新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法技术

本发明专利技术公开了一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法，包括：S1、建立包含风、浪干扰及非线性项的船舶仿真模型和包含外部扰动的船舶设计模型；S2、获取高阶非线性观测器，以获取船舶速度和外部未确定扰动；S3：获取船舶的虚拟参考艏向角；S4：考虑当前时域的路径偏差和未来时域的路径偏差的总路径跟踪偏差，获取船舶的预测LOS虚拟艏向角；S5：获取船舶的控制律，以对新型的超大型欠驱动船舶的路径进行控制。本发明专利技术针对超大型欠驱动船舶制定对应导航策略，解决了超大型欠驱动船舶在轨迹跟踪过程中容易出现的超调问题。为提高超大型船舶航行的安全性提供理论指导。大型船舶航行的安全性提供理论指导。大型船舶航行的安全性提供理论指导。

【技术实现步骤摘要】
新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法


[0001]本专利技术涉及船舶运动控制及制导领域，具体地说，涉及一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法。

技术介绍

[0002]随着全球经济的快速发展，全球海运货运量急剧增加。国际进出口贸易量的增加刺激了海运集装箱班轮运输的需求，同时带动了大型集装箱船舶的发展。船舶大型化的发展对航行安全提出了新的挑战。这些新的挑战不同于过去，甚至超越了行业的传统观念。超大型欠驱动船舶具有大惯性和大时滞的特点，在传统的制导方法中，会使船舶在跟踪参考轨迹的过程中出现超调的现象，导致船舶碰撞或者搁浅，影响船舶航行安全。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供了一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法，以解决上述问题。
[0004]本专利技术包括以下步骤：
[0005]一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法，包括如下步骤：
[0006]S1、建立包含风、浪干扰及非线性项的船舶仿真模型和包含外部扰动的船舶设计模型；
[0007]S2、获取高阶非线性观测器，以获取船舶速度和外部未确定扰动；
[0008]S3：根据所述船舶仿真模型，获取船舶的虚拟参考艏向角；
[0009]S4：根据所述船舶设计模型、船舶速度和所述船舶的虚拟参考艏向角，考虑当前时域的路径偏差和未来时域的路径偏差的总路径跟踪偏差，获取船舶的预测LOS虚拟艏向角；
[0010]S5：根据所述外部未确定扰动，通过所述船舶的预测LOS虚拟艏向角，获取船舶的控制律，以对新型的超大型欠驱动船舶的路径进行控制。
[0011]进一步的，所述船舶仿真模型建立如下：
[0012][0013]式中：x表示船舶当前位置横坐标；y表示船舶当前位置纵坐标；u表示船舶纵向速度；v表示船舶横向速度；r表示船舶转艏角速度；ψ表示船舶航向；m表示船舶质量；m
x
表示纵荡自由度上的附加质量；m
y
表示橫荡上的附加质量；X
H
表示裸船体在纵荡自由度上所受的力；X
P
表示螺旋桨在纵荡自由度上所受的力；X
W
表示风在纵荡自由度上所受的力；X
WAVE
表示浪在纵荡自由度上所受的力；V
c
表示海浪流速；ψ
c
表示海浪流向；Y
H
表示裸船体在橫荡自由度上所受的力；Y
P
表示螺旋桨在橫荡自由度上所受的力；Y
W
表示风在橫荡自由度上所受的力；Y
WAVE
表示浪在橫荡自由度上所受的力；I
ZZ
表示船舶绕竖直轴的惯性矩；J
ZZ
表示附加转动惯量；N
H
表示裸船体在艏摇自由度上所受的力；N
P
表示螺旋桨在艏摇自由度上所受的力；N
R
表示舵在艏摇自由度上所受的力；N
W
表示风在艏摇自由度上所受的力；N
WAVE
表示浪在艏摇自由度上所受的力；表示求导运算。
[0014]进一步的，所述船舶设计模型建立如下：
[0015][0016]式中：β表示船舶漂角；T表示船舶追随性指数；K表示船舶旋回指数；f
r
表示外部未确定扰动；δ表示舵角。
[0017]进一步的，所述高阶非线性观测器获取如下：
[0018][0019]式中：表示估计值；ψ表示艏向角；g
u
表示纵向速度模型已知部分；g
v
表示横向速度模型已知部分；g
r
表示转艏角速度模型已知部分；l
x
、l
y
、l
ψ
、l
ux
、l
uy
、l
vx
、l
vy
、l
r
、l
fux
、l
fuy
、l
fvx
、l
fvy
和l
fr
均为正的设计参数；f
u
表示船舶纵向速度方向的扰动、f
v
表示船舶横向速度方向的扰动；f
r
表示船舶转艏角速度方向的扰动；
[0020]所述高阶非线性观测器的观测误差获取如下：
[0021][0022]式中：表示估计误差，
