CN115857497A - 用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质 - Google Patents

用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质 Download PDF

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CN115857497A CN202211503096.4A CN202211503096A CN115857497A CN 115857497 A CN115857497 A CN 115857497A CN 202211503096 A CN202211503096 A CN 202211503096A CN 115857497 A CN115857497 A CN 115857497A
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赵金
付振宇
洪子奇
顾逸君
李萌
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Abstract

本发明公开了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质，属于船舶运动控制领域。包括：S1、选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；S2、控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速和第二转速交替切换，计算当前切换时刻的修正项，包括：获取相邻切换时刻双体船的位置，以两位置的中点离待跟踪直线的距离趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出修正项；S3、以所述修正项修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；S4、判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复S2和S3，若是，结束控制。本发明能够使双体船在故障情况下控制的可靠性。

Description

用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质
技术领域
本发明属于船舶运动控制领域，更具体地，涉及一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质。
背景技术
近年来，无人载具受到越来越多的关注，同时海洋经济日渐得到重视使得水上无人载具及其研究成为研究热点。双体船是指在两个分离的水下船体上部用加强构架连接成一个整体的“船舶”，具有两舵两螺旋桨，在船舶研究领域应用广泛。水下环境复杂多变，充满了时变的风、浪、流，这些都给双体船的执行器带来了故障隐患，当执行器出现故障时，如何快速回收故障船只进行维修具有重要的科研意义与经济意义。
当双体船的整个动力系统中仅剩一个螺旋桨可用时，即船舶的两个舵和其中一个螺旋桨均已损坏，此时船舶的动力系统已无法正常控制船舶的航向及航速，船舶已经不具备正常航行能力，由于双体船螺旋桨的不对称分布，船舶将向一个方向进行圆周运动。现有技术中，控制仅剩一个螺旋桨的双体船使其航行至指定目标点的方法为开环控制方法，该方法没有考虑船舶自身存在较大的惯性的影响，在控制航行轨迹时会存在较大的偏差，使得故障船只无法到达指定目标点，控制方法可靠性较低。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法、系统及介质，其目的在于当双体船的动力系统仅剩一只螺旋桨可用时，也能够控制双体船稳定、安全运行至指定目标点，提升控制的可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法，包括：
S1、选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；
S2、控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速nrb和第二转速nrs交替切换，计算当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000021
包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置ci-1和ci，以ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出所述修正项/>
Figure BDA0003967059080000022
S3、以所述修正项
Figure BDA0003967059080000023
修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；
S4、判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复所述S2和所述S3，若是，结束控制。
进一步地，所述S2中，所述当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000024
为：
Figure BDA0003967059080000025
其中，KP与KI分别为比例和积分的系数，Li为ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离，
Figure BDA0003967059080000026
为当前切换时刻的积分项。
进一步地，所述当前切换时刻的积分项
Figure BDA0003967059080000027
为：
Figure BDA0003967059080000028
其中，
Figure BDA0003967059080000029
分别为所述前切换时刻的积分项的上下限值。
进一步地，所述双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时满足：
Figure BDA00039670590800000210
其中，ψi为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。
进一步地，所述ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li为：
Figure BDA00039670590800000211
其中，ci-1＝[xi-1,yi-1]、ci＝[xi,yi]，待跟踪直线的方程记为Ax+By+C＝0。
