智能船舶循跡控制方法研究
發(fā)布時間：2022-01-17 07:14
針對實際工程應(yīng)用中,智能船舶循跡控制如何在外界環(huán)境干擾下減小橫向偏差以及如何在曲線循跡中平緩轉(zhuǎn)彎處的控制力兩種問題,提出了一種改進時變積分視線法（ILOS）引導(dǎo)律,用以減小橫向偏差;設(shè)計了一種基于動態(tài)面控制技術(shù)的自適應(yīng)反步積分控制器,用以平緩轉(zhuǎn)彎處的控制力.通過與傳統(tǒng)ILOS引導(dǎo)律結(jié)合傳統(tǒng)反步積分控制器的控制方法進行仿真對比,驗證了改進控制方法對減小橫向偏差及平緩轉(zhuǎn)彎處控制力的有效性.
【文章來源】：華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,48(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
直線段ILOS引導(dǎo)律
致循跡失�。狙芯酷槍δ壳按把E過程中遇到的上述問題，基于文獻[11]中的改進直線轉(zhuǎn)圓弧路徑，提出了一種改進時變ILOS引導(dǎo)律，通過自適應(yīng)調(diào)整積分參數(shù)以減小外界擾動帶來的橫向偏差問題，同時設(shè)計了與動態(tài)面控制技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)反步積分控制器，以平緩直線轉(zhuǎn)圓弧過程中控制力突變的問題，通過仿真驗證了該控制方法的有效性，為船舶環(huán)島、海底鋪纜及智能進出港口等實際工程應(yīng)用打下了研究基礎(chǔ)．1改進時變ILOS引導(dǎo)律為具體描述船舶在改進ILOS引導(dǎo)律作用下靠近航跡的過程，建立如圖1與圖2所示的ILOS原理圖．其中船體坐標(biāo)系為IIXY，原點位置為PP．再以PP為原點建立右手坐標(biāo)系ppppXY．ILOS引導(dǎo)律可表示為SpeintCrpeintarctan()()arctan()()χkyyχθkyy直線段；曲線段，(1)式中：為坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角；rθ為圓弧段轉(zhuǎn)角；kp為圖1直線段ILOS引導(dǎo)律圖2圓弧段ILOS引導(dǎo)律比例參數(shù)p(k≥1)；inty為積分項；ey為橫向偏差．積分項inty與橫向偏差ey的具體表達式為22inteeint22eeeΔ/()/iykyΔyΔyyUyΔy；，(2)式中：U為船舶理想航速；Δ為前向距離；ik為積分項參數(shù)．注釋1比例參數(shù)pk用于加快引導(dǎo)系統(tǒng)的響應(yīng)速度；積分項參數(shù)ik越大，積分效果越明顯．假設(shè)1ik表達式如下11eint1122eint22(01)(001)ikUyykkkUyyk≤且＞；＞且＜＜，(3)式中：11k為增益系數(shù)；22k為自適應(yīng)時變參數(shù)2e22minmaxmin()eρykkkk，(4)其中，maxk和mink為
аПǎㄗ勻豢蒲О媯┑?48卷T111122τMCDJ(φ)bhzkz．3仿真結(jié)果與分析為了驗證改進時變ILOS引導(dǎo)律結(jié)合基于動態(tài)面控制的自適應(yīng)反步積分控制器(方法1)的有效性，對其進行多點直線轉(zhuǎn)圓弧路徑的循跡仿真，并與傳統(tǒng)ILOS引導(dǎo)律結(jié)合反步積分控制器(方法2)進行仿真對比．仿真使用武漢理工大學(xué)智能船舶模型，方法1與方法2所用船型及環(huán)境力參數(shù)均相同，具體參數(shù)如表1所示．表中：p2k為傳統(tǒng)ILOS比例系數(shù)；ik為傳統(tǒng)ILOS積分參數(shù)．圖3為循跡軌跡與橫向偏差仿真對比圖．圖中：x為東向位置；y為北向位置；t為時間；|ye|為橫向偏差值．從圖3(a)與(b)中可以看出：直線連接的路徑軌跡、直線轉(zhuǎn)圓弧路徑的參考軌跡及直線轉(zhuǎn)圓弧路徑的實際運動軌跡，方法1與方法2都能沿著參考航跡運動，但方法2與參考軌跡的符合程度不如方法1．為了進一步比較兩種實際運動軌跡的優(yōu)劣，圖3(c)與(d)反映了其橫向偏差值．