CN116395097A - 一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法，主要应用于海上船舶安全领域，可搭载在救助艇、救生艇和一些有特殊要求的小艇上。本发明基于船体运动学原理分析辨识船体横摇姿态变化规律，建立船舶姿态预测模型，能够在复杂的海上环境上快速、准确、合理的预测一定时间段内船舶姿态变化趋势，并判断其是否有倾覆风险，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆，减少人员伤害和财产损失。

Description

一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法
技术领域
本发明涉及海上船舶安全领域，特别涉及一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法。
背景技术
船舶航行安全是海上航行中最关键的问题，船舶由于装载不当，载前移位、船体破损、操纵不当及浸水、转舵、风暴、涌浪、海啸或具它强烈环境影响，导致复原力矩小于倾覆力矩而呈翻倒的状态，属严重海事的一种。船舶倾覆会导致排气口、透气和通风口进水，燃油泄漏和舱室进水，往往会造成人命、财产的巨大损失及海洋污染等，因此各领域都在努力探索避免船舶倾覆的有效手段。
船舶漂浮于水中，在浮力和重力的综合作用下保持姿态平衡，浮力的作用点为浮心，重力的作用点成为重心。一般来说，对于漂浮的船舶，重心的高度必须低于浮心的高度，两者的高度差叫做初稳性高度；初稳性高度越大，船舶的稳性越好，船舶稳性的好坏决定了船舶抗倾覆的能力的大小。船舶动稳性是指，船舶在水中会受到风与浪的作用，产生力矩使船舶向某一侧偏转，该侧浸没入水中的体积会增加，进而导致该侧浮力增大，即造成浮心的位置向倾覆一侧移动，指向朝内的浮力与向下的重力共同作用，使船舶产生一个力矩，与船舶倾覆的方向相反，使船舶在该力矩的作用下恢复到原来的平衡位置，该力矩就叫做复原力矩。一般来说，将船只能够保证一定回转力臂用于恢复自身姿态稳定的最大角度定义为船只的倾覆临界角度，船舶的倾覆程度只要不超过这个极限值都可以在船舶的复原力矩的作用下恢复平衡状态。
基于此原理设计的一些救助艇、救生艇和有特殊要求的小艇，在艇倾覆后可以自行回正，被称为自扶正能力，但是自扶正能力对船舶设计和外部密封均有较高要求，不适用于所有船舶，针对不具备自扶正能力的船舶，自动化领域设计了自扶正控制器用于船舶倾覆后的回正动作；但是无论是自扶正能力，亦或者是自扶正控制器，都是船舶倾覆后才起作用，此时损失已经造成，扶正也只是减少损失而已。船舶海上航行时，左右横摇姿态变化呈现周期性特征，船体固输特性较为稳定，因此可以通过姿态的变化，结合角速度和角加速度推算船舶是否有倾覆风险，然后作出反应。
综上所述，需要一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制系统及方法，能够在复杂的海上环境上快速、准确、合理的预测一定时间段内船舶姿态变化趋势，并判断其是否有倾覆风险，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆，减少人员伤害和财产损失。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法。
本发明包含以下步骤：
步骤100：基于船体运动学和动力学方程建立船体横摇姿态预测模型。
步骤200：由姿态传感器采集船体实时姿态数据和惯性数据，以一段时间内的先验冲击数据为输入，带入步骤001中的船体横摇姿态预测模型计算得到船体横摇状态特征参数数据集作为结果；所述的特征参数数据集中的元素包括船型的横摇特征频率和船型的摆动幅值衰减系数。
步骤300：以步骤200中的特征参数数据集为输入，基于最小二乘法线性拟合模型估算船体横摇状态特征参数与速度的多项式拟合关系，根据当前速度估算符合当前环境参数的最优船体横摇状态特征参数，得到调整后的船体横摇姿态预测模型。
步骤400：将姿态传感器数据输入调整后的船体横摇姿态预测模型，计算得到船体横摇姿态变化曲线；