[0023]进一步的，获取船舶的虚拟参考艏向角方法如下：
[0024][0025]式中：ψ
los
表示船舶的虚拟参考艏向角；θ
k
表示参考路径角；y
e
表示路径偏差；
[0026]其中，
[0027]R＝k1|y
e
|+k2L
ꢀꢀ
(6)
[0028]式中：L表示船体长度；y
e
表示路径偏差；k1表示用于调整跟踪速度的正参数；k2表示用于防止弧线与参考路径不相交的正参数。
[0029]进一步的，获取船舶的预测LOS虚拟艏向角方法如下；
[0030]S41：将所述船舶设计模型进行离散化，获取未来时域的步长计算值：
[0031][0032]式中：表示未来第n个时域的船舶位置计算值；y(k)表示当前时域步长计算值；T1表示采样周期；j表示未来时域的编号，j≤n；
[0033]S42：根据所述未来时域的步长计算值，构建未来时域的路径偏差：
[0034][0035]式中：y
d
(k+n)表示未来第n个时域的参考路径计算值；表示未来第n个时域的路径偏差；
[0036]S43：获取考虑当前时域的路径偏差和未来时域的路径偏差的总路径跟踪偏差，以根据所述船舶的虚拟参考艏向角ψ
los
，获取船舶的预测LOS虚拟艏向角；
[0037]所述总路径跟踪偏差获取如下：
[0038][0039]式中：y
E
(y,y
d
)表示总路径跟踪偏差；表示当前时域的路径偏差；
[0040]表示未来n个时域的总路径偏差；P表示当前时域的路径偏差的权重；Q表示未来n个时域的总路径偏差的权重；
[0041]根据船舶的虚拟参考艏向角ψ
los
的计算公式，得：
[0042][0043]式中：ψ
pre
‑
los
表示基于预测LOS的参考艏向角；
[0044]于是，
[0045][0046]式中：ψ
d
表示船舶的预测LOS虚拟艏向角；
[0047]其中，
[0048][0049]式中：表示船舶的漂角的估计值。
[0050]进一步的，获取船舶的控制律方法如下：
[0051]S51：构造递归结构的快速滑动模态
[0052][005本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、建立包含风、浪干扰及非线性项的船舶仿真模型和包含外部扰动的船舶设计模型；S2、获取高阶非线性观测器，以获取船舶速度和外部未确定扰动；S3：根据所述船舶仿真模型，获取船舶的虚拟参考艏向角；S4：根据所述船舶设计模型、船舶速度和所述船舶的虚拟参考艏向角，考虑当前时域的路径偏差和未来时域的路径偏差的总路径跟踪偏差，获取船舶的预测LOS虚拟艏向角；S5：根据所述外部未确定扰动，通过所述船舶的预测LOS虚拟艏向角，获取船舶的控制律，以对新型的超大型欠驱动船舶的路径进行控制。2.根据权利要求1所述的一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法，其特征在于，所述船舶仿真模型建立如下：式中：x表示船舶当前位置横坐标；y表示船舶当前位置纵坐标；u表示船舶纵向速度；v表示船舶横向速度；r表示船舶转艏角速度；ψ表示船舶航向；
m
表示船舶质量；mx表示纵荡自由度上的附加质量；my表示橫荡上的附加质量；XH表示裸船体在纵荡自由度上所受的力；XP表示螺旋桨在纵荡自由度上所受的力；X
W
表示风在纵荡自由度上所受的力；X
WAVE
表示浪在纵荡自由度上所受的力；V
c
表示海浪流速；ψ
c
表示海浪流向；Y
H
表示裸船体在橫荡自由度上所受的力；Y
P
表示螺旋桨在橫荡自由度上所受的力；Y
W
表示风在橫荡自由度上所受的力；Y
WAVE
表示浪在橫荡自由度上所受的力；I
ZZ
表示船舶绕竖直轴的惯性矩；J
ZZ
表示附加转动惯量；N
H
表示裸船体在艏摇自由度上所受的力；N
P
表示螺旋桨在艏摇自由度上所受的力；N
R
表示舵在艏摇自由度上所受的力；N
W
表示风在艏摇自由度上所受的力；N
WAVE
表示浪在艏摇自由度上所受的力；表示求导运算。3.根据权利要求1所述的一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法，其特征在于，所述船舶设计模型建立如下：
式中：β表示船舶漂角；T表示船舶追随性指数；K表示船舶旋回指数；f
r
表示外部未确定扰动；δ表示舵角。4.根据权利要求1所述的一种新型的超大型欠驱动船舶路径跟踪预测LOS制导方法，其特征在于，所述高阶非线性观测器获取如下：式中：表示估计值；ψ表示艏向角；g
u
表示纵向速度模型已知部分；g
v
表示横向速度模型已知部分；g
r
表示转艏角速度模型已知部分；l
x
、l
y
、l
ψ
、l
ux
、l
uy
、l
vx
、l
vy
、l
r
、l
fux
、l
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显库，章沪淦，范佳明，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：