CN115616920B - 一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋溢油回收技术领域，具体涉及一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法。本发明将围油栏转化为一般悬列线方程求解无人艇对围油栏的拖曳力，将无人艇的运动分解为船艏方向的匀速运动、船侧方向的匀速运动和定航向的回转运动，结和考虑围油栏影响的无人艇动力模型分别对所述三种运动方向进行运动补偿从而抵消围油栏对无人艇的干扰力。通过对补偿后的所述三个运动方向期望进行叠加，效果等效于不考虑围油栏情况下的期望航向及航速，从而使得无人艇能够完成溢油回收任务。本发明采用前馈补偿，具有超调量小、响应快、抗干扰能力强的优点。
Description
技术领域
本发明属于海洋溢油回收技术领域，具体涉及一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法。
背景技术
由于石油在海上开采、运输过程中事故频发导致泄露，造成大面积的石油漂浮在海面上，对海洋生态系统造成了严重污染。采用人工的方式回收海洋溢油存在成本高、效率低的缺点，结合现代无人技术，利用无人艇的灵活性高、成本低、效率高等优点进行溢油回收作业具有很大的应用前景和研究意义。
申请号为CN201710563410.0的专利，面向溢油围捕的柔性连接式双无人艇自主协同方法，提出了一种通过围油栏柔性连接的双无人艇进行溢油围捕的方法，通过拉力传感器和角度传感器测得围油栏产生的力和力矩，采用了基于模糊零空间的行为融合方法对期望航速及艏向进行修正，该修正方法并没有把围油栏的影响融入到无人艇的运动模型中，而且需要拉力传感器和角度传感器进行测量，对期望航速及艏向的修正值并不准确。
申请号为CN202011310019.8的专利，基于分层制导与拖曳力补偿的双无人艇协同溢油围捕方法，提供一种补偿方法解决在双无人艇进行溢油围捕作业时，由于围油栏的影响出现实际位置与期望位置的偏差问题。该方法在期望位置与实际位置已经出现偏差之后，通过对围油栏的拖曳力计算进行艏向角的补偿，在进行期望航向计算时并没有将围油栏的运动模型融入到无人艇的运动模型中，该补偿方法存在一定的滞后性，且需要不断进行调整，具有不稳定性，而且也没有考虑对期望航速的补偿。
综上所述，在通过围油栏连接的双艇协同进行溢油围捕回收方法中，目前没有将无人艇的运动分解为船艏方向的匀速运动、船侧方向的匀速运动和定航向的回转运动，结和考虑围油栏影响的无人艇动力模型分别对所述三种运动方向进行运动补偿从而抵消围油栏对无人艇的干扰力。
发明内容
本发明的目的在于解决无人艇在双艇溢油围捕过程中由于受到围油栏的影响，无法稳定的跟踪上期望航速和期望航向的问题，提供一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法。
一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法，通过围油栏系联的多无人艇系统进行溢油回收作业时，对于每一辆无人艇执行如下步骤：
步骤1：将无人艇的运动分解为船艏方向的匀速运动、船侧方向的匀速运动和定航向的回转运动；
步骤2：对无人艇船艏方向、船侧方向和回转方向进行运动补偿，抵消围油栏对无人艇的干扰力；
步骤3：对补偿后的船艏方向、船侧方向和回转方向的期望航向及航速进行叠加，得到考虑围油栏干扰后的期望航向及航速，从而使得无人艇能够完成溢油回收任务。
进一步地，步骤2中所述对无人艇船艏方向上的运动补偿为：
其中，为对无人艇船艏方向上的航速补偿；/>，F为无人艇所受围油栏拖曳力的大小；/>为围油栏所受拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度；d 11为无人艇在船艏方向上的阻尼系数；/>为大于0的常数，避免分母为零；
对无人艇船侧方向上的运动补偿为：
其中，为对无人艇船侧方向上的航速补偿；/>；d 22为无人艇在船侧方向上的阻尼系数；/>为大于0的常数，避免分母为零；
