CN113253720B - 一种船舶航向控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船舶航向控制方法及系统，其中控制方法包括：步骤S1，根据外部的用户指令获取船舶的目标航向；步骤S2，获取船舶的当前运行状态；步骤S3，将当前运行状态传输至基于逆最优控制设计的逆最优控制器，形成最优舵角控制指令；步骤S4，根据最优舵角控制指令控制船舶的舵机，而后返回步骤S2。通过本技术方案，能够将逆最优控制应用于船舶航向控制技术领域，针对船舶航向控制中可能存在的不同理想场景和实际应用场景，设计了与之对应的最优控制器，使得控制船舶的运行航向在尽可能靠向目标航向的基础上，使得控制所需的能量消耗尽可能的少，达到一种综合最优的控制。

Description

一种船舶航向控制方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种船舶航向控制方法及系统。
背景技术
为了保障船舶在海上航行的安全性、操纵性和经济性，航向控制是船舶控制领域中一个重要研究课题。船舶运动本质上是非线性的，且其动态特性取决于船型、船速、水深、负载、吃水等许多因素，这些因素造成船舶动态模型参数偏离于标称值。因而，船舶航向控制器应该基于非线性控制理论来设计，且必须具有对模型参数摄动的鲁棒性。
在目前的现有技术研究领域中，在船舶的航向控制中并未考虑优化问题。最优控制是指设计最优控制器使得某个指标达到最优，而涉及船舶航向控制的非线性系统最优控制一般需要归结为求解一类Hamilton-Jacobi-Isaacs(HJI)偏微分方程问题，容易出现难以求解甚至无解的情况。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种用户标签权重评估方法，具体技术方案如下所示：
一种船舶航向控制方法，包括：
步骤S1，根据外部的用户指令获取船舶的目标航向；
步骤S2，获取船舶的当前运行状态；
步骤S3，将当前运行状态传输至基于逆最优控制设计的最优控制器，形成最优舵角控制指令；
步骤S4，根据最优舵角控制指令控制船舶的舵机，而后返回步骤S2。
优选的，该种船舶航向控制方法，其中当前运行状态包括船舶的当前航向、船舶的当前外部航行干扰和船舶的操作性参数。
优选的，该种船舶航向控制方法，其中船舶的基本航向控制模型为：
Figure BDA0003024152840000021
Figure BDA0003024152840000022
其中：
ψ为船舶的当前航向，
Figure BDA0003024152840000023
为船舶的当前航向角速度，
Figure BDA0003024152840000024
为船舶的当前航向角加速度；
δ为舵角控制指令；
Figure BDA0003024152840000025
为船舶的当前航向角速度的非线性函数，α和β均为常数；
K和T均为船舶的操作性参数；
d(t)为船舶的当前外部航行干扰。
优选的，该种船舶航向控制方法，其中在船舶的操作性参数T和K以及常数α和β均为已知常数，且船舶的当前外部航行干扰为零的情况下，最优控制器为：
Figure BDA0003024152840000026
Figure BDA0003024152840000027
Figure BDA0003024152840000028
Figure BDA0003024152840000029
其中：
ψ为船舶的当前航向，ψr为船舶的目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数。
优选的，该种船舶航向控制方法，其中在船舶的操作性参数T和K以及常数α和β中的任意一项为未知常数，且船舶的当前外部航行干扰为零的情况下，最优控制器为：
Figure BDA0003024152840000031
Figure BDA0003024152840000032
Figure BDA0003024152840000033
Figure BDA0003024152840000034
Figure BDA0003024152840000035
Figure BDA0003024152840000036
其中：
ψ为船舶的当前航向，ψr为船舶的目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数。
优选的，该种船舶航向控制方法，其中在船舶的操作性参数T和K以及常数α和β中的任意一项为未知常数，且船舶的当前外部航行干扰不为零的情况下，最优控制器为：
Figure BDA0003024152840000037
Figure BDA0003024152840000041
Figure BDA0003024152840000042
