CN116859972A - 基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法及装置，其中方法包括以下步骤：构建具有波浪主动补偿性能的双体无人船系统结构；建立甲板平台在X‑Z平面的动力学方程，并根据液压驱动力满足的条件，对动力学方程进行整理，建立系统控制模型；通过传感器获得甲板平台、片体的位姿、速度信息，并反馈至系统控制模型；根据系统控制模型和给定的甲板平台的期望位姿，利用反步法设计系统的控制律，并根据控制律控制调节液压驱动装置，驱动甲板平台追踪期望位姿，实现无人船甲板平台增稳控制。与现有技术相比，本发明具有提升甲板平稳性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无人船平稳控制领域，尤其是涉及一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法及装置。
背景技术
无人船作为海上无人系统的重要组成部分，已经成为研究的热点。相对于有人船舶来说，无人船的优点为智能化、造价低、能耗低、隐蔽性好，可低成本大量部署。而且由于无人船可以自主作业或通过人员远程控制，大大降低了人员作业的危险性，使得无人船可以长期在危险和复杂的海况下进行作业。因此，无人船已经成为海上救援、巡逻警戒、情报搜集、舰艇护航等任务的重要平台。但由于无人船往往排水量受限，其抗风浪能力较差，在恶劣天气和海况下，难以保持自身的稳定性。这不光危及到无人船自身的安全，也对其正常航行和执行任务造成了极大的困难。当无人船处于剧烈的横摇、纵摇或垂荡状态时，其搭载的载荷，如航海雷达、激光雷达、武器系统、摄像头和任务载荷都将处于不平稳的姿态，影响着无人船对的环境感知精度和工作效能。如激光雷达指向多变，造成成像混乱甚至难以成像，不能准确感知周边环境，对无人船自身安全造成影响。因此，开展无人船“减摇”技术研究具有重大意义。
传统船舶有很多减摇方法，如舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍、舵减摇，但大多适用于大型船舶，仅能针对横摇进行减摇且普遍会额外增加航行阻力，在静水和低速情况下，减摇效果将大幅受限。而采用波浪补偿技术设计的无人艇能够通过调节自身结构实现主动减摇，同时能够实现对横摇、纵摇和垂荡多个自由度的稳定。降低甚至隔绝风浪对载荷平台的影响，尤其适用于无人艇这样的小型海洋航行器，具有成本低、效果好、补偿范围大、响应速度快等优点；能够大幅度降低风浪对载荷平台的影响，保证平台姿态和位置稳定；为无人艇的有效载荷提供更好的工作环境，使有效载荷能够正常工作，大幅提高传感器精度，也能够为部署的武器系统提供“增稳平台”，提高武器系统瞄准精准度。
这里需要指出的是，波浪主动补偿技术是海洋装备领域中的一个关键“共性”技术，具有十分重要推广价值。比如，自从远洋轮船的出现，由波浪造成的船舶升沉、摇荡运动使得海上作业(吊重、过驳等)变得十分危险。通常情况下，船舶或海工平台需等待海平面平静后再进行装-卸载等任务。减摇鳍等是目前常用的船舶减摇装置，但该装置不能很好的降低船舶甲板的垂向运动，尤其是在高海况下。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法及装置，通过一种具有波浪补偿性能的无人船系统结构与液压控制驱动的结合，实现甲板增稳控制，提高甲板平稳性，改善船员及乘客的舒适性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法，包括以下步骤：
构建具有波浪主动补偿性能的双体无人船系统结构，所述双体无人船系统包括甲板平台、两个下船片体以及四根液压驱动支撑动力杆；
建立甲板平台在X-Z平面的动力学方程，并根据液压驱动力满足的条件，对动力学方程进行整理，建立系统控制模型；
通过传感器获得甲板平台、片体的位姿、速度信息，并反馈至系统控制模型；
根据系统控制模型和给定的甲板平台的期望位姿，利用反步法设计系统的控制律，并根据控制律控制调节液压驱动装置，驱动甲板平台追踪期望位姿，实现无人船甲板平台增稳控制。