对无人艇回转方向上的运动补偿为：
其中，为对无人艇回转方向上的角度补偿；T rl 为无人艇受到围油栏产生的回转力矩；/>为时间步长；m 33为无人艇艏摇方向的附加质量；/>为大于0的常数，避免分母为零。
进一步地，所述步骤3中考虑围油栏干扰后的期望航速为：
其中，V d 为不考虑围油栏干扰的期望航速；
考虑围油栏干扰后的期望航向为：
其中，k1、 k2、 k3为权重系数；为不考虑围油栏干扰的期望航向；/>为由期望航速补偿后导致的期望航向补偿，/>。
进一步地，所述围油栏所受拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度的获取方法为：
设围油栏与待计算无人艇的交点为A点，与待计算无人艇相邻的无人艇与围油栏的交点为B点；以AB两点连线的中心点为原点O、平行A点的切线方向为X轴正方向，建立围油栏计算坐标系O-XY；将围油栏的悬链线方程转化为一般悬链线方程，两艘无人艇位置为A(a,b)、B(-a, -b)，围油栏两端点关于原点O对称；
围油栏形状曲线的数学方程为：
其中，k、、/>均为无因次系数，求解公式为：
其中，L为AB两点之间围油栏的长度；
对围油栏形状曲线的数学方程求导，代入A点横坐标，求得围油栏位于A点处的斜率，该斜率对应的从A点指向远离围油栏的方向，即为围油栏受到的来自待计算无人艇的拖曳力方向；
由此，通过方向分析和坐标转换并已知在大地坐标系下的无人艇的艏向角，则可以得到围油栏所受拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度。
进一步地，所述无人艇所受围油栏拖曳力的大小F的获取方法为：
获取待计算无人艇与相邻的无人艇的速度v 1、v 2；水流速度大小v等效为待计算无人艇与其相邻无人艇之间围油栏的平均运动速度，即双无人艇的平均运动速度；
围油栏所受总阻力F 总与围油栏所受无人艇的拖曳力等大反向；
其中，为流体密度；C为阻力系数；S为迎流面积，S =D x h；D x为围油栏两端点迎流方向的长度，即待计算无人艇与其相邻无人艇之间的距离；h为围油栏入水深度；根据围油栏所受总阻力F 总，通过力的平衡进行受力分析，计算得到待计算无人艇所受围油栏拖曳力的大小F。
本发明的有益效果在于：
本发明分别从无人艇船艏方向、船侧方向和回转方向进行运动补偿从而抵消围油栏对无人艇的干扰力，对补偿后的所述三个方向运动的运动期望进行线性叠加，效果等效于不考虑围油栏情况下的期望航向及航速，从而使得无人艇能够完成溢油回收任务。本发明采用前馈补偿具有超调量小、响应快、抗干扰能力强的优点。
附图说明
图1是双无人艇溢油回收作业示意图。
图2是双无人艇与围油栏的受力分析示意图。
图3是本发明的执行流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
通过围油栏系联的双无人艇进行溢油回收作业时，如图1所示，无人艇在受到围油栏产生的拖曳力后，双无人艇通过编队方法得到的期望航向与航速均发生变化，无人艇编队队形的被破坏导致溢油任务失败，针对围油栏对无人艇产生干扰的问题，本发明提出一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法，将围油栏转化为一般悬列线方程求解无人艇对围油栏的拖曳力，将无人艇的运动分解为船艏方向的匀速运动、船侧方向的匀速运动和定航向的回转运动，结和考虑围油栏影响的无人艇动力模型分别对所述三种运动方向进行运动补偿从而抵消围油栏对无人艇的干扰力。通过对补偿后的所述三个运动方向期望进行叠加，效果等效于不考虑围油栏情况下的期望航向及航速，从而使得无人艇能够完成溢油回收任务。
建立围油栏计算坐标系O-XY，已知两艘无人艇在O-XY的位置A(a,b)、B(-a, -b)，已知任意一艘无人艇在大地坐标系o-xy的艏向角，已知围油栏的长度L，在O-XY坐标系下计算围油栏所受无人艇的拖曳力方向/>，从而得到拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度/>。
