CN111651943A - 一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质 - Google Patents

一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质 Download PDF

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CN111651943A CN202010492065.8A CN202010492065A CN111651943A CN 111651943 A CN111651943 A CN 111651943A CN 202010492065 A CN202010492065 A CN 202010492065A CN 111651943 A CN111651943 A CN 111651943A
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Abstract

本发明涉及一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质，该方法中包括：当船舶远离桥墩时，船舶运动控制方程中的扰动力和力矩不含有岸壁效应。当船舶遇到桥涵标时，桥墩对船舶产生岸壁效应，船舶运动控制方程中的扰动力和力矩增加岸壁效应产生的力和力矩。并通过一系列验证证明闭环系统是一致最终有界的。并且在不同的输入延迟下，船舶可以自行调整并快速到达所需位置。

Description

一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质
技术领域
本发明涉及船舶控制领域，尤其涉及一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质。
背景技术
对在桥区航行的助航标志，国际航标协会(IALA)推荐通航桥孔左右侧标志灯光采用红色的或绿色的节奏航标灯去标出可通行航道的界限。桥墩警示标志是十分重要的助航标志，对于保障船舶航行安全起到重要的作用。桥墩警示标志可以标志桥墩的位置，尤其在夜晚，视觉条件不好的情况下，如果缺少桥墩警示标志，船舶很容易误撞桥墩，造成安全事故。由于当船舶遇到桥涵标时，桥墩会对船舶产生岸壁效应，而现有技术中并未对船舶的岸壁效应进行研究。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种船舶运动控制方法、终端设备及存储介质。
具体方案如下：
一种船舶运动控制方法，包括：
当船舶与桥涵标之间的距离小于距离阈值时，构建增加了岸壁效应影响的船舶运动控制方程，通过自适应滑模控制模型来对船舶的运动进行控制；
所述船舶运动控制方程为：
Figure BDA0002521439500000011
Figure BDA0002521439500000021
τ(t)＝RM-1τ1
其中，f(t)表示模型动力学方程；τ(t)表示控制输入；η表示船舶的位置和姿态矢量；
Figure BDA0002521439500000022
表示η的一阶导数；
Figure BDA0002521439500000023
表示η的二阶导数；t表示时间；τ1表示控制力和力矩的矢量；M表示惯性矩阵；D表示线性流体动力阻尼矩阵；τω表示包含岸壁效应产生的力和力矩的外部环境干扰；R表示旋转矩阵；
Figure BDA0002521439500000024
表示R的一阶导数；
所述自适应滑模控制模型中控制率为：
Figure BDA0002521439500000025
Figure BDA0002521439500000026
Figure BDA0002521439500000027
其中，ηd表示期望状态；
Figure BDA0002521439500000028
表示状态误差；
Figure BDA0002521439500000029
为λ的估计值；
Figure BDA00025214395000000210
为估计误差；
Figure BDA00025214395000000211
表示
Figure BDA00025214395000000212
的一阶导数；c2、c3、λ均为系数参数；
Figure BDA00025214395000000213
表示
Figure BDA00025214395000000214
的一阶导数；
Figure BDA00025214395000000215
表示
Figure BDA00025214395000000216
的二阶导数；函数sgn表示符号函数；s(t)表示滑动模态曲面函数，h表示延迟时间；||.||表示范数。
进一步的，所述外部环境干扰τω包括风扰动、流扰动、浪扰动和岸壁效应。
进一步的，所述岸壁效应产生的垂直岸壁的力和力矩分别为：