Figure BDA0003024152840000043
Figure BDA0003024152840000044
Figure BDA0003024152840000045
其中：
ψ为船舶的当前航向，ψr为船舶的目标航向
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数。
一种船舶航向控制系统，应用于上述任意一项的船舶航向控制方法中，包括：
操控模块，用于根据外部的用户指令获取船舶的目标航向；
传感模块，用于获取船舶的当前运行状态；
最优控制器，分别连接操控装置和传感器组，用于根据当前运行状态和目标航向，生成最优舵角控制指令；
驱动模块，连接最优控制器，用于根据最优舵角控制指令控制船舶的舵机。
本技术方案具有如下优点及有益效果：
通过本技术方案，能够将逆最优控制应用于船舶航向控制技术领域，针对船舶航向控制中可能存在的不同理想场景和实际应用场景，设计了与之对应的最优控制器，使得控制船舶的运行航向在尽可能靠向目标航向的基础上，使得控制所需的能量消耗尽可能的少，达到一种综合最优的控制。
附图说明
图1为本发明一种船舶航向控制方法的流程示意图。
图2为本发明一种船舶航向控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种船舶航向控制方法及系统，具体技术方案如下所示：
一种船舶航向控制方法，包括：
步骤S1，根据外部的用户指令获取船舶的目标航向；
步骤S2，获取船舶的当前运行状态；
步骤S3，将当前运行状态传输至基于逆最优控制设计的最优控制器，形成最优舵角控制指令；
步骤S4，根据最优舵角控制指令控制船舶的舵机，而后返回步骤S2。
作为优选的实施方式，该种船舶航向控制方法，其中当前运行状态包括船舶的当前航向、船舶的当前外部航行干扰和船舶的操作性参数。
在本发明的较佳实施例中，船舶的当前外部航行干扰可以是船舶当前航行水域的风向和风力等级，也可以是海浪等可能影响船舶航行的外部因素，可以通过设置于船舶周围的传感器组进行检测；船舶的操作性参数可以是预设的固定常数。
作为优选的实施方式，该种船舶航向控制方法，其中船舶的基本航向控制模型为：
Figure BDA0003024152840000061
Figure BDA0003024152840000062
其中：
ψ为船舶的当前航向，
Figure BDA0003024152840000066
为船舶的当前航向角速度，
Figure BDA0003024152840000063
为船舶的当前航向角加速度；
δ为舵角控制指令；
Figure BDA0003024152840000064
为船舶的当前航向角速度的非线性函数，α和β均为常数；
K和T均为船舶的操作性参数；
d(t)为船舶的当前外部航行干扰。
作为优选的实施方式，该种船舶航向控制方法，其中在船舶的操作性参数T和K以及常数α和β均为已知常数，且船舶的当前外部航行干扰为零的情况下，最优控制器为：
Figure BDA0003024152840000065
Figure BDA0003024152840000071
Figure BDA0003024152840000072
Figure BDA0003024152840000073
其中：
ψ为船舶的当前航向，ψr为船舶的目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数。
现提供一具体实施例对本技术方案进行阐释和说明：
在本发明的第一实施例中，设定场景为完全理想场景，即不存在外部干扰因素的影响，同时船舶自身的各项操作性参数均处于已知状态。可以理解的是，令：
Figure BDA0003024152840000074
则可以构建相应的系统式：
Figure BDA0003024152840000075
这样即将有关船舶的航向最优控制问题转化为上述系统式的镇定控制问题。在此基础上，采用前述的逆最优镇定控制器，能够满足以下能耗相关性能指标的最小化：
Figure BDA0003024152840000076
其中：
Figure BDA0003024152840000081
Figure BDA0003024152840000082
作为优选的实施方式，该种船舶航向控制方法，其中在船舶的操作性参数T和K以及常数α和β中的任意一项为未知常数，且船舶的当前外部航行干扰为零的情况下，最优控制器为：
Figure BDA0003024152840000083
Figure BDA0003024152840000084
Figure BDA0003024152840000085
Figure BDA0003024152840000086
Figure BDA0003024152840000087
