CN105825714B - 鲁棒航迹引导律的确定方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种鲁棒航迹引导律的确定方法及装置，该方法包括：根据指令航标点，生成指令航迹曲线；根据船舶的当前位置和所述指令航标点，判断当前航迹区间；根据指令航迹曲线，计算当前航迹区间的航迹偏差；根据所述当前航迹区间的航迹偏差，计算当前航迹区间的指令航向角；根据所述当前航迹区间的指令航向角，计算当前航迹区间的指令横倾角；输出所述指令航向角和所述指令横倾角。本发明将横倾动力学特性纳入鲁棒航迹引导律的确定中来，综合了航向、横倾对船舶航迹的影响，便于在线计算，具有很强的实时性，提高了航迹跟踪过程的适航性与机动性。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理领域，尤其涉及一种鲁棒航迹引导律的确定方法及装置。
背景技术
船舶航行时操纵控制的目的是追求船舶航行的经济性和安全性，这些都要求船舶沿着精确的航向与航迹航行。如船舶在作长距离远洋直航运动时，操控控制系统性能较好的船舶就无需频繁操舵即能维持航向，且航迹也较接近于要求的直线。而操控系统性能较差的船舶则要频繁操舵以纠正航向偏离，其航迹较为曲折，呈现“S”形。这样一方面增加了实际航程，另一方面由于校正航向偏差增加了操纵机械和推进机械的功率消耗。据分析，由于上述原因而增加的功率消耗约占主机功率的2％～3％，而对于部分舵控系统性能较差的船舶此种功耗有时甚至高达20％。
海上解决航迹控制问题一般分为航迹规划、航海计算、引导、航迹控制四个方面。引导问题用于消除航迹偏差使船舶沿预定航线准确航行，因而是解决船舶航迹问题的重中之重。传统的引导问题分为航迹控制和航迹转向两部分，航迹控制又分为航迹开始和航迹结束两个方面。总之，引导过程是一项综合的智能解决问题的过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种鲁棒航迹引导律的确定方法及装置，旨在解决现有技术的鲁棒航迹引导律的计算中没有考虑船舶的横倾动力学特性的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种鲁棒航迹引导律的确定方法，包括：
根据指令航标点，生成指令航迹曲线；
根据船舶的当前位置和所述指令航标点，判断当前航迹区间；
根据指令航迹曲线，计算当前航迹区间的航迹偏差；
根据所述当前航迹区间的航迹偏差，计算当前航迹区间的指令航向角；
根据所述当前航迹区间的指令航向角，计算当前航迹区间的指令横倾角；
输出所述指令航向角和所述指令横倾角。
在此基础上，进一步地，所述船舶为水翼双体船。
在上述任意实施例的基础上，进一步地，所述根据指令航标点，生成指令航迹曲线的步骤，具体为：
根据指令航标点，应用三次多项式回归法，生成指令航迹曲线；
所述指令航迹曲线为：
其中，为航迹变量，和分别为指令航迹曲线上船舶的横坐标和纵坐标；a3、a2、a1、a0为横坐标的线性系数；b3、b2、b1、b0为纵坐标的线性系数。
在此基础上，进一步地，所述航迹偏差为：
其中，
其中，x、y分别是船舶的当前位置的横坐标和纵坐标，ψ是艏摇角，φ是横摇角，u是纵荡速度，v是横荡速度，r是艏摇角速度，p是横摇角速度；β为由于海流干扰导致的运动侧滑角，γp为指令航迹角。
在此基础上，进一步地：
所述指令航向角为：
其中，Δ为前向距离，为侧滑角的估计值；
所述指令横倾角为：
其中，g为重力加速度。
一种鲁棒航迹引导律的确定装置，包括：
航迹曲线生成模块，用于根据指令航标点，生成指令航迹曲线；
航迹区间判断模块，用于根据船舶的当前位置和所述指令航标点，判断当前航迹区间；
航迹偏差计算模块，用于根据指令航迹曲线，计算当前航迹区间的航迹偏差；
指令航向角计算模块，用于根据所述当前航迹区间的航迹偏差，计算当前航迹区间的指令航向角；
指令横倾角计算模块，用于根据所述当前航迹区间的指令航向角，计算当前航迹区间的指令横倾角；
输出模块，用于输出所述指令航向角和所述指令横倾角。
在此基础上，进一步地，所述船舶为水翼双体船。
在上述任意实施例的基础上，进一步地，所述航迹曲线生成模块用于根据指令航标点，应用三次多项式回归法，生成指令航迹曲线；
