CN107807069B - 一种海面溢油的自适应跟踪控制方法及其系统 - Google Patents

一种海面溢油的自适应跟踪控制方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种海面溢油的自适应跟踪控制方法及其系统，涉及无人船控制领域，主要包括如下步骤：1)无人船携带传感器，从海面油膜获得溢油浓度；2)根据数据计算得到溢油浓度的模型参数；3)利用基于状态观测器的自适应参数估计和自适应控制率计算求得无人船需要的运动速度和方向，从而驱动无人船自主跟踪油膜扩散锋线；本发明具有实时性、自适应性和鲁棒性，能在不知道油膜扩散‑对流模型参数的情况下实现无人船对溢油锋线的实时跟踪。

Description

一种海面溢油的自适应跟踪控制方法及其系统
技术领域
本发明涉及无人船控制领域，具体涉及一种海面溢油的自适应跟踪控制方法及其系统。
背景技术
无人船技术是一种综合了计算机、控制论、结构学、信息和传感技术，以及人工智能、仿生学到等多学科而形成的高新技术。当前，对于无人船的研究十分活跃并被日益运用到广泛的技术领域当中。因其应用涉及海上的溢油监测，无人船技术越来越受到学术界和工业界的关注。
现有海上溢油监测有三种方法：基于地图构建的方法，基于溢油行为的方法和基于控制的方法。传统基于控制的方法往往难以得到准确的模型参数，存在模型误差。因此溢油监测的自适应控制受到了广泛关注。然而，传统的自适应控制又运算量大且动态性能差。与此同时，由于基于无人船的溢油跟踪控制模型不确定性强，亟需一种高实时性的监测方法。
发明内容
为解决上述现有技术的问题，受近年来自适应控制和最优控制理论发展的启发，本发明提出一种海面溢油的自适应跟踪控制方法，实现无人船对溢油扩散锋线的实时跟踪，具有自适应性、鲁棒性和保证动态性能的特点。
一种海面溢油的自适应跟踪控制方法，方法步骤包括：
1)海面无人船上设置有传感器、扩散-对流模块、状态观测器和运动控制器，通过传感器检测海面油膜，获得溢油浓度数据；
2)基于所述溢油浓度数据，溢油锋线的扩散-对流模块处理得到溢油模型参数，所述溢油模型参数包括溢油浓度的梯度和散度；
3)基于所述溢油模型参数，所述状态观测器通过内含自适应的参数估计模块，结合运动控制器的控制率计算模块，求得无人船的跟踪数据，所述跟踪数据包括运动速率和运动方向，
4)根据所述跟踪数据驱动无人船自主跟踪油膜扩散锋线。
进一步，在步骤2)中，在线地辨识溢油锋线的扩散-对流模型的溢油模型参数。
优选的，溢油锋线扩散-对流模块的处理模型为：
其中，
Figure BDA0001446426110000022
为溢油浓度，
Figure BDA0001446426110000023
和
Figure BDA0001446426110000024
为溢油浓度的梯度和散度；k和v分别表示扩散系数和流场速度矢量，为待测的参数向量。
更优选的，利用参数估计模块通过如下处理方法获得估计的溢油模型参数：
Figure BDA0001446426110000025
在一些优选实施方式中，利用估计模块通过如下处理方程获得估计的溢油模型参数：
Figure BDA0001446426110000026
其中，方程(2)对应一种辅助系统，用于溢油扩散-对流溢油模型参数估计。方程(3)对应另一种辅助系统，且两者的区别在于：方程(3)较方程(2)增加投影项，也就是
Figure BDA0001446426110000027
和
Figure BDA0001446426110000028
两项，和分别表示v和k在各自取值范围凸集上的投影，从而保证了跟踪系统的暂态性能。
Figure BDA00014464261100000211
为是溢油浓度
Figure BDA00014464261100000212
的估计量；
Figure BDA00014464261100000213
和
Figure BDA00014464261100000214
为对k和v的估计量；k1,k2,k3和k4用于调整参数和
Figure BDA00014464261100000216
的收敛速度；k1,k2,k3和k4都大于零。
优选的，在步骤3)中，利用基于状态观测器的控制率计算模块和自适应的参数估计模块，将步骤2)中得到估计的所述溢油模型参数用于无人船状态方程和观测方程。
进一步，无人船状态观测器和无人船运动控制器的处理方程分别为：
Figure BDA00014464261100000217
其中，表示无人船所在位置处流场流速的估计量，g4和g6分别为状态观测器和控制机构的参数，将计算所得到的运动速度量u施加到无人船控制机构后驱动无人船自主跟踪溢油扩散锋线。
同时，本发明还提供一种采用上述自适应跟踪控制方法的海面溢油无人船跟踪控制系统。
本发明综合技术方案及综合效果包括：
