CN112083651A - 一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法 - Google Patents

一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112083651A
CN112083651A CN202010769907.XA CN202010769907A CN112083651A CN 112083651 A CN112083651 A CN 112083651A CN 202010769907 A CN202010769907 A CN 202010769907A CN 112083651 A CN112083651 A CN 112083651A
Authority
CN
China
Prior art keywords
thrust
unmanned ship
water jet
jet propulsion
pump water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010769907.XA
Other languages
English (en)
Inventor
徐梓京
袁景淇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Jiaotong University
Original Assignee
Shanghai Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Jiaotong University filed Critical Shanghai Jiaotong University
Priority to CN202010769907.XA priority Critical patent/CN112083651A/zh
Publication of CN112083651A publication Critical patent/CN112083651A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/042—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators in which a parameter or coefficient is automatically adjusted to optimise the performance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63H—MARINE PROPULSION OR STEERING
    • B63H11/00—Marine propulsion by water jets
    • B63H11/02—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water
    • B63H11/04—Marine propulsion by water jets the propulsive medium being ambient water by means of pumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63B—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; EQUIPMENT FOR SHIPPING 
    • B63B35/00—Vessels or similar floating structures specially adapted for specific purposes and not otherwise provided for
    • B63B2035/006—Unmanned surface vessels, e.g. remotely controlled

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

本发明提供了一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，包括：根据预先给定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号；设计滑模矢量控制器，通过计算获得完成矢量控制任务所需合力矩和合推力设定值；设计兼顾双泵喷水推进无人艇稳定性、动态响应特性、稳态跟踪精度要求的推力动态分配目标函数，并根据喷水推进无人艇个操纵变量的物理约束对待寻优变量约束的范围进行限定；步骤四，采用已有优化算法求解上述优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号。本发明能实现双泵喷水推进无人艇矢量控制航行任务，可减少传统反馈控制引起的推进泵运动部件磨损，并提升航行过程中的操控性、经济性和安全性。

Description

一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法
技术领域
本发明属于喷水推进无人艇矢量控制领域，涉及一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法。
背景技术
喷水推进技术具有抗空化能力强、吃水浅、操纵性能优越等显著优势，常用的喷水推进无人艇配备有两台左右对称的喷水推进器，由各自轴连的柴油主机提供动力，基于矢量控制操纵方式，在低速航行时可完成原地回转、横移停靠、斜移等矢量航行任务。推力动态分配是实现双泵喷水推进无人艇矢量控制的关键，通过对推力动态分配问题的研究，可提升无人艇综合控制性能，减少推进设备的磨损，提高能源利用效率，同时兼顾喷水推进舰船航行过程中的操控性、经济性和安全性要求。
