【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及船舶运动控制及建模，尤其涉及一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法。
技术介绍
1、船舶作为一类重要载具，在海上运输过程中有着极其重要的地位。船舶在大洋航行时会遇到各种复杂情况，包括风浪流的干扰，航行水域的深度以及其它复杂天气情况的影响，这些外部因素都会导致船舶运动状态的改变。
2、当船舶在一些富余水深较小的水域航行过程中，受到浅水效应的影响，会使船舶舵效变差，进而造成传统的船舶控制器在船舶航向与航迹保持时的航行控制效果大大降低。随着自动控制技术的发展，设计鲁棒性强，精度高的船舶航向以及航迹保持控制器对于船舶在受限水域航行以及靠泊运动具有一定的研究意义，故本专利提出了一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制策略。
技术实现思路
1、本专利技术提供一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，以克服上述技术问题。
2、为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
3、一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，具体包括以下步骤：
4、s1：建立三自由度船舶运动数学模型，并对三自由度船舶运动数学模型进行浅水修正，以获取适用于不同受限水域的船舶运动数学模型；
5、s2：将浅水修正后的三自由度船舶运动数学模型简化为用于船舶航向保持的船舶线性响应型运动数学模型；
6、s3：基于线性自抗扰技术，根据所述船舶线性响应型运动数学模型建立扩张状态空间，以构建扩张状态观测器；
7、并根据所述扩张状态观测器构
8、s4：改进扩张状态观测器，以优化所述船舶航向保持自抗扰控制律，并结合视线制导方法实现船舶路径跟踪控制。
9、进一步的，所述s1包括以下步骤：
10、s101：建立三自由度船舶运动数学模型；
11、s102：对三自由度船舶运动数学模型进行浅水修正，以获取适用于不同受限水域的船舶运动数学模型。
12、进一步的，所述s101中建立的所述三自由度船舶运动数学模型具体为
13、
14、
15、
16、
17、式中：m表示船舶的质量；mx表示船舶在x轴方向上的附加质量；my表示船舶在y轴方向上的附加质量；izz表示船舶在z轴方向上的惯性矩；jzz表示船舶在z轴方向上的附加惯性矩；u表示船舶的前进速度；v表示船舶的横移速度；r表示船舶的艏摇角速度；ψ表示船舶航向；xh表示作用于裸船体上的纵向力；xp表示作用于螺旋桨上的纵向力；xr表示作用于舵上的纵向力；xwind表示风干扰引起的纵向力；xwave表示波浪干扰引起的纵向力；xcurrent表示表示流干扰引起的纵向力；yh表示作用于裸船体上的横向力；yp表示作用于螺旋桨上的横向力；yr表示作用于舵上的横向力；ywind表示风干扰引起的横向力；ywave表示波浪干扰引起的纵向力；ycurrent表示流干扰引起的纵向力；nh表示作用于裸船体上的偏航力矩；np表示作用于螺旋桨上的偏航力矩；nr表示作用于舵上的偏航力矩；nwind表示风干扰引起的偏航力矩；nwave表示波浪干扰引起的偏航力矩；ncurrent表示流干扰引起的偏航力矩；tp表示推力减额系数；ρ表示海水密度；n表示螺旋桨转速；dp表示螺旋桨直径；kt表示螺旋桨推力系数；jp表示螺旋桨进速系数；tr表示螺旋桨的阻力减额系数；fn表示舵的正压力；δ表示船舶的舵角输入；αh表示计入操舵诱导船体横向力关于舵力的修正因子；xr表示舵力作用中心至船舶重心的纵向距离；xh表示诱导横向力的作用点与船重心的纵向距离；x(u)表示船舶的直航阻力；xvv表示流体动力导数；xvr表示流体动力导数；xrr表示流体动力导数；yv表示流体动力导数；yr表示流体动力导数；yvv表示流体动力导数；yrr表示流体动力导数；y|v|r表示流体动力导数；nv表示流体动力导数；nr表示流体动力导数；n|v|v表示流体动力导数；n|r|r表示流体动力导数；nvvr表示流体动力导数；nvrr表示流体动力导数。