Figure BDA0003024152840000088
其中：
ψ为船舶的当前航向，ψr为船舶的目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数。
现提供另一具体实施例对本技术方案进行阐释和说明：
在本发明的第二实施例中，与前述第一实施例不同的是，第二实施例提出的最优控制器针对的是部分理想场景，即不存在外部干扰因素的影响，但船舶本身的操作性参数中可能存在一项或多项处于未知状态。在此情况下，与前述第一实施例相类似的，可以将最优航向控制问题转换为相应的镇定控制问题；采用上述自适应逆最优镇定控制器，能够满足以下能耗相关性能指标的最小化：
Figure BDA0003024152840000091
其中：
Figure BDA0003024152840000092
Figure BDA0003024152840000093
作为优选的实施方式，该种船舶航向控制方法，其中在船舶的操作性参数T和K以及常数α和β中的任意一项为未知常数，且船舶的当前外部航行干扰不为零的情况下，最优控制器为：
Figure BDA0003024152840000094
Figure BDA0003024152840000095
Figure BDA0003024152840000096
Figure BDA0003024152840000097
Figure BDA0003024152840000098
Figure BDA0003024152840000099
其中：
ψ为船舶的当前航向，ψr为船舶的目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数。
现提供另一具体实施例对本技术方案进行阐释和说明：
在本发明的第三实施例中，与前述第一实施例和第二实施例均不同的是，第三实施例提出的最优控制器针对的是实际应用场景，即船舶本身的操作性参数中可能存在一项或多项处于未知状态，同时也存在外部干扰因素，例如风向，海浪起伏等。在此情况下，与前述第一实施例与第二实施例相类似的，可以将最优航向控制问题转换为相应的增益设计问题；采用上述自适应逆最优增益控制器，能够满足以下能耗相关性能指标的最小化：
Figure BDA0003024152840000101
其中：
Figure BDA0003024152840000102
Figure BDA0003024152840000103
一种船舶航向控制系统，应用于上述任意一项的船舶航向控制方法中，如图2所示，具体包括：
操控模块1，用于根据外部的用户指令获取船舶的目标航向；
传感模块2，用于获取船舶的当前运行状态；
最优控制器3，分别连接操控装置1和传感器组2，用于根据当前运行状态和目标航向，生成最优舵角控制指令；
驱动模块4，连接最优控制器3，用于根据最优舵角控制指令控制船舶的舵机。
在本发明的另一较佳实施例中，采用如图2所示的船舶航向控制系统，能够根据用户设定的目标航向以及船舶当前运行状态选择最优的控制策略，在能耗尽可能小的情况下控制船舶与目标航向靠近。例如，若是船舶的当前航向与目标航向之间存在一定角度的偏差且外部环境较为恶劣，如图2所示的船舶航向控制系统可以根据当前航向以及传感模块2采集到的外部航行环境参数采取相应的舵角控制策略，能够在尽可能少启动舵角转向的基础上帮助船舶靠向目标航向。
在上述较佳实施例中，最优控制器3可以包含一个或多个控制器组件，可以是逆最优镇定控制器组件，也可以是自适应逆最优镇定控制器组件或是自适应逆最优增益控制器组件，用户可以根据当前航行状态选择合适的最优控制器组件，例如，在外部航行环境较为平静且船舶自身各项控制参数处于已知的状况下，用户可以选择逆最优镇定控制器组件在减少变量的输入的情况下获得相近似的航向控制策略以控制船舶。
综上所述，通过本技术方案，能够将逆最优控制应用于船舶航向控制技术领域，针对船舶航向控制中可能存在的不同理想场景和实际应用场景，设计了与之对应的最优控制器，使得控制船舶的运行航向在尽可能靠向目标航向的基础上，使得控制所需的能量消耗尽可能的少，达到一种综合最优的控制。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种船舶航向控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，根据外部的用户指令获取所述船舶的目标航向；
步骤S2，获取所述船舶的当前运行状态；
步骤S3，将所述当前运行状态传输至基于逆最优控制设计的最优控制器，形成最优舵角控制指令；
步骤S4，根据所述最优舵角控制指令控制所述船舶的舵机，而后返回所述步骤S2；
所述船舶的基本航向控制模型为：
Figure FDA0004039144320000011
Figure FDA0004039144320000012