对于推力动态分配问题的研究主要分为三类：线性二次无约束的推力动态分配问题，线性二次有约束的推力动态分配问题，以及非线性有约束的推力动态分配问题。对于非线性有约束的推力动态分配问题，目前最常用的解决方法是序贯二次规划(SequentialQuadratic Programming，SQP，参见“陈宝林.最优化理论与算法.清华大学出版社,2005.”)算法，是通过循环求解原目标函数的近似二次规划子问题，逼近目标函数最优解的算法。目前无人艇推力动态分配问题的研究主要集中在具有螺旋桨推进器和多回转推进器的无人艇动力定位系统中，对于配备操舵、倒航装置的双泵喷水推进无人艇并未涉及。
经过对现有技术检索后发现，中国专利申请号CN201910436861.7A，公开日2019-10-08，提出了一种水面无人艇路径跟踪控制方法，通过当前无人艇运动的状态信息、位置坐标信息，进行路径点的离散并根据点更新机制进行目标点的更新，根据规划航速和海况估算推进器推力，从而进行推力分配，求得各推进器的执行信号，控制推进器执行指令动作。该专利主要贡献在于提出了一种水面无人艇路径跟踪控制方法，并未涉及具体推力动态分配方法，且求取航行指令方法也较为复杂。
综上，现有公开报道均未涉及具有可实现性喷水推进无人艇推力动态分配优化设计问题，这一空缺有待填补。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述缺陷，提供了一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，包括：
根据选定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号；
设计滑模矢量控制器，根据航行任务指令信号获得对应于选定矢量控制任务的合力矩和合推力设定值；
设计推力动态分配目标函数，并根据双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束对待寻优变量的约束范围进行限定；
采用优化算法求解推力动态分布的优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号。
优选地，所述双泵喷水推进无人艇矢量控制任务包括横移或斜移，所述航行任务指令信号包括当前时刻的纵向速度、横向速度及艏摇角速度的设定值；其中，所述艏摇角速度的设定值为0。
优选地，所述根据选定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号，包括：
基于喷水推进无人艇水平面三自由度航行任务，设横移或斜移任务航行期望重心轨迹为(xd,yd)，无人艇实际重心轨迹为(x,y)，则轨迹跟踪误差(xe,ye)定义为：
xe＝x-xd,ye＝y-yd (1)
基于无人艇轨迹跟踪误差设计虚拟轨迹跟踪控制律，即横向速度设定值ud和纵向速度设定值vd：
Figure BDA0002616197260000021
式(2)中，ψ表示艏摇角，k和C是轨迹跟踪虚拟控制率待定参数，k>0，C>0，由于：
Figure BDA0002616197260000031
代入式(2)可得：
Figure BDA0002616197260000032
式(4)中，u表示无人艇纵向速度，v表示无人艇横向速度；
当无人艇实际速度能够跟踪上速度设定值时，有u-ud＝0及v-vd＝0时，式(4)化简为：
Figure BDA0002616197260000033
选取Lyapunov函数V：
Figure BDA0002616197260000034
求取一阶导数为：
Figure BDA0002616197260000035
公式(7)中，当t趋于无穷大时，轨迹跟踪误差xe(t)和ye(t)趋于0，由此可知所设计的期望速度跟踪回路能够可完成位置跟踪任务；进一步的，参数k越大，跟踪速度越快；参数C越大，纠正轨迹跟踪误差能力越强，但可能产生较大超调，因此需合理设定k、C。
优选地，所述对应于选定矢量控制任务的合力矩和合推力设定值包括：完成既定矢量控制任务所需的纵向推力X、横向推力Y和艏摇力矩N。
优选地，所述滑模矢量控制器对航行任务指令信号进行跟踪，滑模趋近率采用饱和函数。
优选地，所述推力动态分配目标函数兼顾双泵喷水推进无人艇稳定性、动态响应特性和稳态跟踪精度要求；所述双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束包括：正航、倒航时喷水推进器产生的最大推力及最快推力变化速率以及操舵、倒航机构最大转动角度及最快转动角度变化速率；所述待寻优变量是指动态更新的主机转速设定值、操舵角和倒航角设定值。
优选地，所述设计推力动态分配目标函数，并根据双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束对待寻优变量的约束范围进行限定，包括：
考虑双泵喷水推进无人艇水平面三自由度运动形式，完成矢量控制任务所需的合力矩和合推力由两台喷水推进装置上不同操纵变量的组合提供，故具有多解特性；合力矩和合推力τc与两台喷水推进器各自产生的推力F＝(F1,F2)T之间的关系表示为：
τc＝B(α)F (8)
Figure BDA0002616197260000041
式(9)中的B(α)是推力结构矩阵，α1和α2分别是两台喷水推进器的操舵角，xT和yT分别是喷水推进器喷口离无人艇重心的纵向距离和横向距离，求解得到的推力经过换算可得主机转速设定值；因此，获得期望合力矩和合推力的等式约束条件表示为：
B(α)F+s＝τc (10)
式(10)中的s是松弛变量，用于保证等式约束存在可行解；
双泵喷水推进无人艇推力动态分配问题目标函数具体描述如下：
Figure BDA0002616197260000042
式(11)中，J表示待优化的目标函数，i＝1,2是两台喷泵序号，Fi是第i台喷泵推力，Wi|Fi|3/2表示为功率消耗；sTQs是喷水推进系统在合力矩和合推力作用下的输出误差惩罚项，Q＝diag(wX,wY,wN)是惩罚权重，应选择较大的Q以减小合力矩和合推力的输出误差；对操舵、倒航机构转动角度变化量Δα＝α-αp引入二次型惩罚项(α-αp)TΩ(α-αp)，Ω＝diag(w1,w2)是各推进器角度变化量惩罚权重，其中αp是前一时刻角度采样值。
