一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法技术

本发明专利技术提出一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，包括以下步骤：根据航路点信息和计划航速，规划逻辑制导虚拟小船的参考信号；通过视距变量和视角变量对视距和视角进行滤波；根据虚拟小船运动学模型，计算自适应虚拟小船的速度向量和速度自适应律；跟随船按照所述速度向量和速度自适应律航行。本发明专利技术解决了现有领航跟随编队控制不能直接执行队形伸缩任务的缺陷，能够有效避免参考轨迹在伸缩时呈折线状骤变而引起的跟踪误差增大，这对船舶编队执行避障、通过受限区域、战舰变换队形作战等船舶工程任务具有十分重大的意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶控制工程与船舶自动化航行装备应用
，具体的说是一种考虑航路点规划约束和队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，在船舶运动控制领域中除了研究单船的路径跟踪外，船舶编队控制也得到越来越多的重视，这主要是由于多船编队在民用和军用领域都具有巨大的优势。船舶编队主要是指控制多艘船舶保持期望的队形在参考轨迹上航行，由于相对于单艘船舶而言具有更好的灵活性和容错性，并且能够在有限时间内执行高难度的任务，船舶编队控制已经被广泛地应用于海洋搜救作业、海洋资源勘察、多艘军舰协同作战、船舶远洋补给等多个方面。比如，在2014年3月8 日“马航MH370”飞机失事事件中，单船搜救不能快速有效地完成短时间内大范围搜救任务，这就需要多船编队进行海事搜救任务，从而提高搜救效率。另外， 2018年1月6日，中国长江口附近发生的巴拿马籍油船“SANCHI”轮与中国香港散货船“CF CRYSTAL”轮的严重碰撞事故也体现出船舶编队开展搜救任务的重要性。
[0003]随着欠驱动船舶编队控制研究的发展，现有的船舶编队控制方法有领航跟随法、基于行为法、虚拟结构法和基于图论的方法等。其中，大多数研究学者青睐于领航跟随法和基于图论的方法。基于图论的方法又可以进一步分为集中式、分散式、分布式，该方法优点在于船
‑
船之间均有信息通信，容错性强，缺点是实现难度大，编队转向不灵活。而领航跟随法操作简单、灵活、便于实践，并且能够根据需要调整领导船和跟随船之间的视距和视角实现整个编队队形的伸缩，缺点在于对领导船依赖过强。在本专利技术中采取的是领导跟随法，为了直观表达该方法，公式(1)(2)中定义领导船和跟随船的视距ρ和视角λ，其几何结构如图1所示。
[0004][0005][0006]其中，(x
L
,y
L
)为船体坐标下领导船的位置，(x,y)为跟随船的位置，ρ和λ分别表示领导船和跟随船之间的视距和视角。、
[0007]根据张显库2012年于科学出版社发表的《船舶运动简捷鲁棒自适应控制》 2012.可知，欠驱动船舶编队的运动学和动力学模型可分别由公式(3)(4)表示。
[0008][0009][0010]其中，η＝[x,y,ψ]T
为船舶在地理坐标系下的位置向量，v＝[u,v,r]T
为船舶速度向量，m
u
,m
v
,m
r
为船舶模型不确定，f
u
,f
v
,f
r
为未知函数，d
wu
,d
wv
,d
wr
为时变环境干扰，τ
u
,τ
r
为系统输入。
[0011]在领航跟随结构中，领导船负责整个船舶编队路径跟踪参考轨迹，跟随船通过与领导船保持给定队形信息以形成期望队形。参考轨迹η
r
可以根据跟随船与领导船之间的期望视距ρ
d
和视角λ
d
以及领导船的位置信息η
L
获得，即：
[0012]η
r
＝η
L
+R(ψ)l
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0013]其中，l＝[ρ
d
cosλ
d
,ρ
d
sinλ
d
,0]T
为位置配备向量，其决定了领导船与跟随船的相对位置关系，R(ψ)为矩阵，可以表示为公式(6)。根据上述公式(1
‑
6)即可实现领航跟随结构的船舶编队。
[0014][0015]随着欠驱动船舶研究的发展，船舶编队控制的研究受到了前所未有的关注，国内外许多研究学者取得了较为成熟的研究成果，但是随着人类对海洋工程实践的探索和需求，许多问题也不断出现，迎来了许多新的挑战。
[0016]下面我们从具体问题出发，对目前船舶编队研究存在的问题和不足之处进行归纳总结。
[0017]1)现有的领航跟随编队控制方法很少考虑队形伸缩问题。尽管领航跟随法具有可伸缩性，驾驶员能够通过根据实时情况调整领导船和跟随船的视距ρ和视角λ来进行编队的伸缩，但是当视距改变过大时，参考轨迹呈折线状伸缩，船舶需要螺旋桨产生足够大的功率跟上参考轨迹。然而，在实际海洋实践中，船舶受驱动器输入饱和的约束，螺旋桨产生的功率存在着一个未知上限，因此需要一种有效的制导方法来解决参考轨迹的这种急剧性伸缩问题；
[0018]2)在船舶编队控制领域中，现有的多数文章均是假定领导船的位置信息和速度信息均可被跟随船得知。在实际海洋工程中，船舶的位置信息可由GPS和电子罗经等设备获得，速度信息只能通过通信等方式获得，然而，在航海实际中，船舶之间可能存在通信设备故障、频道被占用等情况，因此如何处理该问题对船舶编队控制十分重要；
[0019]3)当前的船舶编队研究成果很少考虑海洋实践约束，即船舶在航行中通常根据预先设计好的计划航线航行。在航海实践中，参考路径是由驾驶员通过提前设置航路点W1,W2,
…
,W
n
进行设定，从而导引船舶沿计划航线航行。参考路径不仅包括直线段，还包括转向部分的曲线段。现有技术Line of sight(LOS)制导算法是通过演绎航迹偏差进而计算出参考航向，间接引导船舶按照参考路径航行，实现航迹保持控制。然而，LOS制导算法只解决了直线部分的航迹保持问题，航路点附近曲线段部分并没有进行有效的航迹保持。

