CN116909176A

CN116909176A - 一种动力定位船推力分配策略评测方法

Info

Publication number: CN116909176A
Application number: CN202311145809.9A
Authority: CN
Inventors: 李佳川; 黄炜; 范士锋; 赵宾; 王岭; 王福; 徐凯; 田丰
Original assignee: 707th Research Institute of CSIC
Current assignee: 707th Research Institute of CSIC
Priority date: 2023-09-07
Filing date: 2023-09-07
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2043-09-07
Also published as: CN116909176B

Abstract

本发明涉及船舶动力定位控制技术领域，尤其涉及一种动力定位船推力分配策略评测方法，包括如下步骤：将各推进器的平面推力可行域分割为多个平面凸区域；每个推进器各选出一个平面凸区域形成组合三轴力集合；在控制指令取值区间范围内选取多个作为指令力，分别判断是否存在可行解；对存在可行解的控制指令进行推力分配求解；根据推力分配求解结果对推力分配策略进行评估。本发明提供的方法评测过程简单高效，并且可以对推力分配策略进行有效评估，当分配的合力、合力矩与控制指令不相等时，可以直接判断是推进装置物理条件限制的原因还是推力分配策略问题。

Description

一种动力定位船推力分配策略评测方法

技术领域

本发明涉及船舶动力定位控制技术领域，尤其涉及一种动力定位船推力分配策略评测方法。

背景技术

在海洋环境中船舶常常要在特定需要的位置进行各种海洋作业，对设备本身的操作和定位的要求越来越高。动力定位系统由自身装备的各种传感器测量出船舶运动的位置和航向，利用计算机进行复杂的实时计算，进而控制船舶的推进装置产生推进力和力矩去抵抗由外界环境引起的干扰力，使船舶保持目标的船位和船艏向。推力分配模块是动力定位系统中的重要组成部分，推力分配模块根据控制器模块给出的期望推力及推力矩，计算船舶每个推进装置的控制指令，如转速、转角、螺距、舵角等，各推进装置根据控制指令进行动作，从而使船舶保持目标的船位和船艏向。推力分配策略需要满足以下两点，首先，按照一定的分配方法将船舶控制器输出的期望推力和期望推力矩分配到各个推进器；其次，在进行推力分配的过程中，需要满足推进器的约束条件，约束条件包括最大力、最小力限制，推力角度禁区等。动力定位船的推进装置包括全回转推进器、侧推、桨舵推进器、喷水推进器等，由于推进装置配置的多样性以及具有多种约束条件，求解推力分配问题大多为一个带等式约束和不等式约束的非线性寻优过程，这种情况下推力分配模块很难得到满足各类条件的最优解。推力分配策略可采用直接分配法、伪逆法、二次规划法、粒子群法等多种方法，各种方法具有各自的优劣性。当对某种推力分配策略进行测评时，如果测评出推力分配策略无法满足分配的合力、合力矩与控制指令相等，很难判断是推进装置物理条件限制因素还是推力分配策略问题，因此很难对该推力分配策略进行有效评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种动力定位船推力分配策略评测方法，可以对推力分配策略进行有效评估，当分配的合力、合力矩与控制指令不相等时，可以直接判断是推进装置物理条件限制的原因还是推力分配策略问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现：

一种动力定位船推力分配策略评测方法，其包括如下步骤：

S1：画出动力定位船各推进器的平面推力可行域，分别将各推进器的平面推力可行域分割为多个平面凸区域；

S2：求解每个推进器各平面凸区域所对应的三轴力的集合；

S3：每个推进器各选出一个平面凸区域形成一个组合，求解每一个组合中平面凸区域的三轴力集合，形成多个组合三轴力集合；

S4：在控制指令的三轴力取值区间范围内选取多个作为指令力，并分别查看选取的指令力是否包含在多个组合三轴力集合里，若选取的指令力不包含在多个组合三轴力集合里，则对选取的指令力不再继续后续计算，选取下一个指令力查看是否包含在多个组合三轴力集合里，直至所有的指令力查看完毕，对选取的包含在多个组合三轴力集合里的指令力转至步骤S5；

S5：进行推力分配求解，求解每一个包含在多个组合三轴力集合里的指令力分配到每个推进器上的推力和转角；

S6：对于每一个包含在多个组合三轴力集合里的指令力，根据分配到每个推进器上的推力以及转角计算相应推进器的力和力矩，再计算出所有推进器的合力及合力矩，再判断所有推进器的合力、合力矩与相应的指令力是否相等，并记录判断结果，直至所有指令力判断完毕，若所有推进器的合力、合力矩与相应的指令力都相等，则评测动力定位船推力分配策略合理，若所有推进器合力、合力矩与相应的指令力部分不相等，则根据不相等的指令力的数量及分布评测推力分配策略能否满足应用要求。