优选地，式(11)中二次型惩罚项(α-αp)TΩ(α-αp)以及无人艇各操纵变量物理约束综合决定了无人艇稳定性和动态响应特性，根据航行指令解析结果，事先确定推力范围及操舵角和倒航角的转动范围，设置推力禁区，避免操舵倒航机构频繁改变转动角度，同时能较快跟踪所述滑模矢量控制器输出的合力矩和合推力设定值。
优选地，双泵喷水推进无人艇稳态跟踪精度由获得期望合力矩和合推力的等式约束条件决定，通过设定权值矩阵Q减小输出误差，提高稳态跟踪精度。
优选地，所述优化算法采用序贯二次规划方法求解推力动态分布的优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号，即两台推进泵主机转速设定值、操舵角和倒航角设定值。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，基于滑模控制计算得到推力动态分配所需合力矩和合推力设定值，具有一定鲁棒性且计算速度较快，采用序贯二次规划方法优化求解推力动态分配最优化问题，结构简单，易于实现。
本发明提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，可以根据需要对推力动态分配问题的目标函数和约束条件进行调整，对实现矢量控制控制精度和经济性的协同优化具有重要意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一优选实施例中双泵喷水推进无人艇横移运动轨迹及姿态示意图；
图2为本发明一优选实施例中横移过程中主机转速动态设定值曲线图；
图3为本发明一优选实施例中横移过程中操舵角动态设定值曲线图；
图4为本发明一优选实施例中所提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法流程图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，该方法完成双泵喷水推进无人艇矢量控制航行任务(横移、斜移)，实现航行经济和控制精度的协调优化。
如图4所示，本发明实施例提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，包括如下步骤：
步骤一，根据预先给定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号；
步骤二，设计滑模矢量控制器，通过计算获得完成矢量控制任务所需合力矩和合推力设定值；
步骤三，设计推力动态分配目标函数，并根据喷水推进无人艇个操纵变量的物理约束对待寻优变量约束的范围进行限定；
步骤四，采用已有优化算法求解上述推力动态分配优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号。
作为一优选实施例，步骤一中，可选定矢量控制任务包括横移和斜移，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号，包括当前时刻纵向速度、横向速度及艏摇角速度。
作为一优选实施例，艏摇角速度的设定值为0。
作为一优选实施例，步骤一，具体包括如下步骤：
基于喷水推进无人艇水平面三自由度航行任务，设横移或斜移任务航行期望重心轨迹为(xd,yd)，无人艇实际重心轨迹为(x,y)，则轨迹跟踪误差(xe,ye)定义为：
xe＝x-xd,ye＝y-yd (1)
基于无人艇轨迹跟踪误差设计虚拟轨迹跟踪控制律，即横向速度设定值ud和纵向速度设定值vd：
Figure BDA0002616197260000061
式(2)中，ψ表示艏摇角，k和C是轨迹跟踪虚拟控制率待定参数，k>0，C>0，由于：
Figure BDA0002616197260000062
代入式(2)可得：
Figure BDA0002616197260000063
式(4)中，u表示无人艇纵向速度，v表示无人艇横向速度；
当无人艇实际速度能够跟踪上速度设定值时，有u-ud＝0及v-vd＝0时，式(4)化简为：
Figure BDA0002616197260000071
选取Lyapunov函数V：
Figure BDA0002616197260000072
求取一阶导数为：
Figure BDA0002616197260000073
公式(7)中，当t趋于无穷大时，轨迹跟踪误差xe(t)和ye(t)趋于0，由此可知所设计的期望速度跟踪回路能够可完成位置跟踪任务；进一步的，参数k越大，跟踪速度越快；参数C越大，纠正轨迹跟踪误差能力越强，但可能产生较大超调，因此需合理设定k、C。
双泵喷水推进无人艇横移和斜移任务中，艏摇角需保持不变，因此艏摇角速度设定值设置为0。
作为一优选实施例，步骤二中，设计滑模矢量控制器，获得对应于选定矢量控制任务的合力矩和合推力设定值包括：完成既定矢量控制任务所需的纵向推力X、横向推力Y和艏摇力矩N。
作为一优选实施例，滑模矢量控制器对航行任务指令信号进行跟踪，滑模趋近率采用饱和函数。
作为一优选实施例，步骤三中，推力动态分配目标函数兼顾双泵喷水推进无人艇稳定性、动态响应特性和稳态跟踪精度要求，并根据喷水推进无人艇个操纵变量的物理约束对待寻优变量约束的范围进行限定。其中：双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束包括：正航、倒航时喷水推进器产生的最大推力及最快推力变化速率以及操舵、倒航机构最大转动角度及最快转动角度变化速率；待寻优变量是指动态更新的主机转速设定值、操舵角和倒航角设定值。
作为一优选实施例，步骤三，具体包括如下步骤：
考虑双泵喷水推进无人艇水平面三自由度运动形式，完成矢量控制任务所需的合力矩和合推力由两台喷水推进装置上不同操纵变量的组合提供，故具有多解特性；合力矩和合推力τc与两台喷水推进器各自产生的推力F＝(F1,F2)T之间的关系可表示为：
τc＝B(α)F (8)
Figure BDA0002616197260000081