Figure BDA00025214395000000217
Figure BDA00025214395000000218
其中，CY表示垂直岸壁的力；CN表示垂直岸壁的力矩；ρ表示水的密度；Cb是方形系数；d表示吃水量；h表示水深；L表示船的长度；B表示船的宽度；η0表示船宽与船岸距离之比。
一种船舶运动控制终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述的方法的步骤。
本发明采用如上技术方案，提出了一种考虑岸壁效应的船舶自适应滑模控制方法。当船舶远离桥墩时，船舶运动控制方程中的扰动力和力矩不含有岸壁效应。当船舶遇到桥涵标时，桥墩对船舶产生岸壁效应，船舶运动控制方程中的扰动力和力矩增加岸壁效应产生的力和力矩。并通过一系列验证证明闭环系统是一致最终有界的。并且在不同的输入延迟下，船舶可以自行调整并快速到达所需位置。
附图说明
图1所示为本发明实施例一中的船舶运动数学模型示意图。
图2所示为该实施例中岸壁效应受力示意图。
图3所示为该实施例中船舶位置姿态响应曲线。
图4所示为该实施例中船舶速度和角速度响应曲线。
图5所示为该实施例中控制输入曲线。
图6所示为该实施例中位置姿态响应曲线(
Figure BDA0002521439500000031
特征值为10)。
图7所示为该实施例中速度响应曲线(
Figure BDA0002521439500000041
特征值为10)。
图8所示为该实施例中位置姿态响应曲线(
Figure BDA0002521439500000042
特征值为0.1)。
图9所示为该实施例中位置姿态响应曲线(
Figure BDA0002521439500000043
特征值为0.1)。
图10所示为该实施例中前进位置响应曲线(τ＝30)。
图11所示为该实施例中前进位置响应曲线(τ＝10)。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一：
本发明实施例提供了一种船舶运动控制方法，具体过程为：
1.构建船舶运动模型
以海岸上的固定观测点为原点O，正东向为X轴，正北向为Y轴构建坐标系。考虑到纵荡、横摆和偏航三自由度运动，运动模型如图1所示，其中，η表示船舶的位置和姿态矢量；υ表示船的速度矢量；u表示以m/s为单位的前进速度；v表示以m/s为单位的横荡速度；r表示以rad/s为单位的艏摇角速度；x表示以m为单位的前进方向位置；y表示以m为单位的横荡方向位置；ψ表示以rad为单位的艏摇角度。
船舶运动的数学模型如下：
Figure BDA0002521439500000051
η＝[x y ψ]T (2)
υ＝[u v r]T (3)
式中R为旋转矩阵，计算如下:
Figure BDA0002521439500000052
船舶运动方程为：
Figure BDA0002521439500000053
其中，τ1表示控制力和力矩的矢量；M表示惯性矩阵；D表示线性流体动力阻尼矩阵；τω表示外部环境干扰，包括风、流、浪和船带相互作用效应。
由(3)式可得:
Figure BDA0002521439500000054
对(1)求导可得:
Figure BDA0002521439500000055
将(6)代入(7)可得
Figure BDA0002521439500000056
由(1)式可得:
Figure BDA0002521439500000057
将(9)代入(8)可得:
Figure BDA0002521439500000058
设
Figure BDA0002521439500000059
τ(t)＝RM-1τ1 (12)
(10)式可写成:
Figure BDA0002521439500000061
2.构建扰动模型
该实施例中的扰动包括风、流、浪和岸壁效应。
(1)风扰动
根据Isherwood的研究，风扰动的力和力矩可以计算如下：
Figure BDA0002521439500000062
式中，CX,CY表示风系数；CN表示风力矩系数；Af表示水线上方的投影区域；As表示侧面的投影区域；Loa表示船的总长度；ρa表示空气密度。
(2)流扰动
洋流作用在船舶上的力和力矩可计算如下：
Figure BDA0002521439500000063
式中，Fcx,Fcy表示流产生的纵向力和横向力；Nc是流产生的时刻；Vc表示流的速度；Afw表示船舶在水下的正投影面积；Asw表示船舶在水下的侧投影面积；L表示船舶水线的长度；β表示漂移角；ρ表示海水的密度；Cx,Cy,Cn分别表示纵向流力系数、横向流力系数和力矩系数。
(3)浪扰动
波浪扰动产生的力和力矩可计算如下：
Figure BDA0002521439500000071
其中，a表示平均波幅；χ表示遭遇角；Cxw,Cyw,Cnw分别表示纵波漂移力、横波漂移力和力矩系数；λ是波的长度。
(3)岸壁效应