具体的，如图2所示，以AB的中心为原点、平行A点的切线方向X轴正方向，建立围油栏计算坐标系O-XY，将围油栏的悬链线方程转化为一般悬链线方程。两艘无人艇位置A(a, b)、B(-a, -b)。围油栏两端点关于坐标原点对称；
围油栏形状曲线的数学方程为：
(1)
其中，k、、/>均为无因次系数，均为过程量，求解公式如下：
(2)
上式中，L为悬链线长度。
围油栏形状的悬链线方程求导，代入围油栏端点横坐标，可以求得处围油栏端点处的斜率。该斜率对应的从端点指向远离围油栏的方向，即为围油栏受到的来自无人艇的拖曳力方向，求解公式为：
(3)
(4)
由此，通过方向分析和坐标转换,并已知在大地坐标系o-xy下的无人艇的艏向角，则可以得到围油栏所受拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度/>；
已知两艘无人艇的速度v 1、v 2，计算围油栏所受总阻力F 总，结合步骤一中的受力方向，可以得出任意一端无人艇所受的拖曳力F；
具体的，水流速度大小v等效为围油栏平均运动速度，即双无人艇平均运动速度，则有：
(5)
围油栏所受总阻力与围油栏所受无人艇的拖曳力等大反向，则有：
(6)
式中：F 总为围油栏所受总拖曳力，方向为水流流速相反方向；为流体密度；C为阻力系数；v为围油栏的迎流速度，即双无人艇队形中心运动速度；S =D x h为迎流面积，为围油栏两端点迎流方向的长度，h为围油栏入水深度。
综上，通过力的平衡进行受力分析，可以计算得到无人艇所受的拖曳力。
根据围油栏所受拖曳力的大小F和方向，可以得到围油栏对无人艇的拖曳力，得到考虑围油栏影响的无人艇水平面运动数学模型；
具体的，考虑围油栏对无人艇的拖曳力对运动数学模型的影响，对左侧无人艇为例，无人艇所受围油栏的拖曳力为：
(7)
上式中：F为左侧无人艇所受围油栏拖曳力大小；为无人艇所受围油栏拖曳力方向； L 1为左侧无人艇上系联点到重心点距离，通常取船长的一半。
将围油栏干扰力代入无人艇水平面运动数学模型，得到考虑围油栏影响的无人艇水平面运动数学模型为：
(8)
获取无人艇期望航速V d ，进行船艏方向航速补偿与船侧方向航速补偿/>，得到考虑围油栏干扰后的期望航速/>；
具体的，无人艇受到围油栏的阻力，且沿船艏方向的阻力为F ul ，为了尽量等效不考虑围油栏情况的航速，则船艏方向上的航速补偿为：
(9)
上式中，为大于0的常数，避免分母为零，d 11为无人艇在船艏方向上的阻尼系数；
船侧方向的航速补偿为：
(10)
上式中，为大于0的常数，避免分母为零，d 22为无人艇在船侧方向上的阻尼系数。
则补偿后的期望航速为：
(11)
获取无人艇的期望航向，对期望航向进行角度补偿，获得考虑围油栏干扰的期望航向/>；具体的，由于在船侧方向上进行了航速补偿，则导致考虑围油栏影响的无人艇期望航向与不考虑围油栏的期望航向出现偏差，则期望航速补偿提供了一个期望航向补偿，则提供的期望航向补偿角为：
(12)
此外。无人艇受到围油栏产生的回转力矩T rl ，该回转力矩的存在会使得无人艇产生角速度，则对回转方向上进行角度补偿为：
(13)
上式中，为时间步长；上式中，/>为大于0的常数，避免分母为零，m 33是无人艇艏摇方向的附加质量。
则补偿后的无人艇期望航向为：
(14)
上式中，k1、 k2、 k3为权重系数为权重系数，衡量不同项的影响程度，可以均取1。
结合以上内容。如图3所示，本发明的具体实施方式为：
通过围油栏系联的多无人艇系统进行溢油回收作业时，对于每一辆无人艇执行如下步骤：
步骤1：获取当前时刻无人艇位置、速度信息，获取围油栏对无人艇的拖曳力；
步骤2：将无人艇的运动分解为船艏方向的匀速运动、船侧方向的匀速运动和定航向的回转运动；获取当前时刻无人艇的期望航向、航速，对无人艇船艏方向、船侧方向和回转方向进行运动补偿，抵消围油栏对无人艇的干扰力；
步骤3：对补偿后的船艏方向、船侧方向和回转方向的期望航向及航速进行叠加，得到考虑围油栏干扰后的期望航向及航速，从而使得无人艇能够完成溢油回收任务。