式(9)中的B(α)是推力结构矩阵，α1和α2分别是两台喷水推进器的操舵角，xT和yT分别是喷水推进器喷口离无人艇重心的纵向距离和横向距离，求解得到的推力经过换算可得主机转速设定值。因此，获得期望合力矩和合推力的等式约束条件可表示为：
B(α)F+s＝τc (10)
式(10)中的s是松弛变量，用于保证等式约束存在可行解；
喷水推进器操纵变量的物理限制包括正航、倒航时喷水推进器产生的最大推力及及其最快变化速率，操舵、倒航机构最大转动角度及其最快变化速率。双泵喷水推进无人艇推力动态分配问题目标函数具体描述如下：
Figure BDA0002616197260000082
式(11)中的J表示待优化的目标函数，i＝1,2是两台喷泵序号，Fi是第i台喷泵推力，Wi|Fi|3/2表示为功率消耗；sTQs是喷水推进系统在合力矩和合推力作用下的输出误差惩罚项，Q＝diag(wX,wY,wN)是惩罚权重，应选择较大的Q以减小合力矩和合推力的输出误差；对操舵、倒航机构转动角度变化量Δα＝α-αp(αp是前一时刻角度采样值)引入二次型惩罚项(α-αp)TΩ(α-αp)，Ω＝diag(w1,w2)是各推进器角度变化量惩罚权重。
作为一优选实施例，式(11)中二次型惩罚项(α-αp)TΩ(α-αp)以及约束中的物理限制条件综合决定了无人艇稳定性和动态响应特性，根据航行指令解析结果，事先确定推力范围及操舵角和倒航角的转动范围，设置推力禁区，避免操舵倒航机构频繁改变转动角度，同时能较快跟踪滑模矢量控制器输出的合力矩和合推力设定值。
作为一优选实施例，双泵喷水推进无人艇稳态跟踪精度由获得期望合力矩和合推力的等式约束条件决定，见式(11)中sTQs项，通过设定权值矩阵Q减小输出误差，提高稳态跟踪精度。
作为一优选实施例，步骤四中，采用序贯二次规划方法求解上述优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号，即主机转速设定值、操舵角和倒航角设定值。
下面结合附图，以双泵喷水推进无人艇矢量控制横移航行任务为实例，要求实现从静止状态以指定横向速度完成横移任务，对本发明实施例所提供的上述技术方案进一步详细描述。
如图1所示，为本发明实施例中所涉及的双泵喷水推进无人艇横移运动轨迹及姿态示意图。
如图2所示，为本发明实施例中横移过程中主机转速动态设定值曲线图。
如图3所示，为本发明实施例中横移过程中操舵角动态设定值曲线图。
如图4所示，为本发明实施例中所提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法流程图。
本实例提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，具体包括以下步骤：
步骤一、根据选定的矢量控制横移任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号。
选定矢量控制横移任务航行轨迹(xd,yd)，实际无人艇重心轨迹为(x,y)，则轨迹跟踪误差(xe,ye)定义为：
xe＝x-xd,ye＝y-yd (1)
为了将无人艇轨迹跟踪误差考虑进跟踪系统，设计虚拟的轨迹跟踪控制律(即横向速度设定值ud、纵向速度设定值vd)：
Figure BDA0002616197260000091
式中，k>0，C>0，又有：
Figure BDA0002616197260000092
则由式(2)可得：
Figure BDA0002616197260000093
当实际速度能够跟踪上速度设定值时，即u-ud＝0及v-vd＝0时，式(4)为：
Figure BDA0002616197260000101
选取Lyapunov函数为：
Figure BDA0002616197260000102
则其一阶导数为：
Figure BDA0002616197260000103
当t→∞时轨迹跟踪误差xe(t)→0和ye(t)→0。即如果速度跟踪回路能够跟踪上设计的包含轨迹跟踪误差信息的虚拟控制量，则可完成位置跟踪任务。双泵喷水推进无人艇横移任务中，艏摇角需保持不变，因此艏摇角速度设定值设置为0。
步骤二、设计滑模矢量控制器，通过计算获得完成横移任务所需合力矩和合推力设定值。
双泵喷水推进无人艇运动控制模型可表示为：
Figure BDA0002616197260000104
式中，u,v,r分别是船体坐标系下的纵向速度、横向速度、艏摇角速度；ψ是地球坐标系下的舰船艏摇角；mx，my，Jzz是船体附加质量及附加转动惯量；m是船体质量；X，Y，N是船体所受纵向、横向力及力矩；下标P代表推进器所产生的力或力矩，下标S代表船体所受粘性水动力或水动力矩，下标W表示船体所受干扰力或力矩。所用水动力模型参数由1957-ITTC公式计算得到：
Figure BDA0002616197260000105
对纵向速度选取滑模面：
Figure BDA0002616197260000106
式(10)中，λ1>0，ue＝u-ue是纵向速度的跟踪误差。则对此滑模面求导得：
Figure BDA0002616197260000111
前述匀速趋近律在实际应用中可能存在抖动现象，所以使用饱和函数sat(s)取代原符号函数sgn(s)，即选取的趋近律为：
Figure BDA0002616197260000112
其中，Δ1是边界层厚度，ε1>0。即可解得控制量纵向推力控制量为：
Figure BDA0002616197260000113
为了说明使用上述纵向推力控制量时的系统稳定性，选取Lyapunov函数：
Figure BDA0002616197260000114
其一阶导数：
Figure BDA0002616197260000115
由此可得系统的渐进稳定性。对横向速度选取滑模面：
Figure BDA0002616197260000116
式(16)中，λ2>0，ve＝v-ve是横向速度的跟踪误差。则对此滑模面求导得：
Figure BDA0002616197260000117
同样选取饱和函数作为趋近律为：
Figure BDA0002616197260000118
式(18)中，Δ2是边界层厚度，ε2>0。即可解得控制量横向推力控制量为：
Figure BDA0002616197260000121
