一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)塢過程自動(dòng)控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣墊船控制領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng) 控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 國內(nèi)外氣墊船進(jìn)巧采用人工操控方式，主要是依靠駕駛員觀察氣墊船空間運(yùn)動(dòng)參 數(shù)的變化，直接操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)操船。由于全墊升氣墊船在風(fēng)浪中航行時(shí)穩(wěn)定性較差， 采用駕駛員人工操控方式時(shí)，不易得到良好的控制品質(zhì)。而且駕駛員的工作量極為繁重， 精神上承受巨大負(fù)擔(dān)，一旦操縱不當(dāng)，就會(huì)與巧載艦相撞，對(duì)氣墊船的圍裙造成不可逆的傷 害。而且需要重新進(jìn)行進(jìn)巧過程。
[0003] 對(duì)于氣墊船的研究，大都是航跡控制、協(xié)調(diào)控制、多操控面控制W及編隊(duì)。進(jìn)巧控 制還是一個(gè)空白，無法找到相關(guān)文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種操作簡單的，基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制 系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還包括提供一種效率高、成功率高的，基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程 自動(dòng)控制方法。 陽0化]一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括GPS、航跡設(shè)定裝置、進(jìn) 巧過程跟蹤器、粒子群控制器、空氣艙和推進(jìn)器，
[0006]GI^采集巧載船的航跡和臘向角的數(shù)據(jù)，傳送給航跡設(shè)定裝置；
[0007] 航跡設(shè)定裝置采用灰色預(yù)測對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，從而得到期望的航跡和臘向 角，傳送給進(jìn)巧過程跟蹤器；
[0008] 進(jìn)巧過程跟蹤器將接收的期望的航跡和臘向角與灰色預(yù)測后的實(shí)際航跡和臘向 角進(jìn)行比較，得到航跡偏差n和臘向角偏差4'，傳送給粒子群控制器；
[0009] 粒子群控制器根據(jù)接收的信息，得到控制艙角指令，控制空氣艙，當(dāng)航跡偏差n在設(shè)定闊值內(nèi)時(shí)，W恒定加速度減小推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。
[0010] 一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制方法，包括W下步驟，
[0011] 步驟一：通過GI^獲得巧載船的航跡和臘向角的數(shù)據(jù)，采用灰色預(yù)測對(duì)采集的數(shù) 據(jù)進(jìn)行預(yù)測，從而得到期望的航跡和臘向角；
[0012] 步驟二：氣墊船按照期望航跡行駛，將期望的航跡和臘向角與灰色預(yù)測后的實(shí)際 航跡和臘向角進(jìn)行比較，得到航跡偏差n和臘向角偏差4 ;
[0013] 步驟=:根據(jù)航跡偏差n和臘向角偏差4 '，采用粒子群PID控制方法，得到控 制艙角指令，控制空氣艙；當(dāng)航跡偏差n在設(shè)定闊值內(nèi)時(shí)，W恒定加速度減小推進(jìn)器的轉(zhuǎn) 速；
[0014] 步驟四：完成進(jìn)巧過程。
[0015] 本發(fā)明一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制方法，還可W包括：
[0016] 1、步驟一中得到期望的航跡和臘向角的具體過程為：
[0017] (1)采集K個(gè)周期的巧載船的運(yùn)行狀態(tài)，包括北向位置X，東向位置y和臘向角4 ;
[0018](2)通過灰色預(yù)測對(duì)北向位置X進(jìn)行預(yù)測產(chǎn)生N組數(shù)據(jù)，取第Ni組到第N2組數(shù)據(jù) 進(jìn)行加權(quán)求和，并算得平均值Xi,取第成組到N組數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，并算得平均值X2;通 過灰色預(yù)測對(duì)東向位置y進(jìn)行預(yù)測產(chǎn)生N組數(shù)據(jù)，取第Ni組到第N2組數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和， 并算得平均值yi，取第成組到N組數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和，并算得平均值y2;
