CN112000097B - 一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，解决了传统的人工拖航作业程序繁琐、操纵复杂、风险较大、效率低下，在港区船舶操作性再次降低的弊端，其技术方案要点是包括有以下步骤：根据被拖母船拖航作业目的地，通过开环低通滤波法计算获得一条被拖母船的预期拖航轨迹；确定被拖母船用于循迹的反步法控制器，根据被拖母船当前位置与预期拖航轨迹的偏差计算获得需作用于被拖母船的推力合力；将推力合力计算分配至若干拖船，获得各个拖船所需提供推力大小及方向；各个拖船根据获得的推力大小及方向进行拖航，本发明的一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，能实现港区的自适应控制拖航，拖航更加的高效、智能化。

Description

一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，特别涉及一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法。

背景技术

随着全球航运事业的发展和通航密度的增大，拖航业务也进入繁忙阶段。同时，船舶逐渐向大型化发展，其进出港、靠离码头等特殊工况下，操纵比较困难，需要借助拖轮拖带来协助操船。对于没有自航能力的驳船或者失去自航能力的船舶的海上救助也需要拖带完成。此外，海洋钻井平台的转移同样依赖拖船拖带作业完成。

而传统的人工拖航作业程序繁琐、操纵复杂、风险较大、效率低下，已渐渐不足以应对日益繁多的拖航业务需求，而且在港区中，因为水深交钱，船舶阻尼系数与深水区别很大，船舶操作性再次降低，亟需更加智能高效的拖航作业方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，能实现港区的自适应控制拖航，拖航更加的高效、智能化。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，包括有以下步骤：

根据被拖母船拖航作业目的地，通过开环低通滤波法计算获得一条被拖母船的预期拖航轨迹；

确定被拖母船用于循迹的反步法控制器，根据被拖母船当前位置与预期拖航轨迹的偏差计算获得需作用于被拖母船的推力合力；

将推力合力计算分配至若干拖船，以获得各个拖船所需提供推力大小及方向；

各个拖船根据分配获得的推力大小及方向对被拖母船进行拖航。

作为优选，预期拖航轨迹的计算获取具体为：

通过开环低通滤波法规划出一条被拖母船的拖航轨迹，

其中，P_d(s)为频域下规划出的拖航轨迹，可通过傅里叶变换获得时域下的拖航轨迹；ω_ni与ζ_i分别为被拖母船的固有频率和相对阻尼系数，h_lp(s)为相应的传递函数，s表示在频域下求解。

作为优选，采用反步法控制器，计算需作用于被拖母船的推力合力具体为：

其中，M为被拖母船包含附加质量矩阵的惯性矩阵，C(v)为表示科式力系数，

和

分别表示预期轨迹对时间的一次和二次微分，v＝[u,v,r]^T为被拖母船的速度；R^T(ψ)为转换矩阵的转置，

S(r)为反对称矩阵，

k_p和k为控制增益，e_p、e_v与e为控制器定义的误差项，具体的

e_p＝R^T(ψ)(P_d-P)

e＝e_v+k_pe_p

其中，P＝[x,y,ψ]^T为被拖母船的当前位置；

公式中的

为反步法控制器中针对阻尼系数的自适应项，其自适应更新率为

其中，V＝diag(u,v,r)，

为阻尼系数的预估值,d是假设已知阻尼系数的上限。

作为优选，通过求解最优化问题将推力合力计算分配至若干拖船

J＝min(Bτ-τ_net)

s.t.τ_i≤τ_max

其中，τ_max为拖船的拖力上限，B为配置矩阵。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

通过反步法控制器，能够针对被拖母船在港区的阻尼系数进行自适应控制调整，通过若干拖船，以及被拖母船设定的预期拖航轨迹，能实现高效、稳定且智能化的拖航作业。

附图说明

图1为本方法的流程示意图；

图2为本方法的工作原理图；

图3为被拖母船与若干拖船的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

传统拖航作业多是依靠船长和引航员的经验来现场应变，这种操纵方式很难精确地设定和控制拖航时的航线，同时也可能增加拖航航行的危险。同时，引航员通过传呼机发送指令给多名拖船船长，从指令逐条发送完成到各个拖船完成相应的拖带动作，之间存在着一定的延迟，这样的延迟在日益繁忙的航线和海港中易引发事故。所以，针对传统人工拖航作业无法克服程序繁琐、操纵复杂、风险较大、效率低下等缺点，研究无人拖船集群的协同拖航作业系统对航运业和海洋工程的发展有重大意义。

目前，无人智能体，如无人机、无人船、无人驾驶汽车等，已逐渐应用于工业界和民众生活中。随着无人技术的发展和完善，采用无人拖船代替传统人工操纵拖船进行拖航作业已变得可行。