所述指令航迹曲线为：
其中，为航迹变量，和分别为指令航迹曲线上船舶的横坐标和纵坐标；a3、a2、a1、a0为横坐标的线性系数；b3、b2、b1、b0为纵坐标的线性系数。
在此基础上，进一步地，所述航迹偏差为：
其中，
其中，x、y分别是船舶的当前位置的横坐标和纵坐标，ψ是艏摇角，φ是横摇角，u是纵荡速度，v是横荡速度，r是艏摇角速度，p是横摇角速度；β为由于海流干扰导致的运动侧滑角，γp为指令航迹角。
在此基础上，进一步地：
所述指令航向角为：
其中，Δ为前向距离，为侧滑角的估计值；
所述指令横倾角为：
其中，g为重力加速度。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种鲁棒航迹引导律的确定方法及装置，对于具有航向和横倾两种控制姿态的船舶，将横倾动力学特性纳入其鲁棒航迹引导律的设计中来，综合了航向、横倾对船舶航迹的影响，计算出指令航向角和指令横倾角之后，将这两个指令姿态角送入船舶的自动舵系统中，控制船舶的航向角和横倾角达到指令航向角与指令横倾角。本发明便于在线计算，具有很强的实时性，使得船舶基于鲁棒航迹引导律的引导，即可利用通用的自动舵系统跟踪其指令航迹，优化航迹跟踪精度，提高了航迹跟踪过程的适航性与机动性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1示出了本发明实施例提供的一种鲁棒航迹引导律的确定方法的流程图；
图2示出了本发明实施例提供的一种考虑航向和横倾影响的船舶跟踪控制的运动学示意图；
图3示出了本发明实施例提供的一种鲁棒航迹引导律的确定装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
具体实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种鲁棒航迹引导律的确定方法，包括：
步骤S101，根据指令航标点，生成指令航迹曲线；
步骤S102，根据船舶的当前位置和指令航标点，判断当前航迹区间；
步骤S103，根据指令航迹曲线，计算当前航迹区间的航迹偏差；
步骤S104，根据当前航迹区间的航迹偏差，计算当前航迹区间的指令航向角；
步骤S105，根据当前航迹区间的指令航向角，计算当前航迹区间的指令横倾角；
步骤S106，输出指令航向角和指令横倾角。
指令航标点是船舶在海面航行时设置的一系列关键航标点，包含船舶应该经过的位置坐标。指令航迹曲线是由指令航标点通过拟合方法得出的平滑航迹曲线，船舶按照给定的指令航迹曲线运动。如图2所示，船舶位于坐标(x,y)时所处的当前航迹区间为坐标(xk,yk)和坐标(xk+1,yk+1)两点之间的曲线段，当船舶超出当前航迹区间时，其下一个指令航标点所处的变更航迹区间为(xk+1,yk+1)到(xk+2,yk+2)之间的曲线段。
对于具有航向和横倾两种控制姿态的船舶，本发明实施例将横倾动力学特性纳入其鲁棒航迹引导律的设计中来，综合了航向、横倾对船舶航迹的影响，计算出指令航向角和指令横倾角之后，将这两个指令姿态角送入船舶的自动舵系统中，控制船舶的航向角和横倾角达到指令航向角与指令横倾角。本发明便于在线计算，具有很强的实时性，使得船舶基于鲁棒航迹引导律的引导，即可利用通用的自动舵系统跟踪其指令航迹，优化航迹跟踪精度，提高了航迹跟踪过程的适航性与机动性。在此基础上，进一步地，本发明实施例还可以将回转/横倾耦合影响纳入到鲁棒航迹引导律的设计中来。
本发明实施例对具有航向和横倾两种控制姿态的船舶类型不做限定，船舶航行中会产生横倾，因此本发明实施例适用于具有以上两种控制姿态的所有船型，进一步地，船舶可以为水翼双体船。具有航向和横倾两种控制姿态的船舶，相应的，也具有副翼和柱翼舵两个控制机构从而能够控制该种船舶两个自由度上的姿态。高性能船舶与普通船舶的差别主要体现在：高性能船舶航速较快，船舶在回转运动过程中会产生横倾，对于某些高性能舰船，满舵旋回时的横倾角可达10°左右。水翼双体船集高速双体船和水翼船优点于一身，具有两个片体，其间用甲板和两个或多个水翼连接起来，由水翼提供将船体托出水面的升力，克服了兴波阻力和摩擦阻力对船舶速度的限制，降低了海浪对船体的冲击，较排水量型船有良好的适航性。在水翼双体船高速机动回转过程中，横倾角过大会降低船舶适航性，甚至存在倾覆的危险；若横倾角过小，回转半径就会很大，导致转向机动性变差。因此对于水翼双体船来说，将横倾动力学特性纳入其鲁棒航迹引导律的设计中尤为重要。