针对上述横向推力控制律，选取Lyapunov函数：
Figure BDA0002616197260000122
其一阶导数：
Figure BDA0002616197260000123
由此可得双泵喷水推进无人艇的渐进稳定性。
不同于纵向和横向的情况，轨迹跟踪误差信息只反映在期望的纵向及横向速度中，而与期望的艏摇角速度无关。期望艏摇角速度由期望轨迹的运动形式决定，如圆周运动对应的期望艏摇角速度为匀速的，即输入速度控制环的期望艏摇角速度rd由期望轨迹确定(未经虚拟控制器处理)，选取滑模面：
Figure BDA0002616197260000124
式(22)中，λ3>0，re＝r-re是艏摇角速度的跟踪误差。则对此滑模面求导得：
Figure BDA0002616197260000125
同样选取饱和函数作为趋近律为：
Figure BDA0002616197260000126
其中，Δ3是边界层厚度，ε3>0。即可解得控制量横向推力控制量为：
Figure BDA0002616197260000127
针对上述转向力矩控制律，选取Lyapunov函数：
Figure BDA0002616197260000128
其一阶导数：
Figure BDA0002616197260000131
由此可得系统的渐进稳定性。
步骤三、设计兼顾双泵喷水推进无人艇稳定性、动态响应特性、稳态跟踪精度要求的推力动态分配目标函数，并根据喷水推进无人艇个操纵变量的物理约束对待寻优变量约束的范围进行限定。
考虑双泵喷水推进无人艇水平面三自由度运动形式，完成矢量控制任务所需的合力矩和合推力可由两台喷水推进装置上不同操纵变量的组合提供，故具有多解特性。权利要求5中定义的合力矩和合推力τc与两台喷水推进器各自产生的推力F＝(F1,F2)T之间的关系可表示为：
τc＝B(α)F (28)
Figure BDA0002616197260000132
式(29)中的B(α)是推力结构矩阵，α1和α2分别是两台喷水推进器的操舵角，xT和yT分别是喷水推进器喷口离无人艇重心的纵向距离和横向距离，求解得到的推力经过换算可得主机转速设定值。因此，获得期望合力矩和合推力的等式约束条件可表示为：
B(α)F+s＝τc (30)
式(30)中的s是松弛变量，用于保证等式约束存在可行解。
喷水推进器操纵变量的物理限制包括正航、倒航时喷水推进器产生的最大推力及及其最快变化速率，操舵、倒航机构最大转动角度及其最快变化速率。双泵喷水推进无人艇推力动态分配问题目标函数具体描述如下：
Figure BDA0002616197260000133
式(31)中的i＝1,2是两台喷泵序号，Fi是第i台喷泵推力，Wi|Fi|3/2表示为功率消耗；sTQs是喷水推进系统在合力矩和合推力作用下的输出误差惩罚项，Q＝diag(wX,wY,wN)是惩罚权重，应选择较大的Q以减小合力矩和合推力的输出误差；对操舵、倒航机构转动角度变化量Δα＝α-αp(αp是前一时刻角度采样值)引入二次型惩罚项(α-αp)TΩ(α-αp)，Ω＝diag(w1,w2)是各推进器角度变化量惩罚权重。
步骤四、采用序贯二次规划方法求解上述优化问题，获得两台喷水推进器的主机转速设定值、操舵角和倒航角设定值，即喷水推进器的指令信号。
采用序贯二次规划算法求解该非线性有约束最优化问题，将上述最优化问题转化为如下二次规划问题：
Figure BDA0002616197260000141
公式(32)中，Qk是拉格朗日函数在点xk处的Hesse矩阵
Figure BDA0002616197260000142
的近似，拉格朗日函数为：
L＝f(x)-∑μjhj(x)-∑λigi(x)
其中，μ和λ为拉格朗日乘子，求解此二次规划问题所获得迭代方向，并在此迭代方向上进行一维搜索确定步长α，得到最优解xk+1＝xk+αΔx作为原问题的一个近似解，当满足：
Figure BDA0002616197260000143
则xk+1为最优解，否则，以xk+1代替xk，构造新的二次规划问题继续迭代求解。求解的结果为两台喷水推进器的操舵角、倒航角设定值，主机转速由所分配推力折算获得。
本发明上述实施例提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，动态求解得到推力动态分配所需实时合力矩和合推力设定值，具有一定鲁棒性，采用序贯二次规划方法优化求解推力动态分配最优化问题，算法结构简单易于实现；本发明可以根据需要对推力动态分配问题的目标函数和约束条件进行调整，从而可用于矢量控制的控制精度和经济性的协同优化。
本发明上述实施例提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，基于滑模控制计算得到推力动态分配所需合力矩和合推力设定值，具有一定鲁棒性且计算速度较快，采用序贯二次规划方法优化求解推力动态分配最优化问题，结构简单，易于实现。
本发明上述实施例提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，可以根据需要对推力动态分配问题的目标函数和约束条件进行调整，对实现矢量控制控制精度和经济性的协同优化具有重要意义。
本发明上述实施例提供的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，能够实现双泵喷水推进无人艇矢量控制航行任务，可减少传统反馈控制引起的推进泵运动部件磨损，并提升航行过程中的操控性、经济性和安全性。
以上给出的具体实施例是为了说明本发明创造的特征和实施步骤。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，包括：
根据选定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号；
设计滑模矢量控制器，根据航行任务指令信号获得对应于选定矢量控制任务的合力矩和合推力设定值；
设计推力动态分配目标函数，并根据双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束对待寻优变量的约束范围进行限定；
