一种船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法及系统技术方案

一种船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法及系统，属于船舶自适应舵航迹控制技术领域。为解决间接式航迹控制航迹跟踪精度低效果较差、以及直线航迹跟踪遭遇的风浪流干扰偏航等问题而提出的。技术要点：根据船舶航速u0和目标航向偏差ψ

【技术实现步骤摘要】
一种船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法及系统


[0001]本专利技术属于船舶自适应舵航迹控制
，具体涉及一种船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法及系统。

技术介绍

[0002]船舶自适应舵是一种基于先进控制理论和舵机技术的船舶操纵运动控制系统，广泛应用于远洋和沿海商船航向和航迹控制。自适应舵具有随动操舵、航向舵和航迹舵三种工作模式，直线航迹控制是自适应舵航海技术的重要组成部分。传统的操舵系统通常需要手动控制，而自适应舵系统则能够根据船舶运动状态和环境条件自动调节舵机角度，以达到更好的操纵运动控制效果，提高船舶的操纵性能、降低燃油消耗和减少环境扰动对航行性能的影响。在船舶航迹控制过程中最重要的工作是设计出稳定、精准、节能、便捷的航迹控制算法，由船舶当前位置、航向与给定计划航线计算出航向、航迹误差，根据航向、航迹误差给出舵角控制指令，使船舶沿预定的计划航线航行。
[0003]航迹跟踪控制是指在控制系统的驱动下，船舶从任意初始位置驶入预先规划好的航线，并沿此航线最终抵达目的地。目前自适应舵直线航迹控制的算法主要分为间接控制和直接控制两大类：间接控制方法由航向引导率和航向控制器两部分组成，航向引导率根据船舶航迹偏差计算出一个期望航向，航向控制器用于跟踪这个期望航向来减小航迹误差，直到跟上期望航迹，间接式控制方法算法简单便于实现，但实现效果不佳，主要表现为控制精度不足，抗扰动能力欠缺，最常用的航向引导率为视线法(line
‑
of
‑
sight,LOS)；直接法则根据航迹误差直接计算出操舵指令控制船舶跟踪期望航迹，相比于间接法通常具有更高的航迹控制精度。
[0004]LQG控制器是一种线性二次高斯控制器，广泛应用于控制系统中。它是由线性二次调节器(LQR)和卡尔曼滤波器(Kalman Filter)组成的。其中，LQR是一种针对线性系统的最优控制器，能够最小化系统输出与参考信号之间的误差平方和，同时限制控制量的大小；而Kalman Filter则是一种基于贝叶斯统计学原理的滤波器，能够估计系统状态，并消除测量噪声的影响。将LQR和Kalman滤波器结合起来，即LQG控制器。该控制器能够在不确定性和噪声的情况下，实现对系统状态和输出的优化控制。因此，在工业控制、航空航天、机器人等领域得到了广泛应用。
[0005]针对现有技术中存在的间接式航迹控制航迹跟踪精度低效果较差的问题，没有人提出将LQG控制方法应用于船舶自适应舵航迹保持控制，并对算法引入积分改进得到自适应舵ILQG航迹保持控制器，以用于间接式航迹控制航迹跟踪。