按照本发明的第二方面，提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制系统，包括：期望前进方向计算模块、转速切换模块、修正项设计模块及判断模块；
所述期望前进方向计算模块用于选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；
所述转速切换模块用于控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速nrb和第二转速nrs交替切换，并以所述修正项设计模块输出的修正项
Figure BDA0003967059080000031
修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；
所述修正项设计模块用于计算当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000032
包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置ci-1和ci，以ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出所述修正项/>
Figure BDA0003967059080000033
所述判断模块用于判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复执行所述转速切换模块及所述修正项设计模块，若是，结束控制。
进一步地，所述修正项设计模块中，当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000034
为：
Figure BDA0003967059080000035
其中，KP与KI分别为比例和积分的系数，Li为ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离，
Figure BDA0003967059080000036
为当前切换时刻的积分项。
进一步地，所述当前切换时刻的积分项
Figure BDA0003967059080000037
为：
Figure BDA0003967059080000038
其中，
Figure BDA0003967059080000039
分别为所述前切换时刻的积分项的上下限值。
进一步地，所述转速切换模块中，所述双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时满足：
Figure BDA00039670590800000310
/>
其中，ψi为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。
按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面任意一项所述的控制方法。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明设计的这种控制方法针对仅单桨完好的情况下双体船拟跟随轨迹的控制，在双体船拟跟随轨迹两侧分别采用不同航速，使得船舶能够螺旋前进，将当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000041
加入航速切换条件中，基于PI控制，以相邻两个切换时刻双体船的位置连线中点与待跟踪直线的距离Li作为误差项，通过设计的修正项/>
Figure BDA0003967059080000042
修正当前切换时刻的切换角度以使误差收敛，进而使双体船的运行轨迹跟随期望螺旋前进的方向行进，实现在故障情况下也能够安全运行至指定目标点，提升了双体船在动力系统损坏时控制的可靠性。
(2)由于以修正项调整航速切换时刻的角度，使得在理想切换点与实际切换点之间留有一定的裕量，最大程度上降低了双体船本身具有的大惯性对航向的影响，以及由于对船舶的实际控制时刻都是离散的，避免存在实际切换点与待跟踪直线不相交的问题，进一步提升了航向控制的稳定性和可靠性。
(3)进一步地，本发明设计的积分项项存在限幅，可以避免积分饱和。
总而言之，本发明适用于仅单桨完好下的双体船容错运动控制，能够使双体船在故障情况下也能够稳定、安全航行指定目标点，提升控制的可靠性。
附图说明
图1是本发明提供的仅单桨完好情况下双体船航向控制流程图。
图2是本发明实施例1提供以Otter船进行双体船单螺旋桨螺旋前进控制的轨迹仿真实验曲线图。
图3是本发明实施例1的单桨螺旋前进的误差曲线图。
图4是本发明实施例2提供的以双体无人艇HUSTER-30进行实际物理实验的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示，本发明提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法，包括如下步骤：
S1、选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到期望船舶进行螺旋前进的方向角度θ；其中，记待跟踪直线方程为Ax+By+C＝0；
S2、控制双体船仅剩的螺旋桨的转速以第一转速nrb和第二转速nrs交替切换；计算当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000051
包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置ci-1和ci，以ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出修正项
Figure BDA0003967059080000052
S3、以修正项
Figure BDA0003967059080000053
修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与待跟踪直线垂直时进行转速切换；
S4、判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复S2和S3，若是，结束控制。
具体地，S2中，当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000054
为：
Figure BDA0003967059080000061
其中，KP与KI分别为比例和积分的系数，Li为ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离，
Figure BDA0003967059080000062
为当前切换时刻的积分项，等于上一切换时刻的积分项与Li之和。
ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li为：
Figure BDA0003967059080000063