所述双体无人船系统结构具体为：双体无人船的两个下船片体和甲板平台之间采用结构连接方式，使得下船片体和甲板平台在垂荡、纵摇和横摇这三个方向上的运动是相对分离的；液压驱动支撑动力杆和甲板平台之间采用固连方式，支撑杆提供垂直于甲板平台的驱动力。
所述甲板平台在X-Z平面的动力学方程为：
式中，[zc,θc]T代表甲板平台的位姿，mc是甲板平台的质量，Ic是甲板平台的绕y轴转动的转动惯量，F1,F2分别是两个液压驱动装置提供的液压驱动力，a1,a2分别是前杆和后杆距离甲板平台质心的距离，g是重力常数，其中，液压驱动力满足如下条件：
其中，
f(Fi)为非线性项，u1，u2为给定控制信号，代表下船片体的位置导数，b1，b2为系统参数，/>表示下船片体的姿态角导数，n0＝A2/A1是活塞两侧压力比，βe是原油体积模量，A1是活塞无杆侧的面积，Ctc是等效泄露系数，V0为活塞无杆侧初始容积，m0表示滑阀端口的面积梯度比，/>是结构常数，QN是阀的额定流量，VN是阀的额定电压，ΔpN是每个计量孔的额定压降。
所述系统控制模型为：
其中：
所述利用反步法设计系统的控制律的具体步骤为：
令xd＝[zd,θd]T表示甲板平台的期望位姿，定义其位姿误差为：
e1＝x1-xd
定义第一个李雅普诺夫函数：
定义第二个误差：
式中η1为正值常数；
定义第二个李雅普诺夫函数D2：
定义第三个误差：
式中η2为正值常数；
定义第三个李雅普诺夫函数D3：
对第三个李雅普诺夫函数对时间求导，得：
其中η3为正值常数，
为了保证负定，设计系统的控制律为：
代入得/>
一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制装置，包括：
双体无人船系统结构构建模块，用于构建具有波浪主动补偿性能的双体无人船系统结构，所述双体无人船系统包括甲板平台、两个下船片体以及四根液压驱动支撑动力杆；
系统控制模型构建模块，用于建立甲板平台在X-Z平面的动力学方程，并根据液压驱动力满足的条件，对动力学方程进行整理，建立系统控制模型；
数据获取模块，用于通过传感器获得甲板平台、片体的位姿、速度信息，并反馈至系统控制模型；
无人船甲板平台控制模块，用于根据系统控制模型和给定的甲板平台的期望位姿，利用反步法设计系统的控制律，并根据控制律控制调节液压驱动装置，驱动甲板平台追踪期望位姿，实现无人船甲板平台增稳控制。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出了一种区别于传统水面无人艇的新型双体无人船设计架构，基于这种架构，与传统船舶控制不同，本发明中的控制方法不再将无人艇视作刚体，而是内部结构能够通过液压驱动变化的非刚体，进而通过提出的波浪补偿控制算法对无人船各部分的测量和预测对各液压结构进行控制，解决非刚体船身在波浪干扰下的运动甲板姿态控制问题，以实现无人船的主动波浪补偿。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明的双体无人船系统结构示意图；
图3为本发明的双体无人船建模简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例提供一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法，实现无人船甲板平台在X-Z平面的相对静止，如图1所示，包括以下步骤：
S1、构建具有波浪主动补偿性能的双体无人船系统结构。
如图2所示，双体无人船系统包括甲板平台、两个下船片体以及四根液压驱动支撑动力杆。双体船的片体和甲板平台之间的结构连接方式使得它们(片体、甲板)在垂荡、纵摇和横摇这三个方向上的运动是相对分离的。此外，支撑杆和甲板平台之间固连方式使得支撑杆可提供给垂直于甲板平台的驱动力。
S2、建立甲板平台在X-Z平面的动力学方程，并根据液压驱动力满足的条件，对动力学方程进行整理，建立系统控制模型。
这里主要考虑双体船沿着Z轴的垂荡和绕着Y轴的纵摇，如图3所示，首先建立甲板平台在X-Z平面的动力学方程：
式中，[zc,θc]T代表甲板平台的位姿，mc是甲板平台的质量，Ic是甲板平台的绕y轴转动的转动惯量，F1,F2分别是两个液压驱动装置提供的液压驱动力，a1,a2分别是前杆和后杆距离甲板平台质心的距离，g是重力常数。其中，液压驱动力满足如下条件：