船舶在航道岸边或桥墩附近航行时，岸边水流加速，压力降低，这就产生了使船靠近河岸的附加力，这个力设为岸吸力，岸吸力可能使船触碰海岸。同时，还有一个时刻使船头偏离岸边，即岸推力矩。岸吸力和岸推力矩通常称为岸壁效应。垂直墙的岸壁效应如图2所示。
垂直岸壁的力和力矩用Norrbin公式计算
Figure BDA0002521439500000072
Figure BDA0002521439500000073
其中，CY表示垂直岸壁的力；CN表示垂直岸壁的力矩；ρ表示水的密度；Cb是方形系数；d表示吃水量；h表示水深；L表示船的长度；B表示船的宽度；η0表示船宽与船岸距离之比。
3.构建自适应滑模控制模型
设ηd为期望状态、
Figure BDA0002521439500000074
为状态误差：
Figure BDA0002521439500000075
构造以下滑动模态曲面函数：
Figure BDA0002521439500000076
式中，c3＞0,c2＞0.
由(20)式可得:
Figure BDA0002521439500000081
对(21)求导可得:
Figure BDA0002521439500000082
由(21)式可得:
Figure BDA0002521439500000083
将(19)代入(23)可得:
Figure BDA0002521439500000084
将(13)代入(24)可得:
Figure BDA0002521439500000085
构造控制律如下:
Figure BDA0002521439500000086
式中，λ＞0。
由(13)并考虑到h＞0，可得：
Figure BDA0002521439500000087
将(27)代入(26)可得:
Figure BDA0002521439500000088
将(26)代入(25)可得:
Figure BDA0002521439500000089
将(26)代入(27)可得:
Figure BDA0002521439500000091
由(26)并考虑到h＞0，可得：
Figure BDA0002521439500000092
将(31)代入(30)可得:
Figure BDA0002521439500000093
将(32)代入(22)可得:
Figure BDA0002521439500000094
设
Figure BDA0002521439500000095
Figure BDA0002521439500000096
(33)可写成：
Figure BDA0002521439500000097
可得：
Figure BDA0002521439500000098
将(37)代入(36)可得:
Figure BDA0002521439500000101
设
Figure BDA0002521439500000102
为λ的估计值、
Figure BDA0002521439500000103
为估计误差：
Figure BDA0002521439500000104
Figure BDA0002521439500000105
构造自适应控制律如下：
Figure BDA0002521439500000106
下面对该模型进行稳定性分析
基于Lyapunov稳定性理论，验证具有输入时滞的船舶运动学方程(13)和自适应滑模控制器(26)和(41)，系统的跟踪误差收敛，系统具有一致最终有界。
验证方法如下：
构造一个Lyapunov-Krasovsky函数：
Figure BDA0002521439500000107
式中，
Figure BDA0002521439500000108
c1,c2,c3＞0。
对(42)求导可得:
Figure BDA0002521439500000109
将(38)代入(43)可得:
Figure BDA0002521439500000111
由(20)可得：
Figure BDA0002521439500000112
将(43)代入(42)可得:
Figure BDA0002521439500000113
将(36)代入(46)可得:
Figure BDA0002521439500000114
基于Lyapunov-Razumikhin，对于Lyapunov函数，如下不等式成立：
Figure BDA0002521439500000115
将(42)代入(48)可得:
Figure BDA0002521439500000116
将(45)代入(49)可得:
Figure BDA0002521439500000117
设
Figure BDA0002521439500000121
下式成立:
Figure BDA0002521439500000122
Figure BDA0002521439500000123
Figure BDA0002521439500000124
将(52),(53),(54)代入(57)可得:
Figure BDA0002521439500000131