根据曲线峰值判断是否有倾覆风险，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆。
步骤500：当剧烈冲击导致船体倾覆或者防倾覆自扶正控制系统未有效阻止船体倾覆而导致船体翻转90度且无法依靠回转力臂扶正船体时，达到一定时间累计，防倾覆自扶正控制系统将会依次触发左右自扶正气囊展开保证倾覆船体逐步回正。
本发明的具有以下优点：
1.本发明基于船体运动学和动力学原理分析船体横摇姿态变化规律，将船体横摇近似处理为简谐运动，通过试验和船型特征参数分析可得到船体横摇状态特征参数，带入预测模型估算船体姿态变化曲线，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆，减少人员伤害和财产损失；对于已经倾覆的船体，立刻激活自扶正气囊，扶正船体。
2.由于船体的横摇特性会受到船体速度和环境参数的影响，本发明采用基于最小二乘法的线性回归手段以船体航行前一段时间内的数据作为样本输入，结合当前环境条件下船体横摇姿态变化规律，反演拟合得到当前条件下船体横摇状态特征参数，采用调整后的船体横摇状态参数带入预测模型估算船体姿态变化曲线，可以减弱或抵消外部环境变化对船体摇摆特性的影响。
附图说明
图1是自扶正气囊布置示意图；
图2是基于姿态拟合预测的防倾覆自扶正控制系统组成及流程图；
图3是船体横摇姿态变化曲线图示例。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本发明作进一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义上来理解以下的详细描述。
本发明提供一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制系统及方法，包含以下步骤：
步骤100：基于船体运动学和动力学方程建立船体横摇姿态预测模型。
步骤200：由姿态传感器采集船体实时姿态数据和惯性数据，以一段时间内的先验冲击数据
Figure BDA0004082562580000031
为输入，带入步骤001中的船体横摇姿态预测模型计算得到船体横摇状态特征参数数据集{Ri(σi,wTi)}作为结果，其中i表示数据集里面某一条数据，T表示特征参数。
步骤300：以步骤002中的数据集为输入，基于最小二乘法线性拟合模型估算船体横摇状态特征参数与速度的多项式拟合关系，根据当前速度估算符合当前环境参数的最优船体横摇状态特征参数，得到调整后的船体横摇姿态预测模型。
步骤400：将姿态传感器数据输入调整后的船体横摇姿态预测模型，计算得到船体横摇姿态变化曲线，根据曲线峰值判断是否有倾覆风险，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆。
步骤500：当剧烈冲击导致船体倾覆或者防倾覆自扶正控制系统未有效阻止船体倾覆而导致船体翻转90度且无法依靠回转力臂扶正船体时，达到一定时间累计，防倾覆自扶正控制系统将会依次触发左右自扶正气囊展开保证倾覆船体逐步回正。
在本发明的步骤100中，海上船舶受冲击后有阻尼状态下的横摇规律可近似处理为简谐运动。定义船体转动力矩为Mf，船体横摇姿态角度为θ，船体转动力矩生成比例因子为K，船体转动惯量为J，船体航向为ψ，船体转动角速度为w，船体角动量为L，船体重力为Mg，船体重心作用力臂为R，初始时刻的角度为θ0，初始时刻的角速度为w0。
首先将船体转动力矩为Mf与船体横摇姿态角度为θ的关系简化为正比例函数，即满足式1-1，然后基于角动量守恒原理可得式1-2，海上船舶受冲击后有阻尼状态下的简谐运动近似处理相关公式推导如下：
Mf＝Kθ 式1-1
L＝Jw 式1-2
Figure BDA0004082562580000041
Jα＝MgRsinθ-Mf＝MgRsinθ-kθ式1-4
由于船体最大安全倾斜角度一般不会大于45度，因此
Figure BDA0004082562580000042
时，基于线性拟合原理，可得sinθ近似于正比例函数Nγθ，且误差不大于5％，即：