[0019] 做利用已得到的預(yù)測位置和（X2，y2)作直線L作為期望的航跡輸出；
[0020] (4)通過灰色預(yù)測對(duì)臘向角4進(jìn)行預(yù)測產(chǎn)生N組數(shù)據(jù)，取第Ni到第N組數(shù)據(jù)加權(quán) 求和，并計(jì)算其平均值r，作為期望的臘向角輸出。
[0021] 2、航跡偏差n為：
[0024] 其中，化1，Yii)、化，Yi)、狂…Yw)分別為航跡上的立個(gè)點(diǎn)，其中化，Yi)和 化1，Yi1)分別為當(dāng)前和前一路徑點(diǎn)，化，Yi)為當(dāng)前氣墊船所在的位置，臘向角為4 (t)。 陽02引 3、當(dāng)航跡偏差I(lǐng)nI< 0. 5m且臘向角偏差I(lǐng)VI<0. 5°時(shí)，隊(duì)直定加速度減小推 進(jìn)器的轉(zhuǎn)速。 陽0%] 4、粒子群PID控制方法為：
[0027] Au(k) =kp(error化）-error(k-1)HkierroHk)
[0028] +kd(error化）-Serror化-I)+error(k_2))
[0029] 其中error(k)表示第k個(gè)時(shí)刻期望位置和臘向角與經(jīng)過灰色預(yù)測的實(shí)際位置和 臘向角的差值，kp、ki和kd分被表示控制器的S個(gè)控制參數(shù)：比例，微分，積分，
[0030] 使用改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法對(duì)PID參數(shù)kp、ki和kd進(jìn)行整定。
[0031] 有益效果：
[0032] 本發(fā)明提出了一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制方法，目的在于實(shí)現(xiàn) 氣墊船進(jìn)巧過程的自動(dòng)控制，能夠減輕進(jìn)巧過程中駕駛員失誤對(duì)氣墊船造成的傷害W及駕 駛?cè)藛T的工作強(qiáng)度和精神負(fù)擔(dān)，提高進(jìn)巧的成功率。
[0033] 現(xiàn)階段，氣墊船在進(jìn)巧過程中完全依靠駕駛員的經(jīng)驗(yàn)來操作，而且由于外界環(huán)境 的不確定性經(jīng)常造成氣墊船于巧載艦相撞而無法成功進(jìn)巧。本方法不但可W預(yù)測巧載艦的 位置從而設(shè)計(jì)最佳進(jìn)巧航線，而且可W預(yù)測巧載艦的臘向角并控制氣墊船的使其臘向角在 一定范圍內(nèi)于巧載艦的臘向角保持一致，從而達(dá)到成功進(jìn)巧的目標(biāo)。減少了駕駛員的工作 量，更重要的是可W減少進(jìn)巧過程中由于失誤或環(huán)境影響導(dǎo)致的氣墊船損害。
【附圖說明】
[0034] 圖1氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制原理框圖；
[0035] 圖2航跡跟蹤示意圖；
[0036] 圖3粒子群算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0038] 本發(fā)明提出了一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制方法，目的在于實(shí)現(xiàn) 氣墊船進(jìn)巧過程的自動(dòng)控制，能夠減輕進(jìn)巧過程中駕駛員失誤對(duì)氣墊船造成的傷害W及駕 駛?cè)藛T的工作強(qiáng)度和精神負(fù)擔(dān)，提高進(jìn)巧的成功率。
[0039] 本發(fā)明所提出的帶有導(dǎo)引算法的氣墊船進(jìn)巧自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理如圖1所示，過 程如下： W40] 1.進(jìn)巧過程設(shè)定算法，通過獲取巧載艦的航跡（包括北向位置和東向位置）和臘 向角的數(shù)據(jù)，采用灰色預(yù)測對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，從而得到期望的航跡和臘向角；
[0041] 2.進(jìn)巧過程跟蹤算法，把航跡設(shè)定裝置得到期望航跡和臘向角與灰色預(yù)測后的實(shí) 際航跡核臘向角進(jìn)行比較和計(jì)算得到偏差值，并且在期望航期與實(shí)際航跡在一定誤差范圍 內(nèi)一致時(shí)控制推進(jìn)器轉(zhuǎn)速W恒定加速度減速；
[0042] 3.PSO控制器，根據(jù)航跡和臘向角偏差計(jì)算得到控制艙角指令，分別發(fā)送給空氣艙 系統(tǒng)；