根据一个或多个实施例，公开了一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，如图1及图2所示，包括有以下步骤：

根据被拖母船拖航作业目的地，通过开环低通滤波法计算获得一条被拖母船的预期拖航轨迹；

确定被拖母船用于循迹的反步法控制器，根据被拖母船当前位置与预期拖航轨迹的偏差计算获得需作用于被拖母船的推力合力；

将推力合力计算分配至若干拖船，以获得各个拖船所需提供推力大小及方向；

各个拖船根据分配获得的推力大小及方向对被拖母船进行拖航。

具体的，预期拖航轨迹的计算获取为：

通过开环低通滤波法规划出一条被拖母船的拖航轨迹，

其中，P_d(s)为频域下规划出的拖航轨迹，可通过傅里叶变换获得时域下的拖航轨迹；ω_ni与ζ_i分别为被拖母船的固有频率和相对阻尼系数，h_lp(s)为相应的传递函数，s表示在频域下求解。

计算需作用于被拖母船的推力合力具体为：

其中，M为被拖母船的惯性矩阵，包含附加质量矩阵；C(v)为表示科式力系数，

和

分别表示预期轨迹对时间的一次和二次微分，v＝[u,v,r]^T为被拖母船的速度。R^T(ψ)为转换矩阵的转置，

S(r)为反对称矩阵，

k_p和k为控制增益，e_p、e_v与e为控制器定义的误差项，具体的

e_p＝R^T(ψ)(P_d-P)

e＝e_v+k_pe_p

其中，P＝[x,y,ψ]^T为被拖母船的当前位置。

公式中的

为反步法控制器中针对阻尼系数的自适应项，其自适应更新率为

其中，V＝diag(u,v,r)，

为阻尼系数的预估值,d是假设已知的阻尼系数的上限。

将上步得到的控制力进行推力分配，得到各个拖船所需提供的推力大小和方向，如图3所示，在被拖母船的周围设置拖船，为图3中的Boat1-4，分别施加f1-f4，进行拖航。即求解最优化问题：

J＝min(Bτ-τ_net)

s.t.τ_i≤τ_max

其中τ_max为拖船的拖力上限，B为配置矩阵。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，其特征是，包括有以下步骤：

根据被拖母船拖航作业目的地，通过开环低通滤波法计算获得一条被拖母船的预期拖航轨迹；预期拖航轨迹的计算获取具体为：

通过开环低通滤波法规划出一条被拖母船的拖航轨迹，

其中，P_d(s)为频域下规划出的拖航轨迹，可通过傅里叶变换获得时域下的拖航轨迹；ω_ni与ζ_i分别为被拖母船的固有频率和相对阻尼系数，h_lp(s)为相应的传递函数，s表示在频域下求解；r₀即轨迹的目标位置；

确定被拖母船用于循迹的反步法控制器，根据被拖母船当前位置与预期拖航轨迹的偏差计算获得需作用于被拖母船的推力合力；

将推力合力计算分配至若干拖船，以获得各个拖船所需提供推力大小及方向；

各个拖船根据分配获得的推力大小及方向对被拖母船进行拖航。

2.根据权利要求1所述的港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，其特征是：计算需作用于被拖母船的推力合力，其中实时更新被拖母船的阻尼系数，具体为

其中，M为被拖母船的惯性矩阵，C(v)为表示科式力系数，

和

分别表示预期轨迹对时间的一次和二次微分，v＝[u，v，r]T为被拖母船在随体坐标系下的速度，分别为纵向速度、横向速度和艏向角速度；R^T(ψ)为转换矩阵的转置，

其中ψ为母船的艏向角，

S(r)为反对称矩阵，

k_p和k为控制增益，e_p、e_v与e为控制器定义的误差项，具体的

e_p＝R^T(ψ)(P_d-P)

e＝e_v+k_pe_p

其中，P＝[x，y，ψ]^T为被拖母船在大地坐标系下的当前位置，x和y表示母船的地理坐标，ψ为母船的艏向角；

公式中的

为反步法控制器中针对阻尼系数的自适应项，其自适应更新率为

其中，V＝diag(u，v，r)，

为阻尼系数的预估值，d是假定已知阻尼系数的上限。

3.根据权利要求1所述的港区无人拖航作业的拖船集群自适应控制方法，其特征是：通过求解最优化问题将推力合力计算分配至若干拖船

J＝min(Bτ-τ_net)

s.t.τ_i≤τ_max

其中τ_i为第i个拖轮所产生的拖力，τ_max为各个拖船的拖力上限，τ_net为待分配的拖力合力，B为拖船的配置矩阵，τ为拖船拖力，即τ＝[τ₁，τ₂，....，τ_n]，n为拖轮的个数。

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