使用縱向速度控制和艏向角控制的動力定位船舶欠驅動路徑跟蹤控制方法，特別涉及。
技術介紹
循跡功能，也叫路徑跟蹤，是動力定位船舶的重要功能，是動力定位系統的組成部分，在海洋作業和海上運輸中扮演著重要的角色。根據任務和船舶運動速度的不同，循跡可分為低速循跡和高速循跡，低速循跡一般指速度在3節以下的循跡，而高速循跡的速度一般認為高于3節。對海底的搜索以及鋪管、鋪纜作業等特殊任務的完成都需要循跡功能的支持。比如在管道鋪設時就會要求船速不能太快，船舶需要沿設定航跡以較高的精度運動，此時船舶執行功能，而且可以任意指定船舶艏向。高速循跡是相對于低速循跡而言的，海洋搜索時，要求速度較高，既要保證循跡精度，又要求對運動速度進行控制。船舶的航跡大多由設定航跡點通過直線和圓弧的連接組成。在兩個航跡點之間的長距離直線航行司空見慣，通常由傳統的航向自動舵功能就可以完成。但航向自動舵不能直接控制航跡偏差，難以使船舶即滿足艏向要求又保證循跡的精度，已不能滿足海上運輸的要求。而在船舶高速循跡時，動力定位船舶的橫向推進器效能會隨著速度的增加急劇減小，導致船舶出現欠驅動的現象，在船舶向下一條航跡切換是必須提前通過一個轉彎圓弧進行過渡，在此過程中船舶需要通過對圓弧航跡的循跡來保證控制精度。因此，高速循跡功能的控制問題引起人們極大的關注，并很快成為當今船舶運動控制研究中的一個熱點。動力定位船舶的控制系統由導航系統、導引策略和控制算法三部分組成，其中導引策略可以為控制算法提供期望的位置和艏向信息，控制算法根據這些信息給出控制指令即可。所以對于執行高速循跡功能動力定位船舶，設計合適的導引策略是重要環節；為了保證控制的精度和魯棒性，性能良好且適合工程應用的控制算法也必不可少。現有技術中，關于動力定位船舶路徑跟蹤的文獻有很多，但考慮工程實踐的文獻并不多。如挪威理工大學的Fossen教授和他的團隊發表的“Handbook of marine crafthydrodynamics and motion control (John ffiley&Sons Ltd, 2011)”,寬泛地介紹了近年來對動力定位船舶的研究成果，包括先進導引策略的原理和控制算法的原理，以及動力定位系統其他方面的相關內容。哈爾濱工程大學的邊信黔、付明玉、王元慧教授在其著作《船舶動力定位》(科學出版社，2011)中給出了高速航跡控制在工程實踐中的方法的概略性介紹。現有技術中，國際上主流的動力定位產品已經包含了高速循跡的功能，北歐挪威Kongsberg公司已經對循跡功能進行了研究，其產品說明書《Kongsberg GreenDPi' -SDPDynamic Positioning System))中給出了一些關于高速循跡的說明和功能概況,但沒有給出實現方法。哈爾濱工程大學研制的動力定位產品也實現了高速循跡功能，但沒有相關文獻進行介紹。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，針對動力定位船舶的高速循跡功能提出一種分段導引策略，為控制算法提供期望艏向輸入，然后結合非線性反步法設計控制算法，得到對船舶縱向和艏向的控制力和力矩，驅動船舶以較高的精度和要求的速度完成循跡功能。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案包括下列步驟:(I)選取海平面上任意一點為原點，以正東方向為橫軸、正北方向為縱軸，建立大地坐標系Ε0εΝ。然后，以船舶的幾何中心為原點，以右舷方向為橫軸、船艏方向為縱軸，建立船體坐標系YObX ；(2)在大地坐標系和船體坐標系中建立動力定位船舶三自由度船舶高速運動數學模型: 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種動力定位船舶循跡導引控制方法，其特征在于包括如下步驟：（1）選取海平面上任意一點為原點，以正東方向為橫軸、正北方向為縱軸，建立大地坐標系EOEN；然后，以船舶的幾何中心為原點，以右舷方向為橫軸、船艏方向為縱軸，建立船體坐標系YObX；（2）在大地坐標系和船體坐標系中建立動力定位船舶三自由度船舶高速運動數學模型：η·=JvMv·+D(v)v+C(v)v=τ式中，η表示船舶在大地坐標系中位置和艏向向量[n,e,ψ]Τ；v表示船舶在船體坐標系中線速度和角速度向量[u,v,r]Τ；τ為推進器產生的力和力矩向量[Fx,Fy,Nz]Τ；J為從船體坐標到大地坐標的轉換矩陣，J=cosψ-sinψ0sinψcosψ0001;M為船舶慣性矩陣，M=m-Xu.000m-Yv.mxg-Yr.0mxg-Nv.Iz-Nr.;m為船舶質量；Iz為轉動慣量；xg為船體坐標系中船舶質心縱向坐標；其他參數均為一階水動力導數；船舶水動力阻尼項為D(v)=D+Dn(v)；D=-Xu000YvYr0NvNr為線性部分；Dn(v)=Xu|u||u|000Yv|v||v|+Y|r|v|r|Y|v|r|v|+Y|r|r|r|0Nv|v||v|+N|r|v|r|N|v|r|v|+N|r|r|r|為非線性部分；C=00-(m-Yv·)v-(mxg-Yr·)r00(m-Xu·)u(m-Yv·)v+(mxg-Yr·)r-(m-Xu·)u0為科里奧利和向心力矩陣；（3）通過船體設定的路徑點和當前時刻船舶的大地坐標位置，獲得當前時刻的船舶期望艏向；（4）利用反步法，根據當前時刻期望艏向ψd與船舶的期望速度ud，計算控 制船舶高速循跡所需的縱向力Fx和力矩Nz；（5）將控制力和力矩傳遞給動力定位船舶的數學模型，解算下一時刻船舶的狀態信息，然后由當前時刻更新到下一時刻；（6）重復執行步驟（2）??步驟（5），直到最后一條航跡循跡完成。...

【技術特征摘要】
1.一種動力定位船舶循跡導引控制方法，其特征在于包括如下步驟: (1)選取海平面上任意一點為原點，以正東方向為橫軸、正北方向為縱軸，建立大地坐標系EOeN ;然后，以船舶的幾何中心為原點，以右舷方向為橫軸、船艏方向為縱軸，建立船體坐標系YObX ； (2)在大地坐標系和船體坐標系中建立動力定位船舶三自由度船舶高速運動數學模型: 2.根據權利要求1所述的動力定位船舶循跡導引控制方法，其特征在于所述步驟(3)中還包括以下幾個步驟: ①定路徑點，生成船舶運動航跡線 設DP船舶需要跟蹤的航跡由大地坐標系中的設定路徑點為A，B，C...

【專利技術屬性】
技術研發人員：付明玉，張愛華，余玲玲，謝笑穎，焦建芳，
申請(專利權)人：哈爾濱工程大學，
類型：發明
國別省市：