一種動力定位船舶循跡導(dǎo)引控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種動力定位船舶循跡導(dǎo)引控制方法。該算法首先建立大地坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系，以及船舶的數(shù)學(xué)模型；然后通過設(shè)定路徑點生成的路徑與船舶之間的幾何位置關(guān)系生成導(dǎo)引策略，計算船舶當(dāng)前時刻的期望艏向；應(yīng)用控制算法得到控制船舶達(dá)到期望艏向所需的控制力矩；最后計算控制船舶達(dá)到期望運動速度所需要的縱向推力。該算法根據(jù)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(zhuǎn)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(yīng)用。
【專利說明】一種動力定位船舶循跡導(dǎo)弓I控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種對直線航跡段和轉(zhuǎn)彎航跡段采取分段幾何導(dǎo)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(qū)動路徑跟蹤控制方法，特別涉及一種動力定位船舶循跡導(dǎo)引控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(tǒng)的組成部分，在海洋作業(yè)和海上運輸中扮演著重要的角色。根據(jù)任務(wù)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(jié)以下的循跡，而高速循跡的速度一般認(rèn)為高于3節(jié)。對海底的搜索以及鋪管、鋪纜作業(yè)等特殊任務(wù)的完成都需要循跡功能的支持。比如在管道鋪設(shè)時就會要求船速不能太快，船舶需要沿設(shè)定航跡以較高的精度運動，此時船舶執(zhí)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。
[0003]船舶的航跡大多由設(shè)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(tǒng)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?shù)囊?。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(dǎo)致船舶出現(xiàn)欠驅(qū)動的現(xiàn)象，在船舶向下一條航跡切換是必須提前通過一個轉(zhuǎn)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(guān)注，并很快成為當(dāng)今船舶運動控制研究中的一個熱點。
[0004]動力定位船舶的控制系統(tǒng)由導(dǎo)航系統(tǒng)、導(dǎo)引策略和控制算法三部分組成，其中導(dǎo)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(jù)這些信息給出控制指令即可。所以對于執(zhí)行高速循跡功能動力定位船舶，設(shè)計合適的導(dǎo)引策略是重要環(huán)節(jié)；為了保證控制的精度和魯棒性，性能良好且適合工程應(yīng)用的控制算法也必不可少。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)中，關(guān)于動力定位船舶路徑跟蹤的文獻(xiàn)有很多，但考慮工程實踐的文獻(xiàn)并不多。如挪威理工大學(xué)的Fossen教授和他的團隊發(fā)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(dǎo)引策略的原理和控制算法的原理，以及動力定位系統(tǒng)其他方面的相關(guān)內(nèi)容。哈爾濱工程大學(xué)的邊信黔、付明玉、王元慧教授在其著作《船舶動力定位》(科學(xué)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。
[0006]現(xiàn)有技術(shù)中，國際上主流的動力定位產(chǎn)品已經(jīng)包含了高速循跡的功能，北歐挪威Kongsberg公司已經(jīng)對循跡功能進行了研究，其產(chǎn)品說明書《Kongsberg GreenDPi' -SDPDynamic Positioning System))中給出了一些關(guān)于高速循跡的說明和功能概況,但沒有給出實現(xiàn)方法。哈爾濱工程大學(xué)研制的動力定位產(chǎn)品也實現(xiàn)了高速循跡功能，但沒有相關(guān)文獻(xiàn)進行介紹。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于，針對動力定位船舶的高速循跡功能提出一種分段導(dǎo)引策略，為控制算法提供期望艏向輸入，然后結(jié)合非線性反步法設(shè)計控制算法，得到對船舶縱向和艏向的控制力和力矩，驅(qū)動船舶以較高的精度和要求的速度完成循跡功能。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括下列步驟:
[0009](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(biāo)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(biāo)系YObX ；
[0010](2)在大地坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系中建立動力定位船舶三自由度船舶高速運動數(shù)學(xué)模型:

[0011]
【權(quán)利要求】
1.一種動力定位船舶循跡導(dǎo)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(biāo)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(biāo)系YObX ； (2)在大地坐標(biāo)系和船體坐標(biāo)系中建立動力定位船舶三自由度船舶高速運動數(shù)學(xué)模型:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力定位船舶循跡導(dǎo)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(shè)DP船舶需要跟蹤的航跡由大地坐標(biāo)系中的設(shè)定路徑點為A，B，C三點，它們的坐標(biāo)為分別為O^e1), (n2，e2), (n3, e3)。大地坐標(biāo)系中船舶當(dāng)前時刻的位置為(n, e)；②計算直線航跡段船舶期望艏向 根據(jù)船舶當(dāng)前位置與直線段航跡的偏差，即船舶到直線的垂直距離計算一個修正角，在航跡向的基礎(chǔ)上加上這個修正角，使船舶艏向偏向航跡一邊； 對于一條從A點指向B點的航跡線，當(dāng)前時刻船舶與航跡AB的偏差d為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動力定位船舶循跡導(dǎo)引控制方法，其特征在于所述步驟(4)中還包括以下幾個步驟: ①定義誤差Z1=F-Fd, ζ2=ν-ξ ,并定義Η=[0 O I] 令
【文檔編號】G05D1/02GK103576555SQ201310563586
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】付明玉, 張愛華, 余玲玲, 謝笑穎, 焦建芳 申請人:哈爾濱工程大學(xué)