步骤4：对当前时刻无人艇位置信息与目标位置信息进行比较，判断是否完成溢油回收任务；若未完成，则返回步骤1执行下一循环。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法，其特征在于：通过围油栏系联的多无人艇系统进行溢油回收作业时，对于每一辆无人艇执行如下步骤：
步骤1：将无人艇的运动分解为船艏方向的匀速运动、船侧方向的匀速运动和定航向的回转运动；
步骤2：对无人艇船艏方向、船侧方向和回转方向进行运动补偿，抵消围油栏对无人艇的干扰力；
所述对无人艇船艏方向上的运动补偿为：
其中，Δu为对无人艇船艏方向上的航速补偿；F为无人艇所受围油栏拖曳力的大小；/>为围油栏所受拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度；d11为无人艇在船艏方向上的阻尼系数；λ1为大于0的常数，避免分母为零；
对无人艇船侧方向上的运动补偿为：
其中，Δv为对无人艇船侧方向上的航速补偿；d22为无人艇在船侧方向上的阻尼系数；λ2为大于0的常数，避免分母为零；
对无人艇回转方向上的运动补偿为：
其中，为对无人艇回转方向上的角度补偿；Trl为无人艇受到围油栏产生的回转力矩；Δt为时间步长；m33为无人艇艏摇方向的附加质量；λ3为大于0的常数，避免分母为零；
步骤3：对补偿后的船艏方向、船侧方向和回转方向的期望航向及航速进行叠加，得到考虑围油栏干扰后的期望航向及航速，从而使得无人艇能够完成溢油回收任务；
考虑围油栏干扰后的期望航速Vd′为：
其中，Vd为不考虑围油栏干扰的期望航速；
考虑围油栏干扰后的期望航向为：
其中，k1、k2、k3为权重系数；为不考虑围油栏干扰的期望航向；/>为由期望航速补偿后导致的期望航向补偿，/>
2.根据权利要求1所述的一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法，其特征在于：所述围油栏所受拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度的获取方法为：
设围油栏与待计算无人艇的交点为A点，与待计算无人艇相邻的无人艇与围油栏的交点为B点；以AB两点连线的中心点为原点O、平行A点的切线方向为X轴正方向，建立围油栏计算坐标系O-XY；将围油栏的悬链线方程转化为一般悬链线方程，两艘无人艇位置为A(a,b)、B(-a,-b)，围油栏两端点关于原点O对称；
围油栏形状曲线的数学方程为：
其中，k、α、β均为无因次系数，求解公式为：
其中，L为AB两点之间围油栏的长度；
对围油栏形状曲线的数学方程求导，代入A点横坐标，求得围油栏位于A点处的斜率，该斜率对应的从A点指向远离围油栏的方向，即为围油栏受到的来自待计算无人艇的拖曳力方向
由此，通过方向分析和坐标转换并已知在大地坐标系下的无人艇的艏向角，则可以得到围油栏所受拖曳力相对于无人艇船艏方向的角度
3.根据权利要求1所述的一种多无人艇系统中耦合干扰主动抑制方法，其特征在于：所述无人艇所受围油栏拖曳力的大小F的获取方法为：
获取待计算无人艇与相邻的无人艇的速度v1、v2；水流速度大小v等效为待计算无人艇与其相邻无人艇之间围油栏的平均运动速度，即双无人艇的平均运动速度；
围油栏所受总阻力F总与围油栏所受无人艇的拖曳力等大反向；
其中，ρ为流体密度；C为阻力系数；S为迎流面积，S＝Dxh；Dx为围油栏两端点迎流方向的长度，即待计算无人艇与其相邻无人艇之间的距离；h为围油栏入水深度；根据围油栏所受总阻力F总，通过力的平衡进行受力分析，计算得到待计算无人艇所受围油栏拖曳力的大小F。
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| Publication number | Publication date |
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