sinθ≈Nγθ,Nγ＝0.9384式1-5
式1-5带入式1-4可得：
Jα＝NγMgRθ-Kθ式1-6
对式1-6进行拉普莱斯变换可得：
J(Θs2-sθ0-w0)＝(NγMgR-K)Θ 式1-7
Θ(Js2+K-NγMgR)＝J(sθ0+w0) 式1-8
Figure BDA0004082562580000043
对式1-9拉普莱斯反变换可得：
Figure BDA0004082562580000044
定义
Figure BDA0004082562580000045
为该船型的横摇特征频率，则式1-10可简化为：
Figure BDA0004082562580000046
定义AT表示式1-11中的幅值和
Figure BDA0004082562580000051
表示式1-11中的相位，则可得式1-12简谐运动方程组：
Figure BDA0004082562580000052
考虑到船体在海水中运动属于周期性有阻尼摆动，受海水摩擦力影响，摆动幅值呈现周期性缩小的趋势，因此加入衰减环节e-σt，σ为衰减系数，如下式1-13：
Figure BDA0004082562580000053
由上式可得θ的时域表达式中有两个未知量：σ和wT，其余量均可由wT与初始状态X0(θ0,w0)计算得到，定义船体横摇状态特征参数R(σ,wT)，因此求得R(σ,wT)便可得到船体倾斜角θ的时域变化方程，进而预测船体是否有倾覆风险，并做出针对性预防动作。
在本发明的步骤200以及300中，船体在航行时，自稳特性与速度相关，低速状态下随着速度的增加，在水流的约束作用下，船体纵摇幅度会减小，从而提高船体直航稳性，因此得出船体某一状态时的σ和wT后仍然需要考虑速度对船体稳性的影响，本发明采用最小二乘法利用N阶多项式拟合参数σ、wT与航速v的关系，相关步骤如下：
步骤201：采集有效海浪冲击数据：在船舶未倾覆之前一段时间内满足一定条件的数据都会被判断为有效数据添加进数据集，判断条件是船体角速度w短时间内出现明显增加，并且当角加速度α处于过零点位置时，记录此时的船体倾斜角度θ0i、角速度wi和航速vi，然后测算由于此次冲击船体达到的翻滚角度幅值Ai和到达时间ΔTi，利用到达时间ΔTi可求得简谐运动相位
Figure BDA0004082562580000054
到此便得到了一条先验冲击数据/>
Figure BDA0004082562580000055
其中ψi作为数据分类依据，形成数据集，基于此条数据带入式1-10可得当前状态下的船体横摇状态特征参数Ri(σi,wTi)；
步骤202：重复步骤201，得到一段时间内的先验冲击数据集
Figure BDA0004082562580000056
和横摇状态特征参数数据集{Ri(σi,wTi)}；
步骤203：采用最小二乘法获取在一定速度下σ、wT与航速v的多项式关系。
最小二乘法一般多项式模型表达式如下:
Figure BDA0004082562580000057
对于m个样本采样集合M(xi,yi)，定义xi,yi为实际采样值，
Figure BDA0004082562580000058
为多项式拟合函数预测值，则满足以下多项式关系：
Figure BDA0004082562580000061
误差平方和E计算表达式为：
Figure BDA0004082562580000062
计算E的最小值，对等式右边对ai,i＝0,1,2…n，求偏导，得到以下n+1个等式：
Figure BDA0004082562580000063
整理式2-4得到
Figure BDA0004082562580000064
求解式2-5中n+1组n+1元一次等式便可得到a0…an的值，从而获得y和x间的多项式关系。
基于上述原理，定义船体横摇状态特征参数R(σ,wT)分别满足以下关系：
Figure BDA0004082562580000065
将先验冲击数据集
Figure BDA0004082562580000066
横摇状态特征参数数据集{Ri(σi,wTi)}和关系式2-6带入式2-5的等式组中可求取参数组{α0,α1…αn}和{{β0,β1…βn}}，进而获得在一定速度下σ、wT与航速v的多项式关系，