优选的，步骤S4中选取指令力时，在控制指令的三轴力取值区间范围内均匀选取。

进一步，步骤S1中动力定位船推进器的平面推力可行域为推进器实现的船体纵向力与横向力组合的集合，平面凸区域的特点是连接平面凸区域内的任意两个点所形成的线段上的所有点均在该平面凸区域内。

进一步，步骤S2中根据式（1）求解每个推进器各平面凸区域所对应的三轴力的集合：

（1）；

其中：表示推进器的编号，/>表示平面图区域的编号，/>表示第/>个推进器的位置坐标矩阵，/>表示第/>个推进器第/>个平面凸区域的端点坐标矩阵，/>表示第/>个推进器第/>个平面凸区域三轴力可行域集合的端点坐标矩阵。

发明的有益效果：

本发明通过将各推进器的平面推力可行域分割为多个平面凸区域，然后每个推进器各选出一个平面凸区域形成一个组合，求解出每一个组合中平面凸区域的三轴力集合的并集，形成组合三轴力集合，然后控制指令的三轴力从取值区间范围内选取多个作为指令力，若选取的指令力不包含在组合三轴力集合里，则说明控制指令超出了物理条件限制因素，无需再进行下一步的计算，如果选取的指令力包含在组合三轴力集合里，再判断所有推进器形成的合力、合力矩与相应的指令力是否相等，如果合力、合力矩与相应的指令力不相等则说明是推力分配策略问题，可以根据与合力、合力矩不相等的指令力的数量及分布，判断推力分配策略能否满足应用要求，并做出是否对推力分配策略进行改进的决策。本发明提供的方法实现了对推力分配策略的有效评测，测评方法简单、高效，且当分配的合力、合力矩与指令力不相等时，可以直接判断是推进装置物理条件限制的原因还是推力分配策略的问题。

附图说明

图1是本发明流程示意图。

图2是本发明槽道推进器平面推力可行域示意图。

图3是本发明全回转推进器平面推力可行域示意图。

图4是本发明桨舵推进器平面推力可行域示意图。

具体实施方式

一种动力定位船推力分配策略评测方法，流程示意图如图1所示，其包括如下步骤：

动力定位船单个推进器的平面推力可行域为推进器可以实现的船体纵向力与横向力组合的集合，平面凸区域的特点是连接平面凸区域内的任意两个点所形成的线段上的所有点均在该平面凸区域内。

S2：求解每个推进器各平面凸区域所对应的三轴力的集合；

具体求解时，可以根据式（1）求解每个推进器各平面凸区域所对应的三轴力的集合：

（1）；

其中：表示推进器的编号，/>表示平面图区域的编号，/>表示第/>个推进器的位置坐标矩阵，可以表示为/>，/>为推进器的纵向坐标，/>为推进器的横向坐标，/>表示第/>个推进器第/>个平面凸区域的端点坐标矩阵，/>表示第/>个推进器第/>个平面凸区域三轴力可行域集合的端点坐标矩阵，这里的三轴力包括x轴方向上的力、y轴方向上的力以及z轴方向的力矩。

S3：每个推进器各选出一个平面凸区域形成一个组合，求解每一个组合中平面凸区域的三轴力集合，形成多个组合三轴力集合；每个推进器选出一个平面凸区域形成组合，组合的数量为各推进器平面凸区域数量的乘积，求解每一个组合中平面凸区域三轴力集合，形成的组合三轴力集合仍为凸区域，每一个组合三轴力集合均对应一个凸多面体。

若选取的指令力不包含在多个组合三轴力集合里中的任何一个组合三轴力集合里，则判断控制指令超出了物理条件限制，对该条控制指令无需再进行下一步的计算而直接进行下一条控制指令的指令力判断，这样不仅能够快速判断控制指令是否超出了物理条件限制，而且针对超出物理条件限制的控制指令省略了后续的计算过程，使测评方法更加简单快速。

S5：进行推力分配求解，求解每一个包含在多个组合三轴力集合里的指令力分配到每个推进器上的推力和转角；具体可以采用直接分配法、伪逆法、二次规划法、粒子群法等多种方法求解每一个包含在多个组合三轴力集合里的指令力分配到每个推进器上的推力和转角。

S6：对于每一个包含在多个组合三轴力集合里的指令力，根据分配到每个推进器上的推力以及转角计算相应推进器的力和力矩，再计算出所有推进器的合力及合力矩，再判断所有推进器的合力、合力矩与相应的指令力是否相等，并记录判断结果，直至所有指令力判断完毕，然后根据判断结果进行评测，若所有推进器的合力、合力矩与相应的指令力都相等，则评测动力定位船推力分配策略合理，若所有推进器合力、合力矩与相应的指令力部分不相等，则根据不相等的指令力的数量及分布评测推力分配策略能否满足应用要求。