将(48)、(49)代入(43)可得:
Figure BDA0002521439500000132
设
Figure BDA0002521439500000133
Figure BDA0002521439500000141
将(56),(57),(58)代入(45)可得:
Figure BDA0002521439500000142
将(32)、(41)代入(59)可得:
Figure BDA0002521439500000143
设
Ξ＝(1+β)[-λ(t-h)sgn(s(t-h))+λsgn(s)] (61)
将(35)、(60)代入(59)可得:
Figure BDA0002521439500000144
设
Figure BDA0002521439500000145
选择足够大的λ值，使以下不等式成立：
||Δ||≤λ (64)
将(63)代入(62)可得:
Figure BDA0002521439500000151
由(40)可得:
Figure BDA0002521439500000152
将(39),(66)代入(65)可得:
Figure BDA0002521439500000153
将(64)代入(67)可得:
Figure BDA0002521439500000154
将(41)代入(68)可得:
Figure BDA0002521439500000155
式中，
Figure BDA0002521439500000156
是
Figure BDA0002521439500000157
的最小特征值。
将(20)代入(69)可得:
Figure BDA0002521439500000161
基于Lyapunov稳定性理论，系统是一致最终有界的。
实验分析
为了验证输入时滞船舶自适应滑模控制算法的控制效果，该实施例中采用船舶实验，其主要参数见表1。
表1
Figure BDA0002521439500000162
惯性矩阵为
Figure BDA0002521439500000163
流体动力阻尼矩阵为
Figure BDA0002521439500000164
该实施例中以厦门海沧大桥为研究对象，对该船进行了实验研究。海沧大桥东航道大桥桥面宽34米，通航船舶5万吨。
实验在Intel(R)Core(TM)i3-4150T CPU@3.00GHz 3.00GHz、64位操作系统(4.00GB内存)和基于x64的处理器上进行。系统的初始位置是(-20米，-20米)。系统的初始偏航角为0.1度。初始前进速度为5m/s，初始横荡速度为1m/s，初始角速度为0.01°/s，系统的理想位置为(0m，0m)。系统的期望偏航角为0度。期望的前进速度为0m/s。期望的横荡速度为0m/s。初始角速度为0度/s。参数设置为：h＝100、μ0＝0.01、
Figure BDA0002521439500000171
图3显示了船舶位置和姿态的响应曲线。水平轴表示以秒为单位的时间。上子图中的纵轴表示前进位置，单位为米。中间子图中的纵轴表示以米为单位的横荡位置。下子图中的纵轴表示以度为单位的偏航角。
图4显示了船舶的速度和角速度响应曲线。水平轴以秒为单位表示时间。上子图纵轴以m/s为单位表示前进速度，中间子图纵轴以m/s为单位表示横荡速度，下子图纵轴以度/s为单位表示艏摇角速度。
图5示出了船舶的控制输入响应曲线。水平轴表示以秒为单位的时间。纵轴以米为单位表示位移。水平轴表示以秒为单位的时间。上子图中的纵轴表示前进输入力，单位为N；中子图中的纵轴表示横荡输入力，单位为N；下子图中的纵轴表示艏摇力矩，单位为N.m。
图3-5显示了自适应滑模控制能够使目标达到期望的位置和姿态。
(3)控制参数比较
为了验证该算法的有效性，比较了该算法在不同控制参数下的控制效果。在实验中，分别取
Figure BDA0002521439500000172
和
Figure BDA0002521439500000173
其余参数保持不变。
图6是闭环控制系统在
Figure BDA0002521439500000174
情况下的响应曲线。水平轴表示以秒为单位的时间。上子图中的纵轴表示前进位置，单位为米。中间子图中的纵轴表示以米为单位的横荡位置。下子图中的纵轴表示以度为单位的艏摇角。
图7中的水平轴表示以秒为单位的时间。上子图纵轴以m/s为单位表示前进速度，中子图纵轴以m/s为单位表示横荡速度，下子图纵轴以度/s为单位表示艏摇角角速度。
图8是闭环控制系统的响应曲线。水平轴表示以秒为单位的时间。设
Figure BDA0002521439500000181
上子图中的纵轴表示前进位置，单位为米。中间子图中的纵轴表示以米为单位的横荡位置。下子图中的纵轴表示以度为单位的艏摇角。
图9中的水平轴表示以秒为单位的时间。上子图纵轴以m/s为单位表示前进速度，中子图纵轴以m/s为单位表示横荡速度，下子图纵轴以度/s为单位表示艏摇角速度。