本发明对于参数未知的基于无人船的溢油跟踪控制，具有实时性、自适应性和鲁棒性，能在不知道油膜扩散-对流溢油模型参数的情况下实现无人船对溢油锋线的实时跟踪。本发明的系统控制方法兼具自适应和动态性能好的特点，能够使得基于无人船的溢油跟踪控制更能靠，也即在溢油扩散对流模型参数未知的情况下能保证对无人船跟踪的控制 进度和系统稳定性。由于该发明方法控制过程中直接设置了用于控制无人船速度的处理模块，促进在线计算能力，进而保证了对溢油跟踪控制的实时性。
附图说明
图1为本发明海面溢油的自适应跟踪控制方法流程框图。
图2为本发明海面溢油的自适应跟踪控制方法实施例中无人船对溢油扩散锋线自适应控制平面坐标系示意图。
具体实施方式
一种海面溢油的自适应跟踪控制系统及其跟踪控制方法，如图1所示，方法步骤包括：
1)海面无人船上设置有传感器、扩散-对流模块、状态观测器和运动控制器，通过传感器检测海面油膜，获得溢油浓度数据；
2)基于所述溢油浓度数据，溢油锋线的扩散-对流模块处理得到溢油模型参数，所述溢油模型参数包括溢油浓度的梯度和散度；
3)基于所述溢油模型参数，所述状态观测器通过内含自适应的参数估计模块，结合运动控制器的控制率计算模块，求得无人船的跟踪数据，所述跟踪数据包括运动速率和运动方向，
4)根据所述跟踪数据驱动无人船自主跟踪油膜扩散锋线。
在步骤2)中，在线地辨识溢油锋线的扩散-对流模型的溢油模型参数。
图2示出了实现本发明的无人船：
其为一个携带油膜浓度和海流速度传感器的运动速度及运动方向可控的无人船，图2中虚线表示溢油扩散锋线。令xr＝[xr1,xr2]T和τ＝[τr1,τr2]T，其分别对应在全局笛卡尔坐标下和无人船局部坐标下的坐标，θr为无人船偏航角。故无人船的运动模型为：
Figure BDA0001446426110000041
上式中矩阵逆始终存在，故可构造如下关系：
Figure BDA0001446426110000042
两者联立，可得到无人船的一阶线性控制率
Figure BDA0001446426110000043
溢油锋线扩散-对流模块的处理模型为：
Figure BDA0001446426110000044
其中，
Figure BDA0001446426110000045
为溢油浓度，
Figure BDA0001446426110000046
和
Figure BDA0001446426110000047
为溢油浓度的梯度和散度；k和v分别表示扩散系数和流场速度矢量，为待测的参数向量。
利用参数估计模块通过如下两处理方程获得估计的溢油模型参数：
Figure BDA0001446426110000048
Figure BDA0001446426110000049
其中，方程(2)对应一种辅助系统，用于溢油扩散-对流溢油模型参数估计。方程(3)对应另一种辅助系统，且两者的区别在于：方程(3)较方程(2)增加投影项，也就是
Figure BDA0001446426110000051
和
Figure BDA0001446426110000052
两项，
Figure BDA0001446426110000053
和
Figure BDA0001446426110000054
分别表示v和k在各自取值范围凸集上的投影，从而以保证了跟踪系统的暂态性能。
Figure BDA0001446426110000055
为是溢油浓度
Figure BDA0001446426110000056
的估计量；和
Figure BDA0001446426110000058
为对k和v的估计量；k1,k2,k3和k4用于调整参数
Figure BDA0001446426110000059
和
Figure BDA00014464261100000510
的收敛速度；k1,k2,k3和k4都大于零。
在步骤3)中，利用基于状态观测器的控制率计算模块和自适应的参数估计模块，将步骤2)中得到估计的所述溢油模型参数用于无人船状态方程和观测方程。
无人船状态观测器方程和无人船运动控制器的处理方程分别为：
Figure BDA00014464261100000511
Figure BDA00014464261100000512
其中，
Figure BDA00014464261100000513
表示无人船所在位置处流场流速的估计量，g4和g6分别为状态观测器和控制机构的参数，将计算所得到的运动速度量u施加到无人船控制机构后驱动无人船自主跟踪溢油扩散锋线。
虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征能被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式能适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