采用优化算法求解推力动态分布的优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号。
2.根据权利要求1所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，所述双泵喷水推进无人艇矢量控制任务包括横移或斜移，所述航行任务指令信号包括当前时刻的纵向速度、横向速度及艏摇角速度的设定值；其中，所述艏摇角速度的设定值为0。
3.根据权利要求2所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，所述根据选定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号，包括：
基于喷水推进无人艇水平面三自由度航行任务，设横移或斜移任务航行期望重心轨迹为(xd,yd)，无人艇实际重心轨迹为(x,y)，则轨迹跟踪误差(xe,ye)定义为：
xe＝x-xd,ye＝y-yd (1)
基于无人艇轨迹跟踪误差设计虚拟轨迹跟踪控制律，即横向速度设定值ud和纵向速度设定值vd：
Figure FDA0002616197250000011
式(2)中，ψ表示艏摇角，k和C是轨迹跟踪虚拟控制率待定参数，k>0，C>0，由于：
Figure FDA0002616197250000012
代入式(2)可得：
Figure FDA0002616197250000021
式(4)中，u表示无人艇纵向速度，v表示无人艇横向速度；
当无人艇实际速度能够跟踪上速度设定值时，有u-ud＝0及v-vd＝0时，式(4)化简为：
Figure FDA0002616197250000022
选取Lyapunov函数V：
Figure FDA0002616197250000023
求取一阶导数为：
Figure FDA0002616197250000024
公式(7)中，当t趋于无穷大时，轨迹跟踪误差xe(t)和ye(t)趋于0，由此可知所设计的期望速度跟踪回路能够可完成位置跟踪任务；其中，参数k越大，跟踪速度越快；参数C越大，纠正轨迹跟踪误差能力越强。
4.根据权利要求1所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，所述对应于选定矢量控制任务的合力矩和合推力设定值包括：完成既定矢量控制任务所需的纵向推力X、横向推力Y和艏摇力矩N。
5.根据权利要求4所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，所述滑模矢量控制器对航行任务指令信号进行跟踪，滑模趋近率采用饱和函数。
6.根据权利要求1所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，所述推力动态分配目标函数兼顾双泵喷水推进无人艇稳定性、动态响应特性和稳态跟踪精度要求；所述双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束包括：正航、倒航时喷水推进器产生的最大推力及最快推力变化速率以及操舵、倒航机构最大转动角度及最快转动角度变化速率；所述待寻优变量是指动态更新的主机转速设定值、操舵角和倒航角设定值。
7.根据权利要求6所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，所述设计推力动态分配目标函数，并根据双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束对待寻优变量的约束范围进行限定，包括：
考虑双泵喷水推进无人艇水平面三自由度运动形式，完成矢量控制任务所需的合力矩和合推力由两台喷水推进装置上不同操纵变量的组合提供，故具有多解特性；合力矩和合推力τc与两台喷水推进器各自产生的推力F＝(F1,F2)T之间的关系表示为：
τc＝B(α)F (8)
Figure FDA0002616197250000031
式(9)中的B(α)是推力结构矩阵，α1和α2分别是两台喷水推进器的操舵角，xT和yT分别是喷水推进器喷口离无人艇重心的纵向距离和横向距离，求解得到的推力经过换算可得主机转速设定值；因此，获得期望合力矩和合推力的等式约束条件表示为：
B(α)F+s＝τc (10)
式(10)中的s是松弛变量，用于保证等式约束存在可行解；
双泵喷水推进无人艇推力动态分配问题目标函数具体描述如下：
Figure FDA0002616197250000032
式(11)中，J表示待优化的目标函数，i＝1,2是两台喷泵序号，Fi是第i台喷泵推力，Wi|Fi|3/2表示为功率消耗；sTQs是喷水推进系统在合力矩和合推力作用下的输出误差惩罚项，Q＝diag(wX,wY,wN)是惩罚权重，选择较大的Q以减小合力矩和合推力的输出误差；对操舵、倒航机构转动角度变化量Δα＝α-αp引入二次型惩罚项(α-αp)TΩ(α-αp)，Ω＝diag(w1,w2)是各推进器角度变化量惩罚权重，其中αp是前一时刻角度采样值。
8.根据权利要求7所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，式(11)中，所述二次型惩罚项(α-αp)TΩ(α-αp)以及无人艇各操纵变量物理约束综合决定了无人艇稳定性和动态响应特性，根据航行指令解析结果，事先确定推力范围及操舵角和倒航角的转动范围，设置推力禁区，避免操舵倒航机构频繁改变转动角度，同时跟踪所述滑模矢量控制器输出的合力矩和合推力设定值。
9.根据权利要求7所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，双泵喷水推进无人艇稳态跟踪精度由获得期望合力矩和合推力的等式约束条件决定，通过设定权值矩阵Q减小输出误差，提高稳态跟踪精度。
10.根据权利要求6所述的双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，其特征在于，所述优化算法采用序贯二次规划方法求解推力动态分布的优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号，即两台推进泵主机转速设定值、操舵角和倒航角设定值。