在本发明的步骤400以及500中：
1)防倾覆自扶正控制系统临界判断角度θLimit
一般来说，将船只能够保证一定回转力臂用于恢复自身姿态稳定的最大角度定义为船只的倾覆临界角度θ1，除此之外，船只倾斜过多时会造成船舷低于水面，进而导致船只沉没倾覆，将船只倾斜导致进水的最小角度定义为进水临界角度θ2，综上而言，防倾覆自扶正控制系统预测船只是否具备倾覆风险时应保证船只预期最大角度小于倾覆临界角度θ1和进水临界角度θ2，即临界判断角度θLimit取θ1和θ2中的最小值。
θLimit＝min(θ1,θ2) 式3-1
2)防倾覆判断逻辑
定义考虑船体横摇周期T1和自扶正气囊展开时间T2，防倾覆自扶正控制系统预测时间长度为Tf，防倾覆自扶正控制系统预测船体是否有倾覆风险时，如果Tf过小，则无法保证自扶正气囊顺利展开，如果Tf过大，则无法保证预测精度，为保证防倾覆自扶正控制系统可有效且可靠的预测船体是否有倾覆风险，采用如下等式关系计算Tf：
Figure BDA0004082562580000071
其中T1可由式1-13得到：
Figure BDA0004082562580000072
船体两侧均安装有自扶正气囊，当船体有向右舷倾覆的风险时，防倾覆自扶正控制系统会触发右侧自扶正气囊展开，反之为左侧。
3)自扶正判断策略
当剧烈冲击导致船体倾覆或者防倾覆自扶正控制系统未有效阻止船体倾覆而导致船体翻转90度且无法依靠回转力臂扶正船体时，达到一定时间累计Ts(一般可设置为60s)，防倾覆自扶正控制系统将会依次触发左右自扶正气囊展开保证倾覆船体逐步回正，左右自扶正气囊展开顺序与船体倾覆的角度有关，如果船体倾覆偏向右舷，则先展开右舷自扶正气囊使船体产生回转力臂，待船体横摇角度小于θLimit时再展开左侧自扶正气囊，反之同理。
实施例：
图1是自扶正气囊布置示意图，船舶A001一般为救助艇、救生艇和有特殊要求的小艇，左自扶正气囊A002和右自扶正气囊A003分别布置在船舶A001的两侧，在船体有倾覆风险时触发展开。
图2是基于姿态拟合预测的防倾覆自扶正控制系统组成及流程图，防倾覆自扶正控制系统由姿态传感器1-A004、姿态传感器2-A005、防倾覆自扶正控制器A006、驱动器单元A007、左自扶正气囊A002和右自扶正气囊A003组成，两个姿态传感器互为冗余，相互校准，防倾覆自扶正控制器A006负责防倾覆自扶正控制算法，算法流程如下：
步骤100：基于船体运动学和动力学方程建立船体横摇姿态预测模型；
步骤200：由姿态传感器采集船体实时姿态数据和惯性数据，以一段时间内的先验冲击数据
Figure BDA0004082562580000081
为输入，带入步骤001中的船体横摇姿态预测模型计算得到船体横摇状态特征参数数据集{Ri(σi,wTi)}作为结果；
步骤300：以步骤200中的数据集为输入，基于最小二乘法线性拟合模型估算船体横摇状态特征参数与速度的多项式拟合关系，根据当前速度估算符合当前环境参数的最优船体横摇状态特征参数；
步骤400：将姿态传感器数据输入调整后的船体横摇姿态预测模型，计算得到船体横摇姿态变化曲线，根据曲线峰值判断是否有倾覆风险，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆。
图3为船体横摇姿态变化曲线图示例，0-t1时间段内船体横摇姿态平稳，在t1-t2时间段内，出现了一次姿态峰值，低于θLimit，无倾覆风险，t2-t3时间段内船体横摇姿态继续保持平稳，在t3-t4时间段内，姿态峰值大于θLimit，有倾覆风险，防倾覆自扶正控制器将在峰值到达的前一段时间提前触发自扶正气囊，避免船体倾覆。

Claims (6)

1.一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤100：基于船体运动学和动力学方程建立船体横摇姿态预测模型；
步骤200：由姿态传感器采集船体实时姿态数据和惯性数据，以一段时间内的先验冲击数据为输入，带入步骤001中的船体横摇姿态预测模型计算得到船体横摇状态特征参数数据集作为结果；所述的特征参数数据集中的元素包括船型的横摇特征频率和船型的摆动幅值衰减系数；