其中，
f(Fi)为非线性项，u1，u2为给定控制信号，代表下船片体的位置导数，b1，b2为系统参数，/>表示下船片体的姿态角导数，n0＝A2/A1是活塞两侧压力比，βe是原油体积模量，A1是活塞无杆侧的面积，Ctc是等效泄露系数，V0为活塞无杆侧初始容积，m0表示滑阀端口的面积梯度比，/>是结构常数，QN是阀的额定流量，VN是阀的额定电压，ΔpN是每个计量孔的额定压降。
为了便于对系统设计控制算法，对上述模型公式进行整理，令：
x1＝[zc,θc]T,x3＝[F1,F2]T
设系统的控制信号为u＝[u1,u2]T，进一步改写整理得到系统控制模型：
其中：
S3、通过传感器获得甲板平台、片体的位姿、速度信息，并反馈至系统控制模型。
S4、根据系统控制模型和给定的甲板平台的期望位姿，利用反步法设计系统的控制律，并根据控制律控制调节液压驱动装置，驱动甲板平台追踪期望位姿，实现无人船甲板平台增稳控制。
反步法将整个系统拆分成多个子系统，子系统的阶数不超过原始系统的阶数。接着，对这些拆分的子系统从前往后进行设计，将前一个子系统的控制输入视作下一个子系统的状态变量。通过这种方式，高阶系统的李雅普诺夫函数可以从低阶李雅普诺夫函数中推导出来。
首先，令xd＝[zd,θd]T表示甲板平台的期望位姿，定义其位姿误差为：
e1＝x1-xd
定义第一个李雅普诺夫函数：
定义第二个误差：
式中η1为正值常数；
定义第二个李雅普诺夫函数D2：
定义第三个误差：
式中η2为正值常数；
定义第三个李雅普诺夫函数D3：
对第三个李雅普诺夫函数对时间求导，得：
其中η3为正值常数，
为了保证负定，设计系统的控制律为：
代入得/>
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依据本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理、或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建具有波浪主动补偿性能的双体无人船系统结构，所述双体无人船系统包括甲板平台、两个下船片体以及四根液压驱动支撑动力杆；
建立甲板平台在X-Z平面的动力学方程，并根据液压驱动力满足的条件，对动力学方程进行整理，建立系统控制模型；
通过传感器获得甲板平台、片体的位姿、速度信息，并反馈至系统控制模型；
根据系统控制模型和给定的甲板平台的期望位姿，利用反步法设计系统的控制律，并根据控制律控制调节液压驱动装置，驱动甲板平台追踪期望位姿，实现无人船甲板平台增稳控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法，其特征在于，所述双体无人船系统结构具体为：双体无人船的两个下船片体和甲板平台之间采用结构连接方式，使得下船片体和甲板平台在垂荡、纵摇和横摇这三个方向上的运动是相对分离的；液压驱动支撑动力杆和甲板平台之间采用固连方式，支撑杆提供垂直于甲板平台的驱动力。
3.根据权利要求1所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法，其特征在于，所述甲板平台在X-Z平面的动力学方程为：
式中，[zc,θc]T代表甲板平台的位姿，mc是甲板平台的质量，Ic是甲板平台的绕y轴转动的转动惯量，F1,F2分别是两个液压驱动装置提供的液压驱动力，a1,a2分别是前杆和后杆距离甲板平台质心的距离，g是重力常数，其中，液压驱动力满足如下条件：
其中，
f(Fi)为非线性项，u1，u2为给定控制信号，代表下船片体的位置导数，b1，b2为系统参数，/>表示下船片体的姿态角导数，n0＝A2/A1是活塞两侧压力比，βe是原油体积模量，A1是活塞无杆侧的面积，Ctc是等效泄露系数，V0为活塞无杆侧初始容积，m0表示滑阀端口的面积梯度比，/>是结构常数，QN是阀的额定流量，VN是阀的额定电压，ΔpN是每个计量孔的额定压降。
4.根据权利要求3所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法，其特征在于，所述系统控制模型为：
