CN115145282A - 一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，包括：根据船舶港内航行低速大漂角特点对船舶MMG模型进行修正；根据MMG模型建立用于航向控制的特征模型，并对特征模型参数进行在线辨识；建立自适应PD控制器，基于在线辨识的特征模型参数调整自适应PD控制器参数；通过Dubins规划算法、LOS算法与船舶双桨的Bang‑Bang控制算法建立自动靠泊控制策略，并通过自适应PD控制器完成自动靠泊控制。本发明不过度依赖于确定的船舶操纵运动模型，有效解决了欠驱动船舶港内低速、外界环境扰动影响以及车舵控制难以解耦的问题，并能够提高自动靠泊控制精度和鲁棒性。

Description

一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法

技术领域

本发明涉及船舶自动靠泊技术领域，更具体的说是涉及一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法。

背景技术

在军事、海洋工程等领域，为提高大型船舶的操纵性、机动性，欠驱动双桨双舵大型船舶愈来愈多。为有效提高船舶作业效率，避免靠离泊安全事故的发生，减少靠离泊时对拖船、锚链等的依赖，降低靠离泊成本，研究自动靠泊控制技术已势在必行。在欠驱动船舶的自动靠泊控制问题中，自动靠泊问题涉及浅水、低速、船吸效应、岸壁效应等影响，加上风、浪、流干扰，操纵和控制更趋困难。加上欠驱动特性，惯性大，船舶操纵控制难度显著增大，尤其在不熟悉码头进行靠离泊作业，通过人为判定操作难度更大、耗时更久，安全系数极大降低，无法满足复杂环境下对船舶快速停靠、离泊的要求。

由于欠驱动控制系统属于不完整系统不能跟踪任意的轨迹，常规控制方法过于依赖于确定的船舶操纵运动模型，为避免依赖确定的船舶操纵运动模型，本发明提出了一种基于特征模型的自动靠泊自适应控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，不过度依赖于确定的船舶操纵运动模型，有效解决了欠驱动船舶港内低速、外界环境扰动影响以及车舵控制难以解耦的问题，并能够提高自动靠泊控制精度和鲁棒性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，包括：

根据船舶港内航行低速大漂角特点对船舶MMG模型进行修正；

根据MMG模型建立用于航向控制的特征模型，并对特征模型参数进行在线辨识；

建立自适应PD控制器，基于在线辨识的特征模型参数调整自适应PD控制器参数；

通过Dubins规划算法、LOS算法与船舶双桨的Bang-Bang开关控制算法建立自动靠泊控制策略，并通过自适应PD控制器完成自动靠泊控制。

优选的，对船舶MMG模型进行修正包括低速域修正，具体为：

作用于船体轴向上的力X为：

X＝X_H+X_P+X_R

其中：X_H表示X方向的粘性水动力，X_P表示螺旋桨推力，X_R表示舵力；

当船舶在常速域运动、前进速度大、漂角|β|≤20°时，采用Kijima井上模型：

X_H＝X(u)+X_vvv²+X_vrvr+X_rrr²

Y_H＝Y_vv+Y_rr+Y_|v|v|v|v+Y_|r|r|r|r+Y_vvrv²r+Y_vrrvr²

N_H＝N_vv+N_rr+N_|v|v|v|v+N_|r|r|r|r+N_vvrv²r+N_vrrvr²

其中，X_H、Y_H、N_H分别为X、Y、N方向的粘性水动力，v、r分别为侧向速度和转首角速度，X(u)为直航阻力；X_vv为侧向速度v引起的纵向阻力系数、 X_vr为与v和r有关的纵向阻力系数，、X_rr为r引起的纵向阻力系数；Y_v、Y_r、 Y_|v|v、Y_|r|r、Y_vvr、Y_vrr分别为与侧向速度、转首角速度、侧向速度平方、转首角速度平方、侧向速度平方与转首角速度、侧向速度与转首角速度的平方有关的侧向力系数，N_v、N_r、N_|r|r、N_|v|v、N_vvr、N_vrr分别与侧向速度、转首角速度、转首角速度平方、侧向速度速度平方、侧向速度平方与转首角速度、侧向速度与转首角速度的平方引起的艏摇力矩系数；