CN202010769907.XA 2020-08-04 2020-08-04 一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法 Pending CN112083651A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010769907.XA CN112083651A (zh) 2020-08-04 2020-08-04 一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010769907.XA CN112083651A (zh) 2020-08-04 2020-08-04 一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112083651A true CN112083651A (zh) 2020-12-15

Family

ID=73736059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010769907.XA Pending CN112083651A (zh) 2020-08-04 2020-08-04 一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112083651A (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112925316A (zh) * 2021-01-25 2021-06-08 中国船舶工业集团公司第七0八研究所 一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配优化方法
CN113341953A (zh) * 2021-05-17 2021-09-03 集美大学 一种吊舱式无人艇航向控制方法
CN113467253A (zh) * 2021-08-11 2021-10-01 浙江大学 一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法
CN114545823A (zh) * 2022-02-22 2022-05-27 武汉理工大学 一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统
CN115268459A (zh) * 2022-08-12 2022-11-01 中国船舶集团有限公司第七一六研究所 一种基于双喷水推进器无人艇自主靠泊控制方法
CN116577981A (zh) * 2023-04-12 2023-08-11 西南石油大学 一种磁耦合矢量推进的全向驱动水下机器人控制分配方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103324083A (zh) * 2013-06-14 2013-09-25 哈尔滨工程大学 基于鲁棒观测器的非线性船舶运动控制方法
CN108319138A (zh) * 2018-01-29 2018-07-24 哈尔滨工程大学 一种欠驱动无人艇的滑模-反步双回路轨迹跟踪控制方法
CN108845576A (zh) * 2018-06-28 2018-11-20 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法
CN109765910A (zh) * 2019-03-08 2019-05-17 哈尔滨工程大学 一种基于改进差分进化算法的船舶动力定位推力分配方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103324083A (zh) * 2013-06-14 2013-09-25 哈尔滨工程大学 基于鲁棒观测器的非线性船舶运动控制方法
CN108319138A (zh) * 2018-01-29 2018-07-24 哈尔滨工程大学 一种欠驱动无人艇的滑模-反步双回路轨迹跟踪控制方法
CN108845576A (zh) * 2018-06-28 2018-11-20 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于粒子群与序列二次规划结合的推力分配方法
CN109765910A (zh) * 2019-03-08 2019-05-17 哈尔滨工程大学 一种基于改进差分进化算法的船舶动力定位推力分配方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZAIJI PIAO 等: "Research on Sliding Mode Active Disturbance Rejection Control and Thrust Allocation of Dynamic Positioning System", 《2019中国智能自动化大会(CIAC 2019)论文集》 *
刘洋: "舶动力定位的智能控制及推力分配研究", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
徐梓京 等: "海浪干扰下的喷水推进船舶矢量控制策略研究", 《2018中国自动化大会(CAC2018)论文集》 *
杨帆: "欠驱动无人水面船的航迹跟踪控制研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
金超: "DP系统的推力分配优化算法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112925316A (zh) * 2021-01-25 2021-06-08 中国船舶工业集团公司第七0八研究所 一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配优化方法
