用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质，属于船舶运动控制领域。包括：S1、选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；S2、控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速和第二转速交替切换，计算当前切换时刻的修正项，包括：获取相邻切换时刻双体船的位置，以两位置的中点离待跟踪直线的距离趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出修正项；S3、以所述修正项修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；S4、判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复S2和S3，若是，结束控制。本发明专利技术能够使双体船在故障情况下控制的可靠性。的可靠性。的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质


[0001]本专利技术属于船舶运动控制领域，更具体地，涉及一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质。

技术介绍

[0002]近年来，无人载具受到越来越多的关注，同时海洋经济日渐得到重视使得水上无人载具及其研究成为研究热点。双体船是指在两个分离的水下船体上部用加强构架连接成一个整体的“船舶”，具有两舵两螺旋桨，在船舶研究领域应用广泛。水下环境复杂多变，充满了时变的风、浪、流，这些都给双体船的执行器带来了故障隐患，当执行器出现故障时，如何快速回收故障船只进行维修具有重要的科研意义与经济意义。
[0003]当双体船的整个动力系统中仅剩一个螺旋桨可用时，即船舶的两个舵和其中一个螺旋桨均已损坏，此时船舶的动力系统已无法正常控制船舶的航向及航速，船舶已经不具备正常航行能力，由于双体船螺旋桨的不对称分布，船舶将向一个方向进行圆周运动。现有技术中，控制仅剩一个螺旋桨的双体船使其航行至指定目标点的方法为开环控制方法，该方法没有考虑船舶自身存在较大的惯性的影响，在控制航行轨迹时会存在较大的偏差，使得故障船只无法到达指定目标点，控制方法可靠性较低。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质，其目的在于当双体船的动力系统仅剩一只螺旋桨可用时，也能够控制双体船稳定、安全运行至指定目标点，提升控制的可靠性。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法，包括：
[0006]S1、选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；
[0007]S2、控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速n
rb
和第二转速n
rs
交替切换，计算当前切换时刻的修正项包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置c
i
‑1和c
i
，以c
i
‑1和c
i
的中点离待跟踪直线的距离L
i
趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出所述修正项
[0008]S3、以所述修正项修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；
[0009]S4、判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复所述S2和所述S3，若是，结束控制。
[0010]进一步地，所述S2中，所述当前切换时刻的修正项为：
[0011][0012]其中，K
P
与K
I
分别为比例和积分的系数，L
i
为c
i
‑1和c
i
的中点离待跟踪直线的距离，
为当前切换时刻的积分项。
[0013]进一步地，所述当前切换时刻的积分项为：
[0014][0015]其中，分别为所述前切换时刻的积分项的上下限值。
[0016]进一步地，所述双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时满足：
[0017][0018]其中，ψ
i
为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。
[0019]进一步地，所述c
i
‑1和c
i
的中点离待跟踪直线的距离L
i
为：
[0020][0021]其中，c
i
‑1＝[x
i
‑1,y
i
‑1]、c
i
＝[x
i
,y
i
]，待跟踪直线的方程记为Ax+By+C＝0。
[0022]按照本专利技术的第二方面，提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制系统，包括：期望前进方向计算模块、转速切换模块、修正项设计模块及判断模块；
[0023]所述期望前进方向计算模块用于选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；
[0024]所述转速切换模块用于控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速n
rb
和第二转速n
rs
交替切换，并以所述修正项设计模块输出的修正项修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；
[0025]所述修正项设计模块用于计算当前切换时刻的修正项包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置c
i
‑1和c
i
，以c
i
‑1和c
i
的中点离待跟踪直线的距离L
i
趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出所述修正项
[0026]所述判断模块用于判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复执行所述转速切换模块及所述修正项设计模块，若是，结束控制。
[0027]进一步地，所述修正项设计模块中，当前切换时刻的修正项为：
[0028][0029]其中，K
P
与K
I
分别为比例和积分的系数，L
i
为c
i
‑1和c
i
的中点离待跟踪直线的距离，为当前切换时刻的积分项。
[0030]进一步地，所述当前切换时刻的积分项为：
[0031][0032]其中，分别为所述前切换时刻的积分项的上下限值。
[0033]进一步地，所述转速切换模块中，所述双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时满足：
[0034][0035]其中，ψ
i
为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。
[0036]按照本专利技术的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面任意一项所述的控制方法。
[0037]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0038](1)本专利技术设计的这种控制方法针对仅单桨完好的情况下双体船拟跟随轨迹的控制，在双体船拟跟随轨迹两侧分别采用不同航速，使得船舶能够螺旋前进，将当前切换时刻的修正项加入航速切换条件中，基于PI控制，以相邻两个切换时刻双体船的位置连线中点与待跟踪直线的距离L
i
作为误差项，通过设计的修正项修正当前切换时刻的切换角度以使误差收敛，进而使双体船的运行轨迹跟随期望螺旋前进的方向行进，实现在故障情况下也能够安全运行至指定目标点，提升了双体船在动力系统损坏时控制的可靠性。
[0039](2)由于以修正项调整航速切换时刻的角度，使得在理想切换点与实际切换点之间留有一定的裕量，最大程度上降低了双体船本身具有的大惯性对航向的影响，以及由于对船舶的实际控制时刻都是离散的，避免存在实际切换点与待跟踪直线不相交的问题，进一步提升了航向控制的稳定性和可靠性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法，其特征在于，包括：S1、选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；S2、控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速n
rb
和第二转速n
rs
交替切换，计算当前切换时刻的修正项包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置c
i
‑1和c
i
，以c
i
‑1和c
i
的中点离待跟踪直线的距离L
i
趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出所述修正项S3、以所述修正项修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；S4、判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复所述S2和所述S3，若是，结束控制。2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S2中，所述当前切换时刻的修正项为：其中，K
P
与K
I
分别为比例和积分的系数，L
i
为c
i
‑1和c
i
的中点离待跟踪直线的距离，为当前切换时刻的积分项。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述当前切换时刻的积分项为：其中，分别为所述前切换时刻的积分项的上下限值。4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时满足：其中，ψ
i
为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。5.根据权利要求1
‑
4任意一项所述的控制方法，其特征在于，所述c
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‑1和c
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的中点离待跟踪直线的距离L
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为：其中，c
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‑1＝[x
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‑1,y
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‑1]、c
i
＝[x
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,y
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【专利技术属性】
技术研发人员：赵金，付振宇，洪子奇，顾逸君，李萌，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：