对于不同的类型的推进器其合力及合力矩的计算方法有所不同，具体如下：

对于全回转推进器，根据式（2）进行求解：

（2）

其中：为推进器的纵向推力，/>为推进器的横向推力，/>为推进器的转艏力矩，/>为推进器的转速，/>为推进器的转角，/>为推进器的纵向坐标，/>为推进器的横向坐标，/>为与推进性能有关的常数，可以通过试验来获得。

对于槽道推进器，其形成的力和力矩的计算可以看作转角固定的全回转推进器。当为90°时，槽道推进器的纵向推力为0，仅提供横向推力及其对应的力矩。

对于桨舵推进器，可以根据式（3）进行求解：

（3）

其中：为舵角，/>为计算舵的升力映射关系函数，/>为计算舵的阻力映射关系函数，/>和/>均与舵的性能有关，可以通过试验来获得。

由于对于推力分配策略最重要的一点是，船舶各个推进器在横向和纵向方向上产生的合力等于控制器输出的合力指令，并且船舶各个推进器绕z轴方向上产生的合力矩等于控制器输出的力矩指令。对于包含在多个组合三轴力集合里的指令力，说明控制指令存在可行解，然后对存在可行解的控制指令继续判断所有推进器形成的合力和合力矩是否与相应的指令力相等，若所有推进器形成的合力和合力矩与相应的指令力相等，则说明该条控制指令的动力定位船舶分配策略合理，若所有推进器形成的合力和合力矩与相应的指令力不相等，则说明该条控制指令的动力定位船舶分配策略不合理，最终记录存在可行解但推力分配得到的合力、合力矩与指令力不相等的控制指令，根据存在可行解但推力分配得到的合力、合力矩与指令力不相等的控制指令的数量及分布，可以判断推力分配策略能否满足应用要求，并做出是否对推力分配策略进行改进的决策。

优选的，步骤S4中选取指令力时，在控制指令的三轴力取值区间范围内均匀选取，即将控制指令的三轴力取值区间均匀划分为多份，取每份端点的值作为指令力。

不同的推进器平面推力可行域的形状及三轴力取值区间范围不同，具体可如下所述：

槽道推进器：平面推力可行域为两条线段，两条线段的端点分别为负向最大推力、负向最小推力/>、正向最大推力/>、正向最小推力/>，具体如图2所示；

全回转推进器：平面推力可行域为一圆环，内环半径为最小推力，外环半径为最大推力/>，若存在角度禁区，则需要去掉对应角度禁区的扇形部分，即/>和/>之间部分，具体如图3所示；

桨舵推进器：平面推力可行域为正向的扇形和负向的一条线段，负向线段的端点分别为螺旋桨的负向最大力、负向最小力/>，扇形的形状取决于方向舵的特性，其中纵向最大力为/>、纵向最小力/>，具体如图4所示。

用多段线代替圆弧，连接相应端点，就可以将平面推力可行域分割为多个凸区域，平面凸区域的特点是连接凸区域内的任意两个点，所形成的线段上的所有点均在该凸区域内。具体的，槽道推进器平面推力可行域分割成的平面凸区域的个数可以为两个，全回转推进器平面推力可行域分割成的平面凸区域的个数可以为五个，桨舵推进器平面推力可行域分割成的平面凸区域的个数可以为2个。单个平面凸区域可以用图形的端点坐标矩阵来表示，其中端点顺序按顺时针排列。

在选取指令力时，在控制指令的三轴力取值区间范围内均匀选取，这样可以使测评结果更加准确，防止由于选取指令力的偶然性，导致测评结果不准确。

综上所述，本发明提出的一种动力定位船推力分配策略评测方法，评测过程简单高效，并且可以对推力分配策略进行有效评估，当分配的合力、合力矩与控制指令不相等时，可以直接判断是推进装置物理条件限制的原因还是推力分配策略问题。

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

1.一种动力定位船推力分配策略评测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2：求解每个推进器各平面凸区域所对应的三轴力的集合；

2.根据权利要求1所述的一种动力定位船推力分配策略评测方法，其特征在于，步骤S4中选取指令力时，在控制指令的三轴力取值区间范围内均匀选取。

3.根据权利要求1所述的一种动力定位船推力分配策略评测方法，其特征在于，步骤S1中动力定位船推进器的平面推力可行域为推进器实现的船体纵向力与横向力组合的集合平面凸区域的特点是连接平面凸区域内的任意两个点所形成的线段上的所有点均在该平面凸区域内。

4.根据权利要求1所述的一种动力定位船推力分配策略评测方法，其特征在于，步骤S2中根据式（1）求解每个推进器各平面凸区域所对应的三轴力的集合：

（1）；

其中：表示推进器的编号，/>表示平面图区域的编号，/>表示第/>个推进器的位置坐标矩阵，/>表示第/>个推进器第/>个平面凸区域的端点坐标矩阵，/>表示第/>个推进器第个平面凸区域三轴力可行域集合的端点坐标矩阵。