当船舶在低速域运动、漂角|β|≥30°时，采用Yoshimura芳村模型：

X_H＝X_H(r₀)+X_vrvr+X_rrr²

其中，r₀＝0,X_H(r₀)表示r为0时的X_H；u为船舶轴向速度、x为船舶纵向坐标值，C_ry和C_rn分别为Y和N方向的模型修正系数，L为船舶型长，d为吃水深度；C_d为船体横流阻力系数，ρ为水的密度；

在漂角20°<|β|<30°，采用对上述两种模型进行三次样条插值计算的方法进行内插；

定义螺旋桨X_P表达式如下：

其中C_T是螺旋桨无因次推力系数，该系数是水动力螺距角β的函数，水动力螺距角β定义如下：

式中,V为来流速度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径，ρ为水的密度。

优选的，航向控制的特征模型为：

ψ(k+1)＝f₁(k)·ψ(k)+f₂(k)·ψ(k-1)+g(k)·δ(k)

其中，ψ(k)为第k时刻的船舶艏向角，ψ(k-1)表示第k-1时刻的船舶艏向角，δ(k)为第k时刻的舵角指令，f₁(k)、f₂(k)、g(k)为第k时刻特征模型参数。

优选的，自适应PD控制器为：

其中，k_p与k_d为PD控制器参数，ψ_r(k+1)表示k+1时刻的期望航向，δ(k)为第k时刻的舵角指令，e(k)表示第k时刻船舶期望艏向与实际艏向的误差， e(k)＝ψ(k)-ψ_r(k)。

本发明的有益结果：

(1)本发明在不过度依赖于确定的船舶操纵运动模型条件下，提出的基于特征模型的自适应PD控制器，不仅有效解决了欠驱动船舶港内低速、外界环境扰动影响以及车舵控制难以解耦的问题，并能够提高自动靠泊控制精度和鲁棒性。

(2)本发明基于MMG模型建立船舶特征模型，解决了船舶在靠泊过程中由于低速与风流干扰造成的建模困难问题，而且计算复杂度低，易于工程实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法流程图。

图2为本发明实施例提供的基于特征模型的自适应PD控制原理图。

图3为本发明实施例提供的自动靠泊控制原理框图。

图4为本发明实施例提供的直航自动靠泊控制效果图，其中结束时靠岸距离，抵泊横距为8.0m，抵泊角度为13.9°。

图5为本发明实施例提供的掉头自动靠泊控制效果图，抵泊横距为2.5m，抵泊角度为1.7°。

图6为本发明实施例提供的直航自动靠泊航向控制误差曲线。

图7为本发明实施例提供的直航自动靠泊航迹控制误差曲线。

图8为本发明实施例提供的掉头自动靠泊航向控制误差曲线。

图9为本发明实施例提供的掉头自动靠泊航迹控制误差曲线。

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做出创造性劳动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。

本发明实施例公开了一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，如图1所示，包括：

S1：根据船舶港内航行低速大漂角特点对船舶MMG模型进行修正；具体为：

港内船舶操纵与宽阔水域船舶操纵不同，需要综合考虑浅水、低速以及螺旋桨错车等因素的影响，进而为靠泊控制参数整定和路径规划提供技术基础。对于本发明应用的试验靠泊区域水深在4.3～9.2m区间，对应水深吃水比为1.75～3.74，因此在对其进行操纵运动建模时，不考虑水深变化对操纵性的影响，在传统宽阔水域操纵建模的基础上，修正低速域的船舶操纵模型，并考虑螺旋桨四象限航行工况水动力特性。

作用于船体轴向上的力X可以用公式(1)表示：

X＝X_H+X_P+X_R (1)