图6-9表明，当控制参数较小时，系统超调量较小，系统调节时间较长。当控制参数较大时，系统超调明显，系统调整时间短。因此，可以根据实际情况选择不同的控制参数。
(4)输入时延的影响分析
为了验证本实施例中算法的有效性，比较了该算法在不同输入延迟下的控制效果。在上述实验中，分别取τ＝30和τ＝10，其余参数保持不变。
图10是前进位置的响应曲线，τ＝30。水平轴表示以秒为单位的时间。纵轴以米为单位表示前进位置。
图11是前进位置的响应曲线。令τ＝10。水平轴表示以秒为单位的时间。纵轴以米为单位表示前进位置。
由图10和图11可知，当输入延迟长时，系统以更高的超调达到其期望位置所需的时间更长。当输入延迟较小时，系统以较低的超调量达到期望位置所需的时间较短。在不同的输入延迟下，船舶可以自行调整并快速到达所需位置。
本发明实施例一提出了一种考虑岸壁效应的输入时滞船舶的自适应滑模控制方法。当船舶远离桥墩时，船舶运动控制方程中的扰动力和力矩不含有岸壁效应。当船舶遇到桥涵标时，桥墩对船舶产生岸壁效应，船舶运动控制方程中的扰动力和力矩增加岸壁效应产生的力和力矩。基于Lyapunov-Razumikhin函数证明了闭环系统是一致最终有界的。
本实施例分析比较了不同控制参数对控制效果的影响。结果表明，当控制参数较小时，系统超调量较小，但调节时间较长。当控制参数较大时，系统超调明显，但可以缩短系统的调整时间。
对不同输入时滞的影响分析表明，当输入时滞较长时，系统以较高的超调量达到期望位置所需的时间较长。当输入延迟较小时，系统以较低的超调量达到期望位置所需的时间较短。在不同的输入延迟下，船舶可以自行调整并快速到达所需位置。
实施例二：
本发明还提供一种船舶运动控制终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一的上述方法实施例中的步骤。
进一步地，作为一个可执行方案，所述船舶运动控制终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述船舶运动控制终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述船舶运动控制终端设备的组成结构仅仅是船舶运动控制终端设备的示例，并不构成对船舶运动控制终端设备的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述船舶运动控制终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等，本发明实施例对此不做限定。
进一步地，作为一个可执行方案，所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述船舶运动控制终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个船舶运动控制终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述船舶运动控制终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述方法的步骤。
所述船舶运动控制终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)以及软件分发介质等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种船舶运动控制方法，其特征在于，包括：
当船舶与桥涵标之间的距离小于距离阈值时，构建增加了岸壁效应影响的船舶运动控制方程，通过自适应滑模控制模型来对船舶的运动进行控制；
所述船舶运动控制方程为：
Figure FDA0002521439490000011
Figure FDA0002521439490000012
τ(t)＝RM-1τ1
其中，f(t)表示模型动力学方程；τ(t)表示控制输入；η表示船舶的位置和姿态矢量；
Figure FDA0002521439490000013
表示η的一阶导数；
Figure FDA0002521439490000014
表示η的二阶导数；t表示时间；τ1表示控制力和力矩的矢量；M表示惯性矩阵；D表示线性流体动力阻尼矩阵；τω表示包含岸壁效应产生的力和力矩的外部环境干扰；R表示旋转矩阵；
Figure FDA0002521439490000015
表示R的一阶导数；
所述自适应滑模控制模型中控制率为：
Figure FDA0002521439490000016
Figure FDA0002521439490000017
Figure FDA0002521439490000018
其中，ηd表示期望状态；
Figure FDA0002521439490000019
表示状态误差；
Figure FDA00025214394900000110
为λ的估计值；