本发明实施例对生成指令航迹曲线的方式不做限定，可以为线性拟合或非线性拟合，进一步地，步骤S101可以具体为：
根据指令航标点，应用三次多项式回归法，生成指令航迹曲线；
指令航迹曲线为：
其中，为航迹变量，和分别为指令航迹曲线上船舶的横坐标和纵坐标；a3、a2、a1、a0为横坐标的线性系数；b3、b2、b1、b0为纵坐标的线性系数。
采用三次多项式回归法，相对于高于三次的多项式回归来说，其算法简单、效率较高、所耗费内存较小；相对于一次线性拟合和二次线性拟合来说，其精度更高。
本发明实施例对航迹偏差的确定方式不做限定，进一步地，如图2所示，可以首先建立船舶的运动学方程：
其中，x、y分别是船舶的当前位置的横坐标和纵坐标，ψ是艏摇角，φ是横摇角，u是纵荡速度，v是横荡速度，r是艏摇角速度，p是横摇角速度；
再计算当前航迹区间的航迹偏差ye：
其中，β为由于海流干扰导致的运动侧滑角，γp为指令航迹角。
将横摇角、横档速度、横摇角速度考虑在内，将横倾动力学特性纳入航迹偏差的设计，由此可以计算出纳入横倾动力学特性的航迹偏差ye，在ye的基础上，可以获取其一阶导数：
则：
其中，β为由于海流干扰导致的运动侧滑角。
本发明实施例对所获取的指令航向角和指令横倾角的表达形式不做限定，在此基础上，进一步地，指令航向角可以为：
其中Δ前向距离，为侧滑角的估计值；
将β等效为系统干扰，设计非线性扩张状态观测器对β进行估计：
其中f(z1)为系统中的非线性项，g1(z1)、g2(z1,z2)为非线性扩张状态观测器的非线性增益；计算指令横倾角的过程可以为：
根据船舶协调回转状态下的系统约束：
Mg＝L cosφ，
计算船舶的协调回转条件：
将φ作为虚拟控制输入，则指令横倾角为：
其中g为重力加速度。
本发明实施例纳入了系统干扰的影响，使计算结果更准确、实际参考意义更大。
具体实施例二
如图3所示，本发明实施例提供了一种鲁棒航迹引导律的确定装置，包括：
航迹曲线生成模块201，用于根据指令航标点，生成指令航迹曲线；
航迹区间判断模块202，用于根据船舶的当前位置和指令航标点，判断当前航迹区间；
航迹偏差计算模块203，用于根据指令航迹曲线，计算当前航迹区间的航迹偏差；
指令航向角计算模块204，用于根据当前航迹区间的航迹偏差，计算当前航迹区间的指令航向角；
指令横倾角计算模块205，用于根据当前航迹区间的指令航向角，计算当前航迹区间的指令横倾角；
输出模块206，用于输出指令航向角和指令横倾角。
对于具有航向和横倾两种控制姿态的船舶，本发明实施例将横倾动力学特性纳入其鲁棒航迹引导律的设计中来，综合了航向、横倾对船舶航迹的影响，计算出指令航向角和指令横倾角之后，将这两个指令姿态角送入船舶的自动舵系统中，控制船舶的航向角和横倾角达到指令航向角与指令横倾角。本发明便于在线计算，具有很强的实时性，使得船舶基于鲁棒航迹引导律的引导，即可利用通用的自动舵系统跟踪其指令航迹，优化航迹跟踪精度，提高了航迹跟踪过程的适航性与机动性。在此基础上，进一步地，本发明实施例还可以将回转/横倾耦合影响纳入到鲁棒航迹引导律的设计中来。
本发明实施例对具有航向和横倾两种控制姿态的船舶类型不做限定，船舶航行中会产生横倾，因此本发明实施例适用于具有以上两种控制姿态的所有船型，进一步地，船舶可以为水翼双体船。具有航向和横倾两种控制姿态的船舶，相应的，也具有副翼和柱翼舵两个控制机构从而能够控制该种船舶两个自由度上的姿态。高性能船舶与普通船舶的差别主要体现在：高性能船舶航速较快，船舶在回转运动过程中会产生横倾，对于某些高性能舰船，满舵旋回时的横倾角可达10°左右。水翼双体船集高速双体船和水翼船优点于一身，具有两个片体，其间用甲板和两个或多个水翼连接起来，由水翼提供将船体托出水面的升力，克服了兴波阻力和摩擦阻力对船舶速度的限制，降低了海浪对船体的冲击，较排水量型船有良好的适航性。在水翼双体船高速机动回转过程中，横倾角过大会降低船舶适航性，甚至存在倾覆的危险；若横倾角过小，回转半径就会很大，导致转向机动性变差。因此对于水翼双体船来说，将横倾动力学特性纳入其鲁棒航迹引导律的设计中尤为重要。