其中：X_H表示X方向的粘性水动力，X_P表示螺旋桨推力，X_R表示舵力。

低速域修正时，当船舶在常速域运动、前进速度大、漂角|β|≤20°时，采用Kijima井上模型：

X_H＝X(u)+X_vvv²+X_vrvr+X_rrr²

Y_H＝Y_vv+Y_rr+Y_|v|v|v|v+Y_|r|r|r|r+Y_vvrv²r+Y_vrrvr²

N_H＝N_vv+N_rr+N_|v|v|v|v+N_|r|r|r|r+N_vvrv²r+N_vrrvr² (2)

其中，X_H、Y_H、N_H分别为X、Y、N方向的粘性水动力，v、r分别为侧向速度和转首角速度，X(u)为直航阻力；X_vv为侧向速度v引起的纵向阻力系数、 X_vr为与v和r有关的纵向阻力系数，、X_rr为r引起的纵向阻力系数；Y_v、Y_r、 Y_|v|v、Y_|r|r、Y_vvr、Y_vrr分别为与侧向速度、转首角速度、侧向速度平方、转首角速度平方、侧向速度平方与转首角速度、侧向速度与转首角速度的平方有关的侧向力系数，N_v、N_r、N_|r|r、N_|v|v、N_vvr、N_vrr分别与侧向速度、转首角速度、转首角速度平方、侧向速度速度平方、侧向速度平方与转首角速度、侧向速度与转首角速度的平方引起的艏摇力矩系数；

当船舶在低速域运动、漂角|β|≥30°时，采用Yoshimura芳村模型：

X_H＝X_H(r₀)+X_vrvr+X_rrr²

其中，r₀＝0,X_H(r₀)表示r为0时的X_H；u为船舶轴向速度、x为船舶纵向坐标值，C_ry和C_rn分别为Y和N方向的模型修正系数，L为船舶型长，d为吃水深度；C_d为船体横流阻力系数，ρ为水的密度；

在漂角20°<|β|<30°，采用对上述两种模型进行三次样条插值计算的方法进行内插。

在计算螺旋桨X_P时，传统的螺旋桨建模只考虑正车前航时的推力系数和扭矩系数，推力系数表征为进速系数的函数，但当螺旋桨转速为0时，进速系数无穷大将导致溢出死机。且港内靠泊操纵时，经常会采用倒车操纵，因此有必要建立统一的涵盖螺旋桨正车和倒车工况的螺旋桨推力X_P的表达式。在通常靠泊情况下，螺旋桨工作于前航前车(第Ⅰ象限)和前航倒车(第Ⅱ象限)的状态中，故本发明对螺旋桨在倒航工况(第Ⅲ象限和第Ⅳ象限)不予考虑。

定义螺旋桨X_P表达式如下：

其中C_T是螺旋桨无因次推力系数，该系数是水动力螺距角β的函数，水动力螺距角β定义如下：

式中,V为来流速度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径，ρ为水的密度。

S2：根据MMG模型建立用于航向控制的特征模型，并对特征模型参数进行在线辨识；具体的：

由于船舶建造存在工艺偏差、水面航行工况复杂多变，船舶操纵运动模型存在不确定性，因此无法直接利用前述建立的MMG模型设计控制器。本发明需要在上述运动模型建立的基础上，利用特征模型设计航向控制器，通过在线辨识的方法进行模型参数修正，弥补MMG模型不确定性对控制器设计的影响。航向控制的特征模型建立如下：

ψ(k+1)＝f₁(k)·ψ(k)+f₂(k)·ψ(k-1)+g(k)·δ(k)………………(6)

其中，ψ(k)为第k时刻的船舶艏向角，δ(k)为第k时刻的舵角指令， f₁(k)、f₂(k)、g(k)为第k时刻特征模型的模型参数。

将船舶特征模型转化为以下形式：

ψ(k+1)＝φ^T(k)θ(k)……………………………………(7)

其中

φ^T(k)＝[ψ(k),ψ(k-1),δ(k)]

θ^T(k)＝[f₁(k),f₂(k),g(k)]