其中，ci-1＝[xi-1,yi-1]、ci＝[xi,yi]，该距离有正负，定义船舶在待跟踪直线一侧的位置坐标为正，则在待跟踪直线另一侧的位置坐标为负。
进一步地，本发明设计的当前切换时刻的积分为：
Figure BDA0003967059080000064
本发明设计的积分项项存在限幅，
Figure BDA0003967059080000065
以避免积分饱和，/>
Figure BDA0003967059080000066
分别为当前切换时刻积分项的上下限值。
具体地，S3中，双体船的运行轨迹与待跟踪直线垂直时满足：
Figure BDA0003967059080000067
式中，ψi为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度，
Figure BDA0003967059080000068
为当前切换时刻的修正项，用于修正当前切换的时刻的切换角度。
其中，修正项的初始值为0，在每次控制双体船螺旋桨转速切换时，通过改变当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000069
调节船舶螺旋前进的总体航向ψi，使得船舶沿着期望螺旋前进的方向角度θ前进。
具体地，S2中，设定双体船螺旋前进的第一转弯半径对应螺旋桨的第一转速nrb，第二转弯半径对应螺旋桨的第二转速nrs，其中，第一转弯半径大于第二转弯半径，螺旋桨不同的转速对应不同的转弯半径使得船舶能够以螺旋的方式前进。
具体地，本发明实施例中，通过传感器测量测量双体船当前切换时刻的螺旋桨转速、船舶位置及航向。
本发明设计的这种控制方法针对仅单桨完好的情况下双体船拟跟随轨迹的控制，基于航行轨迹半径与航速的关系设计了双体船在拟跟随轨迹两侧分别采用不同航速，在螺旋桨不同的转速下，船舶的回转半径不同，使得船舶螺旋前进，基于PI控制，将当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000071
加入航速切换条件中，以相邻两个切换时刻双体船的位置连线中点与待跟踪直线的距离Li作为误差项，通过设计的修正项/>
Figure BDA0003967059080000072
修正当前切换时刻的切换角度以使误差收敛，进而使双体船的运行轨迹跟随期望螺旋前进的方向行进，使得双体船在故障情况下也能够安全运行至指定目标点，提升了双体船在动力系统损坏时控制的可靠性。
同时，以修正项调整航速切换时刻的角度，使得在理想切换点与实际切换点之间留有一定的裕量，最大程度上降低了船舶本身具有的大惯性对航向的影响，以及在对船舶实际控制时刻都是离散的，避免存在实际切换点与待跟踪直线不相交的问题，进一步提升了航向控制的稳定性和可靠性。
按照本发明的另一方面，本发明还提供了一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制系统，主要包括：期望前进方向计算模块、转速切换模块、修正项设计模块及判断模块；
期望前进方向计算模块，用于选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到期望船舶进行螺旋前进的方向角度θ；其中，记待跟踪直线方程为Ax+By+C＝0；
转速切换模块，用于控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速nrb和第二转速nrs交替切换，以修正项设计模块输出的修正项
Figure BDA0003967059080000073
修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与待跟踪直线垂直时进行转速切换；
修正项设计模块，用于计算当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000074
包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置ci-1和ci，以ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出修正项/>
Figure BDA0003967059080000075
判断模块，用于判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复执行转速切换模块及修正项设计模块，若是，结束控制。
修正项设计模块中，当前切换时刻的修正项
Figure BDA0003967059080000081
为：
Figure BDA0003967059080000082
其中，KP与KI分别为比例和积分的系数，Li为ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离，
Figure BDA0003967059080000083
为当前切换时刻的积分项。
具体地，当前切换时刻的积分项
Figure BDA0003967059080000084
为：
Figure BDA0003967059080000085
其中，
Figure BDA0003967059080000086
分别为前切换时刻的积分项的上下限值。
具体地，转速切换模块中，双体船的运行轨迹与待跟踪直线垂直时满足
Figure BDA0003967059080000087
其中，ψi为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。
本发明设计的一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制器用于执行上所示的一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所示用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法。
下面以两个具体的实施例对本发明的方法做进一步的说明。
实施例1
如图2和图3所示，本实施例中，采用Otter船进行双体船单螺旋桨螺旋前进控制器的仿真。由于Otter船没有舵，因此只需一侧螺旋桨停转，即可模拟仅单侧桨完好的故障。设定直线方程为x+y＝0。分别对本方法设计的闭环控制器及理想条件下的开环控制器进行了仿真。其中，理想控制器不使用修正项，当ψi-θ＝±90°时切换螺旋桨转速。对于闭环控制器，本实施例中，取KP＝0.2，KI＝0.12，积分限幅为±20，修正项限幅为±30。图2给出了单桨螺旋前进的船舶航行轨迹。可以看出，闭环路径曲线则根据误差，采用修正项进行了路径修正，图中闭环路径曲线穿过了待跟踪直线，沿给定路径直线螺旋前进，而开环路径曲线则偏离了给定直线。
图3给出了单桨螺旋前进的误差曲线，由图3可以看出，误差按照ci与ci-1的中点离跟踪直线的距离来衡量，图中闭环控制器的误差基本在0.5m以内，而开环控制器误差随时间逐渐增加。实际上，开环控制器近似沿着直线x+3y＝0螺旋前进，与设定的跟踪直线角度偏差大约为26°。由于存在角度偏差，开环控制器离设定的直线越来越远。而闭环控制器基本沿着给定直线x+y＝0螺旋前进。这一结果证明了本方法设计的控制器的有效性。