其中：
5.根据权利要求4所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制方法，其特征在于，所述利用反步法设计系统的控制律的具体步骤为：
令xd＝[zd,θd]T表示甲板平台的期望位姿，定义其位姿误差为：
e1＝x1-xd
定义第一个李雅普诺夫函数：
定义第二个误差：
式中η1为正值常数；
定义第二个李雅普诺夫函数D2：
定义第三个误差：
式中η2为正值常数；
定义第三个李雅普诺夫函数D3：
对第三个李雅普诺夫函数对时间求导，得：
其中η3为正值常数，
为了保证负定，设计系统的控制律为：
代入得/>
6.一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制装置，其特征在于，包括：
双体无人船系统结构构建模块，用于构建具有波浪主动补偿性能的双体无人船系统结构，所述双体无人船系统包括甲板平台、两个下船片体以及四根液压驱动支撑动力杆；
系统控制模型构建模块，用于建立甲板平台在X-Z平面的动力学方程，并根据液压驱动力满足的条件，对动力学方程进行整理，建立系统控制模型；
数据获取模块，用于通过传感器获得甲板平台、片体的位姿、速度信息，并反馈至系统控制模型；
无人船甲板平台控制模块，用于根据系统控制模型和给定的甲板平台的期望位姿，利用反步法设计系统的控制律，并根据控制律控制调节液压驱动装置，驱动甲板平台追踪期望位姿，实现无人船甲板平台增稳控制。
7.根据权利要求6所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制装置，其特征在于，所述双体无人船系统结构具体为：双体无人船的两个下船片体和甲板平台之间采用结构连接方式，使得下船片体和甲板平台在垂荡、纵摇和横摇这三个方向上的运动是相对分离的；液压驱动支撑动力杆和甲板平台之间采用固连方式，支撑杆提供垂直于甲板平台的驱动力。
8.根据权利要求6所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制装置，其特征在于，所述甲板平台在X-Z平面的动力学方程为：
式中，[zc,θc]T代表甲板平台的位姿，mc是甲板平台的质量，Ic是甲板平台的绕y轴转动的转动惯量，F1,F2分别是两个液压驱动装置提供的液压驱动力，a1,a2分别是前杆和后杆距离甲板平台质心的距离，g是重力常数，其中，液压驱动力满足如下条件：
其中，
f(Fi)为非线性项，u1，u2为给定控制信号，代表下船片体的位置导数，b1，b2为系统参数，/>表示下船片体的姿态角导数，n0＝A2/A1是活塞两侧压力比，βe是原油体积模量，A1是活塞无杆侧的面积，Ctc是等效泄露系数，V0为活塞无杆侧初始容积，m0表示滑阀端口的面积梯度比，/>是结构常数，QN是阀的额定流量，VN是阀的额定电压，ΔpN是每个计量孔的额定压降。
9.根据权利要求7所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制装置，其特征在于，所述系统控制模型为：
其中：
10.根据权利要求9所述的一种基于波浪主动补偿的无人船甲板平台增稳控制装置，其特征在于，所述利用反步法设计系统的控制律的具体步骤为：
令xd＝[zd,θd]T表示甲板平台的期望位姿，定义其位姿误差为：
e1＝x1-xd
定义第一个李雅普诺夫函数：
定义第二个误差：
式中η1为正值常数；
定义第二个李雅普诺夫函数D2：
定义第三个误差：
式中η2为正值常数；
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| CN117533473A (zh) * | 2024-01-09 | 2024-02-09 | 上海新纪元机器人有限公司 | 具有并联机器人装置的船舶及自平衡方法 |
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Cited By (2)
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