对于特征模型参数，本发明使用递推最小二乘法对特征模型参数进行估计，公式如下：

其中，P(k)与K(k)为最小二乘法的中间矩阵，λ为遗忘因子，取λ＝0.98。

S3：建立自适应PD控制器，基于在线辨识的特征模型参数调整自适应PD 控制器参数；自适应控制器控制原理如图2所示，具体的：

定义第k时刻船舶期望艏向与实际艏向的误差为e(k)＝ψ(k)-ψ_r(k)，则由特征模型(6)可得：

为了使船舶的艏向误差能够收敛到零，设计基于特征模型的自适应PD控制器为：

其中，k_p与k_d为PD控制器参数，基于船舶操纵一阶K-T模型进行参数设计，e(k)表示第k时刻船舶期望艏向与实际艏向的误差，根据公式(9)可知：

e(k)＝f₁(k-1)·ψ(k-1)+f₂(k-1)·ψ(k-2)+g(k-1)·δ(k-1)-ψ_r(k) (11)

可以看出，控制器(10)中模型参数f₁(k)、f₂(k)、g(k)会随着时间自适应在线调整，调整规律满足式(8)，因此称这种控制器为基于特征模型的自适应 PD控制器。

S4：通过Dubins规划算法、LOS算法与船舶双桨的Bang-Bang开关控制算法建立自动靠泊控制策略，并通过自适应PD控制器完成自动靠泊控制。

具体的，如图3所示：根据泊位信息和船舶运动状态对靠泊路径进行规划，结合船舶自动舵常用的PD控制算法对船舶靠泊过程的艏向进行控制，并利用LOS制导律对靠泊过程的航迹进行控制。

由于欠驱动船舶没有横向推力，因此采用间接航迹控制策略。由图3所示，将期望路径通过LOS算法转化为航向控制。然后，通过航向控制器的设计去跟踪制导层给出的期望航向指令。航速控制采用基于专家经验的螺旋桨转速设置方式，通过查表得到期望航速与螺旋桨转速的对应关系。可以看出，整个控制系统分为规划、制导与控制三个层面；其中，规划层使用了Dubins 规划算法目的是得出靠泊路径，该方法规划出的靠泊路径由直线和圆弧组成，这样规划出的靠泊路径可用LOS制导算法进行航迹向航向的转换。

制导层使用传统的LOS制导方法将Dubins算法规划的靠泊路径转化为实时的期望艏向，作为艏向控制器的期望输入；通过基于特征模型的自适应PD 控制器由期望艏向与实际艏向的误差产生指令舵角；在对船舶的双车控制方面，根据船舶的运动特性与螺旋桨怠速区的影响，设置6种控制模式，假设桨怠速为650r/min，双车控制参数如表1所示；车控制器使用Bang-Bang控制根据船当前的艏向与航速选择双车的控制模式。

表1双车控制参数

控制模式	操纵指令
		正车加速	左车＝650，右车＝650
停车减速	左车＝0，右车＝0
		倒车减速	左车＝-650，右车＝-650
左转加速	左车＝0，右车＝650
		左转减速	左车＝-650，右车＝0
快速左转	左车＝-650，右车＝650
		右转加速	左车＝650，右车＝0
右转减速	左车＝0，右车＝-650
		快速右转	左车＝650，右车＝-650

当船舶艏向误差大于设定阈值时，控制器通过错车和满舵同时对船舶进行控制，以满足航向和航速的协同自适应控制。

实船自动靠泊试验验证：

在某港利用一巡逻船进行直航自动靠泊和掉头自动靠泊试验，通过“双桨正车差速”、“一桨正车一桨倒车”错车控制测策略提高船舶的操纵性。该船为外旋式双桨双舵巡逻船，船长48m，船宽8m，吃水2.5m。气象条件：3～4级风，2～3级海况，船舶靠泊整个过程航速小于6kn。在直航自动靠泊效果如图4所示，抵泊横距为8.0m，抵泊角度为13.9°，船速为0.8kn；掉头自动靠泊如图5所示，抵泊横距为2.5m，抵泊角度为1.7°，船速为0.6kn。试验结果表明：基于特征模型的自适应PD控制器不依赖精确的系统模型，能够提高船舶靠泊低速航行的航迹控制精度，具有较强的鲁棒性。