技术实现思路

[0020]针对现有技术中存在的上述不足之处，本专利技术要解决的技术问题是提供一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法。
[0021]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，包括以下步骤：
[0022]根据航路点信息和计划航速，规划逻辑制导虚拟小船的参考信号；
[0023]通过视距变量和视角变量对视距和视角进行滤波；
[0024]根据虚拟小船运动学模型，计算出自适应虚拟小船的速度向量和速度自适应律；
[0025]跟随船按照所述速度向量和速度自适应律航行。
[0026]所述航路点信息包括多个航路点坐标。
[0027]所述逻辑制导虚拟小船的参考信号为：
[0028][0029]其中，x
l
和y
l
表示逻辑制导虚拟小船在惯性坐标系下的位置坐标，u
l
为计划航速，ψ
l
为逻辑制导虚拟小船在惯性坐标系下的艏摇角，参数上的点代表该参数的一阶导数，r
l
为逻辑制导虚拟小船的艏摇角速度。
[0030]所述通过视距变量和视角变量对视距和视角进行滤波，具体为：
[0031][0032]其中，ρ...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据航路点信息和计划航速，规划逻辑制导虚拟小船的参考信号；通过视距变量和视角变量对视距和视角进行滤波；根据虚拟小船运动学模型，计算出自适应虚拟小船的速度向量和速度自适应律；跟随船按照所述速度向量和速度自适应律航行。2.根据权利要求1所述的一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述航路点信息包括多个航路点坐标。3.根据权利要求1所述的一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述逻辑制导虚拟小船的参考信号为：其中，x
l
和y
l
表示逻辑制导虚拟小船在惯性坐标系下的位置坐标，u
l
为计划航速，ψ
l
为逻辑制导虚拟小船在惯性坐标系下的艏摇角，参数上的点代表该参数的一阶导数，r
l
为逻辑制导虚拟小船的艏摇角速度。4.根据权利要求1所述的一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述通过视距变量和视角变量对视距和视角进行滤波，具体为：其中，ρ
f
为滤波后的视距，ρ为逻辑制导虚拟小船和自适应虚拟小船之间的视距，T
ρ
为视距时间常数，λ
f
为滤波后的视角，λ为逻辑制导虚拟小船和自适应虚拟小船之间的视角，参数上的点代表该参数的一阶导数，T
λ
为视角时间常数。5.根据权利要求1所述的一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述虚拟小船运动学模型为：其中，η
v
＝[x
v
,y
v
,ψ
v
]
T
为自适应虚拟小船在惯性坐标系下的位置向量，x
v
,y
v
为自适应虚拟小船在惯性坐标系下的位置坐标，ψ
v
为自适应虚拟小船的艏摇角，为转换矩阵，v
v
为自适应虚拟小船的速度向量。6.根据权利要求1所述的一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，其特征在于，所述自适应虚拟小船的速度向量为：其中，为转换矩阵，K
e
是人为设置的控制参数矩阵，ε为常
量，e＝η<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国庆，刘上，李纪强，李博，韩军，唐浩云，董相君，张显库，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：