步骤300：以步骤200中的特征参数数据集为输入，基于最小二乘法线性拟合模型估算船体横摇状态特征参数与速度的多项式拟合关系，根据当前速度估算符合当前环境参数的最优船体横摇状态特征参数，得到调整后的船体横摇姿态预测模型；
步骤400：将姿态传感器数据输入调整后的船体横摇姿态预测模型，计算得到船体横摇姿态变化曲线；
根据曲线峰值判断是否有倾覆风险，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆；
步骤500：当剧烈冲击导致船体倾覆或者防倾覆自扶正控制系统未有效阻止船体倾覆而导致船体翻转90度且无法依靠回转力臂扶正船体时，达到一定时间累计，防倾覆自扶正控制系统将会依次触发左右自扶正气囊展开保证倾覆船体逐步回正。
2.根据权利要求1所述的一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法，其特征在于：
步骤100中的所述的船体横摇姿态预测模型是指海上船舶受冲击后有阻尼状态下的周期横摇运动模型，基于该模型的时域姿态预测方程组如下：
Figure FDA0004082562570000011
其中船体转动力矩为Mf，船体横摇姿态角度为θ，船体转动力矩生成比例因子为K，船体转动惯量为J，船体转动角速度为w，船体角动量为L，船体重力为Mg，船体重心作用力臂为R，首先将船体转动力矩为Mf、船体横摇姿态角度为θ，初始时刻的角度为θ0，初始时刻的角速度为w0，Nγ为
Figure FDA0004082562570000021
时正弦函数与正比例函数的近似系数，σ为摆动幅值衰减系数，t为时间，AT为摆动特征幅值，wT为横摇特征频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法，其特征在于：
步骤100中的所述的先验冲击数据包括船体初始时刻的角度、船体转动角速度、船体速度、航向、船体摆动幅值和船体摆动幅值所对应的相位。
4.根据权利要求1所述的一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法，其特征在于：
步骤400中所述的根据曲线峰值判断是否有倾覆风险，对于有倾覆风险的横摇冲击提前作出动作，触发船体两侧的自扶正气囊展开，避免船体倾覆，具体是：
1)选取船体倾覆临界角度θ1和进水临界角度θ2间的最小值作为防倾覆自扶正控制系统的临界判断角度θLimit，即：
θLimit＝min(θ1,θ2)
2)防倾覆判断逻辑
定义考虑船体横摇周期T1和自扶正气囊展开时间T2，防倾覆自扶正控制系统预测时间长度为Tf，防倾覆自扶正控制系统预测船体是否有倾覆风险时，采用如下等式关系计算Tf：
Figure FDA0004082562570000022
其中T1为：
Figure FDA0004082562570000023
船体两侧均安装有自扶正气囊，当船体有向右舷倾覆的风险时，防倾覆自扶正控制系统会触发右侧自扶正气囊展开，反之为左侧。
5.根据权利要求1所述的一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法，其特征在于：所述的防倾覆自扶正控制系统由两个姿态传感器、防倾覆自扶正控制器、驱动器单元、左自扶正气囊和右自扶正气囊组成，两个姿态传感器互为冗余，相互校准；两个姿态传感器的输入连接防倾覆自扶正控制器，防倾覆自扶正控制器通过所述驱动器单元控制位于船舶两侧的左自扶正气囊和右自扶正气囊。
6.根据权利要求5所述的一种基于姿态拟合预测的船舶防倾覆自扶正控制方法，其特征在于：步骤401具体是：
防倾覆自扶正控制系统依次触发左、右自扶正气囊展开保证倾覆船体逐步回正；左、右自扶正气囊展开顺序与船体倾覆的角度有关，如果船体倾覆偏向右舷，则先展开右舷自扶正气囊使船体产生回转力臂，待船体横摇角度小于临界判断角度θLimit时，再展开左侧自扶正气囊，反之同理。
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