从图6可以看出，直航控制航向控制误差在-4°～4°范围内；从图7可以看出，直航航迹控制误差-1.7m～6m范围内。从图8中可以看出，掉头控制航向控制误差在-7°～4°范围内；从图9可以看出，掉头航迹控制误差-6m～ 5m范围内。试验结果表明提出的自动靠泊方法完全满足航海实践的要求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，其特征在于，包括：

根据船舶港内航行低速大漂角特点对船舶MMG模型进行修正；

根据MMG模型建立用于航向控制的特征模型，并对特征模型参数进行在线辨识；

建立自适应PD控制器，基于在线辨识的特征模型参数调整自适应PD控制器参数；

通过Dubins规划算法、LOS算法与船舶双桨的Bang-Bang开关控制算法建立自动靠泊控制策略，并通过自适应PD控制器完成自动靠泊控制。

2.根据权利要求1所述的一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，其特征在于，对船舶MMG模型进行修正包括低速域修正，具体为：

作用于船体轴向上的力X为：

X＝X_H+X_P+X_R

其中：X_H表示X方向的粘性水动力，X_P表示螺旋桨推力，X_R表示舵力；

当船舶在常速域运动、前进速度大、漂角|β|≤20°时，采用Kijima井上模型：

X_H＝X(u)+X_vvv²+X_vrvr+X_rrr²

Y_H＝Y_vv+Y_rr+Y_|v|v|v|v+Y_|r|r|r|r+Y_vvrv²r+Y_vrrvr²

N_H＝N_vv+N_rr+N_|v|v|v|v+N_|r|r|r|r+N_vvrv²r+N_vrrvr²

其中，X_H、Y_H、N_H分别为X、Y、N方向的粘性水动力，v、r分别为侧向速度和转首角速度，X(u)为直航阻力；X_vv为侧向速度v引起的纵向阻力系数、X_vr为与v和r有关的纵向阻力系数，、X_rr为r引起的纵向阻力系数；Y_v、Y_r、Y_|v|v、Y_|r|r、Y_vvr、Y_vrr分别为与侧向速度、转首角速度、侧向速度平方、转首角速度平方、侧向速度平方与转首角速度、侧向速度与转首角速度的平方有关的侧向力系数，N_v、N_r、N_|r|r、N_|v|v、N_vvr、N_vrr分别与侧向速度、转首角速度、转首角速度平方、侧向速度速度平方、侧向速度平方与转首角速度、侧向速度与转首角速度的平方引起的艏摇力矩系数；

当船舶在低速域运动、漂角|β|≥30°时，采用Yoshimura芳村模型：

X_H＝X_H(r₀)+X_vrvr+X_rrr²

其中，r₀＝0,X_H(r₀)表示r为0时的X_H；u为船舶轴向速度、x为船舶纵向坐标值，C_ry和C_rn分别为Y和N方向的模型修正系数，L为船舶型长，d为吃水深度；C_d为船体横流阻力系数，ρ为水的密度；

在漂角20°<|β|<30°，采用对上述两种模型进行三次样条插值计算的方法进行内插；

定义螺旋桨X_P表达式如下：

其中C_T是螺旋桨无因次推力系数，该系数是水动力螺距角β的函数，水动力螺距角β定义如下：

式中,V为来流速度；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径，ρ为水的密度。

3.根据权利要求1所述的一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，其特征在于，航向控制的特征模型为：

ψ(k+1)＝f₁(k)·ψ(k)+f₂(k)·ψ(k-1)+g(k)·δ(k)

其中，ψ(k)为第k时刻的船舶艏向角，ψ(k-1)表示第k-1时刻的船舶艏向角，δ(k)为第k时刻的舵角指令，f₁(k)、f₂(k)、g(k)为第k时刻特征模型参数。

4.根据权利要求3所述的一种欠驱动船舶自动靠泊鲁棒自适应控制方法，其特征在于，自适应PD控制器为：

其中，k_p与k_d为PD控制器参数，ψ_r(k+1)表示k+1时刻的期望航向，δ(k)为第k时刻的舵角指令，e(k)表示第k时刻船舶期望艏向与实际艏向的误差，e(k)＝ψ(k)-ψ_r(k)。

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