其中：
ψ为所述船舶的当前航向，
Figure FDA0004039144320000013
为所述船舶的当前航向角速度，
Figure FDA0004039144320000014
为所述船舶的当前航向角加速度；
δ为舵角控制指令；
Figure FDA0004039144320000015
为所述船舶的当前航向角速度的非线性函数，α和β均为常数；
K和T均为所述船舶的操作性参数；
d(t)为所述船舶的当前外部航行干扰；
在所述船舶的操作性参数T和K以及常数α和β均为已知常数，且所述船舶的当前外部航行干扰为零的情况下，所述最优控制器为：
Figure FDA0004039144320000016
Figure FDA0004039144320000021
Figure FDA0004039144320000022
x＝[x1，x2]T，x1＝ψ-ψr，
Figure FDA0004039144320000023
u＝δ
其中：
ψ为所述船舶的当前航向，ψr为所述船舶的所述目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数；
Figure FDA0004039144320000024
为大于等于2的常数；
x1、x2、ζ(x1)、z2、κ(x)均为航向控制的中间变量；
在所述船舶的操作性参数T和K以及常数α和β中的任意一项为未知常数，且所述船舶的当前外部航行干扰为零的情况下，所述最优控制器为：
Figure FDA0004039144320000025
Figure FDA0004039144320000026
z2＝x2-ζ(x1)，
Figure FDA0004039144320000027
x＝[x1，x2]T，x1＝ψ-ψr，
Figure FDA0004039144320000028
u＝δ
θ＝(θ1，θ2)T，
Figure FDA0004039144320000029
Figure FDA00040391443200000210
其中：
ψ为所述船舶的当前航向，ψr为所述船舶的所述目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数；
Figure FDA0004039144320000031
为大于等于2的常数；
x1、x2、ζ(x1)、z2、
Figure FDA0004039144320000032
均为航向控制的中间变量；
θ1、θ2、
Figure FDA0004039144320000033
为基于所述操作性参数T、所述操作性参数K、所述常数α和所述常数β生成的未知参数；
θ为所述未知参数θ1和所述未知参数θ2组成的未知参数向量；
在所述船舶的操作性参数T和K以及常数α和β中的任意一项为未知常数，且所述船舶的当前外部航行干扰不为零的情况下，所述最优控制器为：
Figure FDA0004039144320000034
Figure FDA0004039144320000035
z2＝x2-ζ(x1)，
Figure FDA0004039144320000036
x＝[x1，x2]T，x1＝ψ-ψr，
Figure FDA0004039144320000037
u＝δ
θ＝(θ1，θ2)T，
Figure FDA0004039144320000038
Figure FDA0004039144320000039
其中：
ψ为所述船舶的当前航向，ψr为所述船舶的所述目标航向；
δ为舵角控制指令；
c1和c2均为任意正值常数；
Figure FDA00040391443200000310
为大于等于2的常数；
x1、x2、ζ(x1)、z2、
Figure FDA00040391443200000311
均为航向控制的中间变量；
θ1、θ2、
Figure FDA0004039144320000041
为基于所述操作性参数T、所述操作性参数K、所述常数α和所述常数β生成的未知参数；
θ为所述未知参数θ1和所述未知参数θ2组成的未知参数向量。
2.如权利要求1所述的船舶航向控制方法，其特征在于，所述当前运行状态包括所述船舶的当前航向、所述船舶的当前外部航行干扰和所述船舶的操作性参数。
3.一种船舶航向控制系统，其特征在于，应用于如权利要求1至2中任意一项所述的船舶航向控制方法中，包括：
操控模块，用于根据外部的用户指令获取所述船舶的目标航向；
传感模块，用于获取所述船舶的当前运行状态；
最优控制器，分别连接所述操控装置和所述传感器组，用于根据所述当前运行状态和所述目标航向，生成最优舵角控制指令；
驱动模块，连接所述最优控制器，用于根据所述最优舵角控制指令控制所述船舶的舵机。
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