本发明实施例对生成指令航迹曲线的方式不做限定，可以为线性拟合或非线性拟合，进一步地，航迹曲线生成模块201可以用于根据指令航标点，应用三次多项式回归法，生成指令航迹曲线；
指令航迹曲线为：
其中，为航迹变量，和分别为指令航迹曲线上船舶的横坐标和纵坐标；a3、a2、a1、a0为横坐标的线性系数；b3、b2、b1、b0为纵坐标的线性系数。
采用三次多项式回归法，相对于高于三次的多项式回归来说，其算法简单、效率较高、所耗费内存较小；相对于一次线性拟合和二次线性拟合来说，其精度更高。
本发明实施例对航迹偏差的确定方式不做限定，进一步地，可以首先建立船舶的运动学方程：
其中，x、y分别是船舶的当前位置的横坐标和纵坐标，ψ是艏摇角，φ是横摇角，u是纵荡速度，v是横荡速度，r是艏摇角速度，p是横摇角速度；
再计算当前航迹区间的航迹偏差ye：
其中，β为由于海流干扰导致的运动侧滑角，γp为指令航迹角。
将横摇角、横档速度、横摇角速度考虑在内，将横倾动力学特性纳入航迹偏差的设计，由此可以计算出纳入横倾动力学特性的航迹偏差ye，在ye的基础上，可以获取其一阶导数：
则：
其中，β为由于海流干扰导致的运动侧滑角。
本发明实施例对所获取的指令航向角和指令横倾角的表达形式不做限定，在此基础上，进一步地，指令航向角可以为：
其中Δ前向距离，为侧滑角的估计值；
将β等效为系统干扰，设计非线性扩张状态观测器对β进行估计：
其中f(z1)为系统中的非线性项，g1(z1)、g2(z1,z2)为非线性扩张状态观测器的非线性增益；计算指令横倾角的过程可以为：
根据船舶协调回转状态下的系统约束：
Mg＝L cosφ，
计算船舶的协调回转条件：
将φ作为虚拟控制输入，则指令横倾角为：
其中g为重力加速度。
本发明实施例纳入了系统干扰的影响，使计算结果更准确、实际参考意义更大。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (6)
1.一种鲁棒航迹引导律的确定方法，其特征在于，包括：
根据指令航标点，生成指令航迹曲线；
具体为：
根据指令航标点，应用三次多项式回归法，生成指令航迹曲线；
所述指令航迹曲线为：
其中，为航迹变量，和分别为指令航迹曲线上船舶的横坐标和纵坐标；a3、a2、a1、a0为横坐标的线性系数；b3、b2、b1、b0为纵坐标的线性系数；
根据船舶的当前位置和所述指令航标点，判断当前航迹区间；
根据指令航迹曲线，计算当前航迹区间的航迹偏差；
其中，所述航迹偏差为：
其中，
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其中，x、y分别是船舶的当前位置的横坐标和纵坐标，ψ是艏摇角，φ是横摇角，u是纵荡速度，v是横荡速度，r是艏摇角速度，p是横摇角速度；β为由于海流干扰导致的运动侧滑角，γp为指令航迹角；
根据所述当前航迹区间的航迹偏差，计算当前航迹区间的指令航向角；
根据所述当前航迹区间的指令航向角，计算当前航迹区间的指令横倾角；
输出所述指令航向角和所述指令横倾角。
2.根据权利要求1所述的鲁棒航迹引导律的确定方法，其特征在于，所述船舶为水翼双体船。
3.根据权利要求1或2所述的鲁棒航迹引导律的确定方法，其特征在于：
所述指令航向角为：
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其中，Δ为前向距离，为侧滑角的估计值；
所述指令横倾角为：
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<mo>=</mo>
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<mo>.</mo>
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其中，g为重力加速度。
4.一种鲁棒航迹引导律的确定装置，其特征在于，包括：
航迹曲线生成模块，用于根据指令航标点，生成指令航迹曲线；