技术实现思路

[0006]本发有要解决的技术问题是：
[0007]本专利技术为解决间接式航迹控制航迹跟踪精度低效果较差、以及直线航迹跟踪遭遇的风浪流干扰偏航等问题，进而提出一种船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法及系
统。
[0008]本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0009]一种船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法，包括如下步骤：
[0010]步骤一：根据船舶航速u0和目标航向偏差ψ
r
更新系统矩阵A；
[0011]步骤二：选取精度、能耗平衡参数矩阵，求解ILQR黎卡提方程得到最优控制方差矩阵；
[0012]步骤三：计算ILQR控制器比例微分系数矩阵，根据临界阻尼原理计算积分系数矩阵；
[0013]步骤四：设置噪声方差阵V，求解GESO黎卡提方程得到观测方程阵；
[0014]步骤五：计算GESO观测增益，根据临界阻尼原理计算观测积分增益矩阵；
[0015]步骤六：计算GESO状态观测结果x和ILQG控制率δ；
[0016]步骤七：循环所述步骤一到步骤六，即可控制船舶沿设定的直线航迹行驶。
[0017]进一步地，步骤一中，更新系统矩阵A的方法具体如下：
[0018]当船舶沿直线航迹匀速行驶时，可重写为
[0019][0020]式中，x＝(e ψ
r v r)
T
，e为船舶与期望直线路径之间的垂向距离，ψ
r
＝ψ
‑
ψ
d
为艏向跟踪误差，可根据下式计算系统矩阵A；
[0021][0022]其中，A为系统状态转移矩阵，B为控制转移矩阵，u＝δ为舵角，作为该系统的输入值，为该算法最终所需要求解的最优控制量，ω为船舶运动过程中的噪声干扰，u0为船舶航行初始速度，v为船舶横荡速度，r为船舶艏摇角速度。
[0023]进一步地，步骤二中，根据船舶运动模型，以及船舶运动状态，设定相应的正定矩阵P
c
、Q
c
，考虑状态变量中的e和ψ
r
的收敛效果，选择R
c
为单位阵，Q
c
＝diag{q1,q2,0,0}，船舶自适应舵ILQG控制系统的二次型性能指标为J＝∫x
T
Q
c
x+u
T
R
c
u dt，求解下述最优控制黎卡提方程得到最优控制方差矩阵P
c
；
[0024]AP
c
+P
c
A
T
‑
P
c
BR
‑1B
T
P
c
+Q＝0
[0025]其中，矩阵Q的选择要满足正定且根据该矩阵计算得出的实对称矩阵P
c
正定且有实数解，再求解方程过程中可能遇到无解情况，则需要调整Q矩阵的参数值，直到方程有解且满足条件为止。
[0026]进一步地，步骤三中，计算ILQR控制器比例微分系数矩阵K
r
＝R
‑1B
T
P
c
，根据步骤二求得的P
c
方程矩阵，对应的该系统最优控制的舵角输入值应当为
[0027][0028]进一步地，步骤四中，设置噪声方差阵V为实际测量噪声方差，根据下述GESO黎卡提方程求解观测方程阵P
o
；
[0029]AP
o
+P
o
A
T
‑
P
o
C
T
V
‑1CP
o
+W＝0
[0030]其中，矩阵W的选择要满足正定且根据该矩阵计算得出的实对称矩阵P
o
正定且有实数解，同理，在求解该方程的过程中可能会出现方程无解或无满足要求的解，则需要调整W矩阵的值是的方程有解且满足条件。
[0031]进一步地，步骤五中，计算GESO观测增益K
f
＝P
o
C
T
V
‑1,根据临界阻尼原理计算观测积分增益矩阵K
fi
。
[0032]进一步地，步骤六中，根据下列扩张状态系统方程计算GES本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：根据船舶航速u0和目标航向偏差ψ
r
更新系统矩阵A；步骤二：选取精度、能耗平衡参数矩阵，求解ILQR黎卡提方程得到最优控制方差矩阵；步骤三：计算ILQR控制器比例微分系数矩阵，根据临界阻尼原理计算积分系数矩阵；步骤四：设置噪声方差阵V，求解GESO黎卡提方程得到观测方程阵；步骤五：计算GESO观测增益，根据临界阻尼原理计算观测积分增益矩阵；步骤六：计算GESO状态观测结果x和ILQG控制率δ；步骤七：循环所述步骤一到步骤六，即可控制船舶沿设定的直线航迹行驶。2.根据权利要求1所述的船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法，其特征在于，步骤一中，更新系统矩阵A的方法具体如下：当船舶沿直线航迹匀速行驶时，可重写为式中，x＝(e ψ
r v r)
T
，e为船舶与期望直线路径之间的垂向距离，ψ
r
＝ψ
‑
ψ
d
为艏向跟踪误差，可根据下式计算系统矩阵A；其中，A为系统状态转移矩阵，B为控制转移矩阵，u＝δ为舵角，作为该系统的输入值，为该算法最终所需要求解的最优控制量，ω为船舶运动过程中的噪声干扰，u0为船舶航行初始速度，v为船舶横荡速度，r为船舶艏摇角速度。3.根据权利要求1所述的船舶自适应舵航迹保持积分最优控制方法，其特征在于，步骤二中，根据船舶运动模型，以及船舶运动状态，设定相应的正定矩阵P
c
、Q
c
，考虑状态变量中的e和ψ
r
的收敛效果，选择R
c
为单位阵，Q
c
＝diag{q1,q2,0,0}，船舶自适应舵ILQG控制系统的二次型性能指标为J＝∫x
T
Q
c
x+u
T
R
c
u dt，求解下述最优控制黎卡提方程得到最优控制方差矩阵P
c
；AP
c
+P
c
A
T
‑
P
c
BR
‑1B
T
P
c
+Q＝0其中，矩阵Q的选择要满足正定且根据该矩阵计算得出的实对称矩阵P
c
正定且有实数...

【专利技术属性】
技术研发人员：包政凯，彭晨，白阳，王昱瑶，刘志林，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：