[0043] 4.空氣艙艙角改變，使得氣墊船所受力矩改變，從而達(dá)到航跡控制。在氣墊船進(jìn)巧 過程推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，使得氣墊船的速度發(fā)生改變，從而使氣墊船進(jìn)巧后停下。
[0044] 氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制方法通過進(jìn)巧過程跟蹤算法實(shí)時(shí)計(jì)算并更新當(dāng)前時(shí)刻 的期望航跡偏差和臘向角偏差，然后通過控制氣墊船的臘向角W及速度實(shí)現(xiàn)其進(jìn)巧的控 審IJ。進(jìn)巧過程跟蹤算法和PSO控制器是本方法的核屯、關(guān)鍵，進(jìn)巧過程設(shè)定算法采用灰色預(yù) 測的方法設(shè)定航線和期望臘向角。
[0045] 本發(fā)明公開了一種氣墊船進(jìn)巧過程的控制方法，特別是一種由進(jìn)巧過程設(shè)定算 法，進(jìn)巧過程跟蹤算法和粒子群算法PID控制器（簡稱PSO控制器）組成的氣墊船進(jìn)巧控 制方法。進(jìn)巧過程設(shè)定算法通過給定的巧載艦運(yùn)行和狀態(tài)軌跡通過灰色預(yù)測給出氣墊船期 望的臘向角及航跡，航跡跟蹤算法通過灰色預(yù)測后的實(shí)際航跡核臘向角和期望航跡和臘向 角進(jìn)行計(jì)算得到航跡和臘向角的偏差，PSO控制器運(yùn)用PSO算法整定PID控制方法的=個(gè) 參數(shù)化，Ki,Kd并且根據(jù)航跡和臘向角的偏差解算出控制艙角指令發(fā)送給空氣艙系統(tǒng)和推 進(jìn)器。本發(fā)明通過自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣艙的艙角和推進(jìn)器可實(shí)現(xiàn)氣墊船進(jìn)巧過程的精確控制。本 發(fā)明的控制過程分為兩部分：第一部分為氣墊船進(jìn)巧準(zhǔn)備過程，通過進(jìn)巧過程設(shè)定算法設(shè) 定出氣墊船的期望航跡并使氣墊船按照期望航跡行駛。第二部分為氣墊船進(jìn)巧過程當(dāng)氣墊 船距與期望航跡在誤差范圍內(nèi)一致時(shí)W恒定加速度減速，進(jìn)巧控制不僅包括航跡和臘向角 的控制還包括氣墊船速度的控制。只有滿足氣墊船和巧載艦的航跡和臘向角在一定誤差范 圍內(nèi)一致并且進(jìn)巧W后速度降為零才能成功完成進(jìn)巧過程。氣墊船進(jìn)巧過程一直都是專業(yè) 人員手動(dòng)操作，并且經(jīng)常照成氣墊船圍裙的損壞。本控制方法可W減少操作人員的負(fù)擔(dān)而 且可W減少進(jìn)巧過程對(duì)氣墊船的損壞。
[0046] 一種基于航跡引導(dǎo)的氣墊船進(jìn)巧過程自動(dòng)控制方法，主要包括一種由進(jìn)巧過程設(shè) 定算法，航跡跟蹤算法和PSO控制器。航跡設(shè)定裝置實(shí)現(xiàn)航跡和臘向角的設(shè)定，進(jìn)巧過程跟 蹤器進(jìn)行計(jì)算得到航跡和臘向角偏差，粒子群算法PID控制器解算控制指令?？刂七^程總 體分為兩部分：第一部分為氣墊船進(jìn)巧準(zhǔn)備過程。第二部分為氣墊船進(jìn)巧過程。
[0047] 控制過程分為兩部分：第一部分為氣墊船進(jìn)巧準(zhǔn)備過程，通過航跡設(shè)定裝置設(shè)定 出氣墊船的期望航跡并使氣墊船按照期望航跡W初始速度行駛。第二部分為氣墊船進(jìn)巧過 程當(dāng)氣墊船距巧載艦50米時(shí)W恒定加速度減速當(dāng)氣墊船進(jìn)巧W后速度將為零，進(jìn)巧控制 不僅包括航跡控制還包括臘向角的控制。只有滿足氣墊船和巧載艦的航跡和臘向角在一定 誤差范圍內(nèi)一致才能成功完成進(jìn)巧過程。
[0048] 進(jìn)巧過程設(shè)定算法，通過GI^獲得巧載艦的航跡和臘向角的數(shù)據(jù)，采用灰色預(yù)測 對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，從而得到期望的航跡和臘向角。 W例粒子群PID控制器，PSO控制器的輸入為進(jìn)巧過程跟蹤算法輸出的偏差值。
[0050] 如圖1所示，進(jìn)巧過程設(shè)定算法通過給定的巧載艦運(yùn)行和狀態(tài)軌跡通過灰色預(yù)測 給出氣墊船期望的臘向角及航跡，航跡跟蹤算法通過灰色預(yù)測后的實(shí)際航跡核臘向角和期 望航跡和臘向角進(jìn)行計(jì)算得到航跡和臘向角的偏差，PSO控制器根據(jù)航跡和臘向角的偏差 解算出控制艙角指令發(fā)送給空氣艙系統(tǒng)和推進(jìn)器。各個(gè)部分說明如下：
[0051] 1.進(jìn)巧過程設(shè)定算法設(shè)定過程如下：
[0052] (1)采集10個(gè)周期的巧載艦的運(yùn)行狀態(tài)，每個(gè)周期0. 05s總耗時(shí)0. 5s，包括北向 位置X，東向位置y和船舶臘向角4。