所述航迹曲线生成模块用于根据指令航标点，应用三次多项式回归法，生成指令航迹曲线；
所述指令航迹曲线为：
其中，为航迹变量，和分别为指令航迹曲线上船舶的横坐标和纵坐标；a3、a2、a1、a0为横坐标的线性系数；b3、b2、b1、b0为纵坐标的线性系数；
航迹区间判断模块，用于根据船舶的当前位置和所述指令航标点，判断当前航迹区间；
航迹偏差计算模块，用于根据指令航迹曲线，计算当前航迹区间的航迹偏差；
所述航迹偏差为：
其中，
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</mover>
<mo>=</mo>
<mi>p</mi>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，x、y分别是船舶的当前位置的横坐标和纵坐标，ψ是艏摇角，φ是横摇角，u是纵荡速度，v是横荡速度，r是艏摇角速度，p是横摇角速度；β为由于海流干扰导致的运动侧滑角，γp为指令航迹角；
指令航向角计算模块，用于根据所述当前航迹区间的航迹偏差，计算当前航迹区间的指令航向角；
指令横倾角计算模块，用于根据所述当前航迹区间的指令航向角，计算当前航迹区间的指令横倾角；
输出模块，用于输出所述指令航向角和所述指令横倾角。
5.根据权利要求4所述的鲁棒航迹引导律的确定装置，其特征在于，所述船舶为水翼双体船。
6.根据权利要求4或5所述的鲁棒航迹引导律的确定装置，其特征在于：
所述指令航向角为：
<mrow>
<msub>
<mi>&psi;</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msub>
<mi>&gamma;</mi>
<mi>p</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msup>
<mi>tan</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>y</mi>
<mi>e</mi>
</msub>
<mi>&Delta;</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mover>
<mi>&beta;</mi>
<mo>^</mo>
</mover>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，Δ为前向距离，为侧滑角的估计值；
所述指令横倾角为：
<mrow>
<msub>
<mi>&phi;</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<msup>
<mi>tan</mi>
<mrow>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</msup>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>U</mi>
<mfrac>
<mover>
<msub>
<mi>&psi;</mi>
<mi>d</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mi>g</mi>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
其中，g为重力加速度。
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| Integral LOS Path Following for Curved Paths Based on a Monotone Cubic Hermite Spline Parametrization;Anastasios M et al;《IEEE TRANSACTIONS ON CONTROL SYSTEMS TECHNOLOGY》;20140314;第22卷(第6期);第2287页第2栏、第2288页第1栏、第2290-2292页 * |
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