Figure FDA00025214394900000111
为估计误差；
Figure FDA00025214394900000112
表示
Figure FDA00025214394900000113
的一阶导数；c2、c3、λ均为系数参数；
Figure FDA00025214394900000114
表示
Figure FDA00025214394900000115
的一阶导数；
Figure FDA00025214394900000116
表示
Figure FDA00025214394900000117
的二阶导数；函数sgn表示符号函数；s(t)表示滑动模态曲面函数，h表示延迟时间；||.||表示范数。
2.根据权利要求1所述的船舶运动控制方法，其特征在于：所述外部环境干扰τω包括风扰动、流扰动、浪扰动和岸壁效应。
3.根据权利要求1所述的船舶运动控制方法，其特征在于：所述岸壁效应产生的垂直岸壁的力和力矩分别为：
Figure FDA0002521439490000021
Figure FDA0002521439490000022
其中，CY表示垂直岸壁的力；CN表示垂直岸壁的力矩；ρ表示水的密度；Cb是方形系数；d表示吃水量；h表示水深；L表示船的长度；B表示船的宽度；η0表示船宽与船岸距离之比。
4.一种船舶运动控制终端设备，其特征在于：包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～3中任一所述方法的步骤。
5.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～3中任一所述方法的步骤。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112083654A (zh) * 2020-09-16 2020-12-15 交通运输部东海航海保障中心连云港航标处 一种航标船抗干扰轨迹跟踪控制方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101781146B1 (ko) * 2016-04-18 2017-09-22 (주)세이프텍리서치 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법
CN108563130A (zh) * 2018-06-27 2018-09-21 山东交通学院 一种欠驱动船舶自适应神经网络自动靠泊控制方法，设备及介质
CN109917657A (zh) * 2019-04-15 2019-06-21 鲁东大学 动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备
CN110320805A (zh) * 2019-07-19 2019-10-11 山东交通学院 一种船舶自动靠泊非线性神经网络控制方法及系统
CN110794843A (zh) * 2019-11-15 2020-02-14 山东交通学院 基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101781146B1 (ko) * 2016-04-18 2017-09-22 (주)세이프텍리서치 계수 추정법을 이용한 실시간 선박 전복방지 시스템 및 방법
CN108563130A (zh) * 2018-06-27 2018-09-21 山东交通学院 一种欠驱动船舶自适应神经网络自动靠泊控制方法，设备及介质
CN109917657A (zh) * 2019-04-15 2019-06-21 鲁东大学 动力定位船舶的抗干扰控制方法、装置与电子设备
CN110320805A (zh) * 2019-07-19 2019-10-11 山东交通学院 一种船舶自动靠泊非线性神经网络控制方法及系统
CN110794843A (zh) * 2019-11-15 2020-02-14 山东交通学院 基于观测器的非线性船舶时滞动力定位船鲁棒镇定系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
薛晗，邵哲平，潘家财，方琼林: "基于线性矩阵不等式的船舶动力定位滑模控制", 《交通运输工程学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112083654A (zh) * 2020-09-16 2020-12-15 交通运输部东海航海保障中心连云港航标处 一种航标船抗干扰轨迹跟踪控制方法
CN112083654B (zh) * 2020-09-16 2022-09-16 交通运输部东海航海保障中心连云港航标处 一种航标船抗干扰轨迹跟踪控制方法

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