Claims (4)

1.一种海面溢油的自适应跟踪控制方法，其特征在于，方法步骤包括：
1)海面无人船上设置有传感器、扩散-对流模块、状态观测器和运动控制器，通过传感器检测海面油膜，获得溢油浓度数据；
2)基于所述溢油浓度数据，溢油锋线的扩散-对流模块处理得到溢油模型参数，所述溢油模型参数包括溢油浓度的梯度和散度；
3)基于所述溢油模型参数，所述状态观测器通过内含自适应的参数估计模块，结合运动控制器的控制率计算模块，求得无人船的跟踪数据，所述跟踪数据包括运动速率和运动方向，
4)根据所述跟踪数据驱动无人船自主跟踪油膜扩散锋线；
令xr＝[xr1,xr2]T和τ＝[τr1,τr2]T，其分别对应在全局笛卡尔坐标下和无人船局部坐标下的坐标，θr为无人船偏航角；故无人船的运动模型为：
Figure FDA0002214396890000011
上式中矩阵逆始终存在，故可构造如下关系：
Figure FDA0002214396890000012
两者联立，可得到无人船的一阶线性控制率
Figure FDA0002214396890000013
溢油锋线扩散-对流模块的处理模型为：
Figure FDA0002214396890000014
其中，
Figure FDA0002214396890000015
为溢油浓度，
Figure FDA0002214396890000016
和
Figure FDA0002214396890000017
为溢油浓度的梯度和散度；k和v分别表示扩散系数和流场速度矢量，为待测的参数向量；
利用参数估计模块通过如下处理方法获得估计的溢油模型参数：
或者，利用参数估计模块通过如下处理方法获得估计的溢油模型参数：
Figure FDA0002214396890000021
其中，增加投影项和
Figure FDA0002214396890000023
两项，
Figure FDA0002214396890000024
和
Figure FDA0002214396890000025
分别表示v和k在各自取值范围凸集上的投影，
Figure FDA0002214396890000026
为是溢油浓度
Figure FDA0002214396890000027
的估计量；
Figure FDA0002214396890000028
和
Figure FDA0002214396890000029
为对k和v的估计量；k1,k2,k3和k4用于调整参数
Figure FDA00022143968900000210
和
Figure FDA00022143968900000211
的收敛速度；k1,k2,k3和k4都大于零；
无人船状态观测器方程和无人船运动控制器的处理方程分别为：
Figure FDA00022143968900000212
其中，
Figure FDA00022143968900000214
表示无人船所在位置处流场流速的估计量，g4和g6分别为状态观测器和控制机构的参数，将计算所得到的运动速度量u施加到无人船控制机构后驱动无人船自主跟踪溢油扩散锋线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)中，在线地辨识溢油锋线的扩散-对流模型的溢油模型参数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤3)中，利用基于状态观测器的控制率计算模块和自适应的参数估计模块，将步骤2)中得到估计的所述溢油模型参数用于无人船状态方程和观测方程。
4.一种采用如权利要求1-3中任一项所述海面溢油自适应跟踪控制方法的海面溢油无人船跟踪控制系统。
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