18、进一步的，所述s102中所述对三自由度船舶运动数学模型进行浅水修正的表达式为
19、
20、
21、
22、
23、
24、式中：h表示水深；d表示船舶吃水；b表示船舶宽度；l表示船舶长度；cb表示船舶方形系数；mxh表示浅水域水深为h时x方向上船舶的附加质量；mx∞表示深水域时x方向上船舶的附加质量；myh表示浅水域水深为h时y方向上船舶的附加质量；my∞表示深水域时y方向上船舶的附加质量；jzzh表示浅水域水深为h时z方向上船舶的附加惯性矩；jzz∞表示深水域时z方向上船舶的附加惯性矩；ωp表示船体对螺旋桨的干涉系数即船体伴流系数；tp表示推力减额系数；γrh表示浅水域水深为h时的整流系数；γr∞表示深水域h时的整流系数；αhh表示浅水域水深为h时的增额系数；αh∞表示深水域时的增额系数；xhh表示浅水域水深为h时的船体增额流体力作用中心坐标；xh∞表示深水域时的船体增额流体力作用中心坐标；cth表示水深为h时，船舶航行的总阻力系数；ct∞表示深水域航行时船舶的总阻力系数；a表示船模实验系数；b表示船模实验系数；表示船模实验系数a的回归拟合值；表示船模实验系数b的回归拟合值；fh表示水深傅汝徳数；xvrh表示水深为h时水动力导数xvr的值；xvr∞表示深水域时水动力导数xvr的值。
25、进一步的，所述s2中所述船舶线性响应型运动数学模型的表达式为
26、
27、式中：ψ表示船舶航向；r表示船舶转艏角速度；t表示船舶的追随性指数；k表示船舶的操纵性指数；f表示船舶航行过程中的扰动；a表示船舶模型非线性项的系数。
28、进一步的，所述s3包括以下步骤：
29、s31：根据所述船舶线性响应型运动数学模型建立扩张状态空间，所述扩张状态空间的表达式为
30、
31、x＝[ψ,r,f]
32、式中：x表示船舶航行器的系统状态向量；y表示船舶航行器的系统输出量；a表示船舶航行器的系统状态矩阵；b表示船舶航行器的系统输入矩阵；c表示船舶航行器的系统输出矩阵；e表示扩张状态矩阵，且e＝[0 0 1]；u表示船舶的前进速度；
33、s32：根据所述扩张状态空间建立扩张状态观测器，所述扩张状态观测器的状态空间方程为
34、
35、式中：z1表示观测器对船舶航向ψ的观测值；z2表示观测器对船舶转艏角速度r的观测值；z3表示观测器对船舶航行过程中的扰动f的观测值；b0表示用于控制器参数调节的设计常数；β1，β2，β3表示用于状态观测器设计的设计参数；δ表示船舶的舵角输入；
36、s33：根据所述扩张状态观测器构建船舶航向保持自抗扰控制律，所述船舶航向保持自抗扰控制律的表达式为
37、
38、式中：δ表示船舶的舵本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S101中建立的所述三自由度船舶运动数学模型具体为
4.根据权利要求2所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S102中所述对三自由度船舶运动数学模型进行浅水修正的表达式为
5.根据权利要求3所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S2中所述船舶线性响应型运动数学模型的表达式为
6.根据权利要求5所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S3包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述S4中具体包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述s1包括以下步骤：
3.根据权利要求2所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述s101中建立的所述三自由度船舶运动数学模型具体为
4.根据权利要求2所述的一种受限水域船舶航向保持及路径跟踪控制方法，其特征在于，所述s...
【专利技术属性】
技术研发人员：张显库，高诗杭，章沪淦，马道成，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
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