CN113341953A (zh) * 2021-05-17 2021-09-03 集美大学 一种吊舱式无人艇航向控制方法
CN113341953B (zh) * 2021-05-17 2022-08-26 集美大学 一种吊舱式无人艇航向控制方法
CN113467253A (zh) * 2021-08-11 2021-10-01 浙江大学 一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法
CN113467253B (zh) * 2021-08-11 2024-02-02 浙江大学 一种基于滑模控制和控制分配的无人艇航迹跟踪控制方法
CN114545823A (zh) * 2022-02-22 2022-05-27 武汉理工大学 一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统
CN114545823B (zh) * 2022-02-22 2023-08-29 武汉理工大学 一种用于喷水推进船模航行试验的单手柄矢量控制系统
CN115268459A (zh) * 2022-08-12 2022-11-01 中国船舶集团有限公司第七一六研究所 一种基于双喷水推进器无人艇自主靠泊控制方法
CN115268459B (zh) * 2022-08-12 2024-05-24 中国船舶集团有限公司第七一六研究所 一种基于双喷水推进器无人艇自主靠泊控制方法
CN116577981A (zh) * 2023-04-12 2023-08-11 西南石油大学 一种磁耦合矢量推进的全向驱动水下机器人控制分配方法
CN116577981B (zh) * 2023-04-12 2023-12-01 西南石油大学 一种磁耦合矢量推进的全向驱动水下机器人控制分配方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112083651A (zh) 一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法
CN109189071B (zh) 基于模糊观测器的鲁棒自适应无人船路径跟踪控制方法
CN109283842B (zh) 一种无人艇航迹跟踪智能学习控制方法
JP4339016B2 (ja) 推力配分方法及び推力配分装置
Fossen et al. A survey of control allocation methods for ships and underwater vehicles
CN113093804B (zh) 基于反演滑模控制的无人艇编队控制方法和控制系统
CN108073175A (zh) 基于虚拟艇自适应规划的欠驱动无人艇编队智能控制方法
CN112925316A (zh) 一种双泵喷水推进船舶矢量控制推力分配优化方法
CN108490944B (zh) 一种基于喷水推进器的船艇矢量控制系统及方法
CN116736709B (zh) 一种海洋机器人的动态补偿型自抗扰艏向控制方法
CN112051742A (zh) 一种基于mpc的全驱动船舶航迹跟踪方法
Häusler et al. Cooperative motion planning for multiple autonomous marine vehicles
Liu et al. A hierarchical disturbance rejection depth tracking control of underactuated AUV with experimental verification
CN113359737A (zh) 一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法
CN114609905B (zh) 一种船舶编队事件触发控制方法
CN116048090A (zh) 一种具有能耗优化效应的风帆助航船路径跟踪控制方法
CN113960994A (zh) 一种多无人艇协同航行的s面自适应控制算法
Xie et al. Three-dimensional mobile docking control method of an underactuated autonomous underwater vehicle
Jiang et al. Research on motion attitude control of under-actuated autonomous underwater vehicle based on deep reinforcement learning
Jiang et al. A vector control technology of waterjet propelled crafts using synchronous and mirror-equiangular thrust control strategy
CN117631693A (zh) 一种欠驱动水下机器人轨迹跟踪的分布式预测控制方法
Huang et al. SHSA-based adaptive roll-safety 3D tracking control of a X-Rudder AUV with actuator dynamics
CN209327875U (zh) 无人艇滚转-航向协调增稳控制系统
Chen et al. Improved line-of-sight nonlinear trajectory tracking control of autonomous underwater vehicle exposed to high variable speed ocean currents
US8473119B2 (en) Optimal guidance blender for a hovering/flying vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201215