实施例2
如图4所示，本实施例中，采用的是华中科技大学无人艇团队自主研发的双体无人艇HUSTER-30。将HUSTER-30的所有舵机固定，并使一侧螺旋桨停转，仅保留一侧螺旋桨工作。令比例系数KP＝24，积分系数KI＝3，单侧螺旋桨转速2000rpm对应较大转弯半径(即第一转弯半径)，4000rpm对应较小转弯半径(即第二转弯半径)。除了闭环控制器之外，还给出了开环的控制效果作为对比。受到实验场地的限制，定湖中心的一固定点与双体船初始位置的连线为待跟踪直线，因此与实施例1中的跟踪的直线不相同，这样设定也有符合实际应用，即船舶在随机某点发生故障，需要回到某个固定的港口，此时，船舶的航行方向就是当前位置与港口的连线。由图4可以看出，开环的控制策略无法达到正常控制船舶螺旋直线前进的目标，而本方法设计的闭环控制器基本沿给定直线方向直线前进，达到了较好的控制效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制方法，其特征在于，包括：
S1、选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；
S2、控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速nrb和第二转速nrs交替切换，计算当前切换时刻的修正项
Figure FDA0003967059070000011
包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置ci-1和ci，以ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出所述修正项/>
Figure FDA0003967059070000012
S3、以所述修正项
Figure FDA0003967059070000013
修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；
S4、判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复所述S2和所述S3，若是，结束控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述S2中，所述当前切换时刻的修正项
Figure FDA0003967059070000014
为：
Figure FDA0003967059070000015
其中，KP与KI分别为比例和积分的系数，Li为ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离，
Figure FDA0003967059070000016
为当前切换时刻的积分项。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述当前切换时刻的积分项
Figure FDA0003967059070000017
为：
Figure FDA0003967059070000018
其中，
Figure FDA0003967059070000019
分别为所述前切换时刻的积分项的上下限值。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时满足：
Figure FDA00039670590700000110
其中，ψi为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的控制方法，其特征在于，所述ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li为：
Figure FDA0003967059070000021
其中，ci-1＝[xi-1,yi-1]、ci＝[xi,yi]，待跟踪直线的方程记为Ax+By+C＝0。
6.一种用于单桨完好下的双体船航向运动控制系统，其特征在于，包括：期望前进方向计算模块、转速切换模块、修正项设计模块及判断模块；
所述期望前进方向计算模块用于选定双体船在故障时的位置与指定目标点的连线为待跟踪直线，得到双体船期望螺旋前进的方向角度θ；
所述转速切换模块用于控制双体船仅剩的螺旋桨以第一转速nrb和第二转速nrs交替切换，并以所述修正项设计模块输出的修正项
Figure FDA0003967059070000022
修正当前切换的时刻的切换角度，使双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时进行转速切换；
所述修正项设计模块用于计算当前切换时刻的修正项
Figure FDA0003967059070000023
包括：获取上一切换时刻与当前切换时刻双体船的位置ci-1和ci，以ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离Li趋近于0为控制目标，通过PI控制，输出所述修正项/>
Figure FDA0003967059070000024
所述判断模块用于判断双体船是否到达指定目标点，若否，重复执行所述转速切换模块及所述修正项设计模块，若是，结束控制。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述修正项设计模块中，当前切换时刻的修正项
Figure FDA0003967059070000025
为：
Figure FDA0003967059070000026
其中，KP与KI分别为比例和积分的系数，Li为ci-1和ci的中点离待跟踪直线的距离，
Figure FDA0003967059070000027
为当前切换时刻的积分项。
8.根据权利要求7所述的控制系统，其特征在于，所述当前切换时刻的积分项
Figure FDA0003967059070000031
为：
Figure FDA0003967059070000032
其中，
Figure FDA0003967059070000033
分别为所述前切换时刻的积分项的上下限值。
9.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述转速切换模块中，所述双体船的运行轨迹与所述待跟踪直线垂直时满足：
Figure FDA0003967059070000034
其中，ψi为当前切换时刻的双体船航向角度，θ为双体船期望螺旋前进的方向角度。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任意一项所述的控制方法。
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