【技术实现步骤摘要】
自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊方法及系统
[0001]本专利技术涉及船舶靠岸控制领域，具体涉及一种自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊方法及系统。
技术介绍
[0002]随着能源需求的增加，以及环境和企业生存的双重制约，船舶的节能减排受到了越来越多的关注。在以前的研究中，在路径规划中很少考虑能耗。在靠泊过程中，由于低速航行，转向效率降低，机动性受到限制。码头停机坪的水域是禁区，附近船只的交通流更加复杂，这大大增加了靠泊的难度和风险。因此，为了发展无人船技术，提高靠泊安全性，研究自动靠泊控制势在必行。尽管在船舶避碰和控制方面取得了很大进展，但仍存在以下问题：
[0003](1)防撞过程中目标和约束的模型不是线性的，但它涉及几何和三角等时变非线性函数；
[0004](2)碰撞避免优化问题的可行集是非凸的，属于不确定多项式时间的NP难问题。常用的方法有混合整数规划和非凸二次约束二次规划。然而，在非凸优化的可行域中，解不一定是全局解；
[0005](3)无人船可以携带的能量装置是有限的。为了将能量消...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊系统，其特征在于，包括欠驱动船舶预测控制单元、避碰协调单元和自动靠泊控制单元；所述欠驱动船舶预测控制单元基于自适应预测地平线的节能鲁棒非线性模型预测控制，以处理基于船岸合作的实际控制和停泊过程中的状态约束；所述避碰协调单元基于改进的帝企鹅优化器，实现冲突避免决策；所述自动靠泊控制单元在不同的干扰下，采用鲁棒模型预测控制实现了不同的靠泊方法。2.根据权利要求1所述的自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊系统，其特征在于，所述欠驱动船舶预测控制单元的控制策略，具体为：步骤S1：基于预设的靠泊泊位位置和期望船舶靠泊速度，结合系统模型、系统约束和优化指标，以能耗为目标之一，构造MPC约束优化问题；步骤S2：获取船舶的运动参考轨迹，构建欠驱动船舶运动模型，并根据运动参考轨迹预测运动控制数据，同时使用运动控制数据来控制运动状态，获得欠驱动船舶的运动数据；步骤S3：比较欠驱动船舶运动数据和运动参考轨迹的偏移大小，并根据偏移大小的比较结果生成运动调整数据，运动数据用于调整运动状态，并计算欠驱动船舶运动数据和运动参考轨迹之间的偏移；步骤S4：根据偏差的比较结果生成控制器的输入力和力矩。步骤S5：在预测控制增加约束条件，包括状态变化约束以及船舶避碰。采用帝企鹅优化，迭代求解带约束的优化问题，直到收敛到最优解。步骤S6：岸台监测船舶是否有碰撞危险。根据船舶的航行条件生成防撞指令，实现岸船之间的实时交互、动态调节、合理分工和协同控制。3.根据权利要求2所述的自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊系统，其特征在于，所述MPC约束优化问题，具体为：当前时间t
k
船舶的目标函数设置为：其中T
p
是预测时域，X
e
(t；t
k
)是在时间t
k
对系统的误差状态的预测，U
e
(t；t
k
)是时间t
k
时系统的误差输入的预测，Q是误差状态的加权矩阵，F是输入误差的加权矩阵，P是终端误差状态的权重矩阵；目标函数最小化预测区间中的船舶位置与参考轨迹上的对应点之间的距离，以及控制量的大小和能量消耗；输入U、期望输入U
d
、输入误差U
e
和系数矩阵K如下：U＝[τ
u
,τ
r
]
T
ꢀꢀꢀꢀ
(1)U
d
＝[τ
ud
,τ
rd
]
T
ꢀꢀꢀꢀ
(3)设η是位置和姿态矢量，υ是速度矢量，u是前进速度，v是摇摆速度，r是艏摇速度，x是前进位置，y是摇摆位置，以及Ψ是艏摇角，则欠驱动船舶运动模型为：η＝[x y ψ]
T
ꢀꢀꢀ
(6)υ＝[u v r]
T
ꢀꢀꢀ
(7)其中R是旋转矩阵：
欠驱动船舶的动力学模型计算如下:速度方程，表示如下:其中τ
u
表示沿前进方向的控制输入，τ
r
表示沿艏摇方向的控制输入；m
11
、m
22
和m
33
分别表示惯性矩阵对角线上的第一、第二和第三元素；d
11
、d
22
和d
33
分别表示线性流体动力阻尼参数矩阵对角线上第一、第三和第二...
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