方法1和方法2中|ye|均方誤差值分別為0.017和0.1339．方法1的橫向偏差總體低于方法2中的橫向偏差，方法1的峰值不超過0.15m，而方法2的峰值達到了0.74m．在第2段轉(zhuǎn)彎處，方法2的響應(yīng)速度慢于方法1，導(dǎo)致其這段軌跡處的橫向偏差較大．由此可見：方法1的控制方法在減小橫向偏差及系統(tǒng)響應(yīng)速度的表1仿真參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值船長/m2.3前向距離/m1.15船舶初始位置[0m，0m，90°]期望縱向航速/(m/s)0.2采樣周期/s0.3轉(zhuǎn)彎圓弧半徑/m[8，10，6]循跡點坐標(biāo)ρmaxk1kb風(fēng)速/(m/s)
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于過渡圓弧半徑求解方法的無人艇循跡控制研究[J]. 韓鑫,徐海祥,余文曌,周志杰. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版). 2018(05)
博士論文
[1]動力定位船舶非線性自適應(yīng)控制研究[D]. 楊楊.大連海事大學(xué) 2013
碩士論文
[1]船舶動力定位系統(tǒng)控制算法及策略研究[D]. 瞿洋.武漢理工大學(xué) 2017
本文編號：3594290
【文章來源】：華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2020,48(08)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
直線段ILOS引導(dǎo)律
致循跡失�。狙芯酷槍δ壳按把E過程中遇到的上述問題，基于文獻[11]中的改進直線轉(zhuǎn)圓弧路徑，提出了一種改進時變ILOS引導(dǎo)律，通過自適應(yīng)調(diào)整積分參數(shù)以減小外界擾動帶來的橫向偏差問題，同時設(shè)計了與動態(tài)面控制技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)反步積分控制器，以平緩直線轉(zhuǎn)圓弧過程中控制力突變的問題，通過仿真驗證了該控制方法的有效性，為船舶環(huán)島、海底鋪纜及智能進出港口等實際工程應(yīng)用打下了研究基礎(chǔ)．1改進時變ILOS引導(dǎo)律為具體描述船舶在改進ILOS引導(dǎo)律作用下靠近航跡的過程，建立如圖1與圖2所示的ILOS原理圖．其中船體坐標(biāo)系為IIXY，原點位置為PP．再以PP為原點建立右手坐標(biāo)系ppppXY．ILOS引導(dǎo)律可表示為SpeintCrpeintarctan()()arctan()()χkyyχθkyy直線段；曲線段，(1)式中：為坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)角；rθ為圓弧段轉(zhuǎn)角；kp為圖1直線段ILOS引導(dǎo)律圖2圓弧段ILOS引導(dǎo)律比例參數(shù)p(k≥1)；inty為積分項；ey為橫向偏差．積分項inty與橫向偏差ey的具體表達式為22inteeint22eeeΔ/()/iykyΔyΔyyUyΔy；，(2)式中：U為船舶理想航速；Δ為前向距離；ik為積分項參數(shù)．注釋1比例參數(shù)pk用于加快引導(dǎo)系統(tǒng)的響應(yīng)速度；積分項參數(shù)ik越大，積分效果越明顯．假設(shè)1ik表達式如下11eint1122eint22(01)(001)ikUyykkkUyyk≤且＞；＞且＜＜，(3)式中：11k為增益系數(shù)；22k為自適應(yīng)時變參數(shù)2e22minmaxmin()eρykkkk，(4)其中，maxk和mink為
аПǎㄗ勻豢蒲О媯┑?48卷T111122τMCDJ(φ)bhzkz．3仿真結(jié)果與分析為了驗證改進時變ILOS引導(dǎo)律結(jié)合基于動態(tài)面控制的自適應(yīng)反步積分控制器(方法1)的有效性，對其進行多點直線轉(zhuǎn)圓弧路徑的循跡仿真，并與傳統(tǒng)ILOS引導(dǎo)律結(jié)合反步積分控制器(方法2)進行仿真對比．仿真使用武漢理工大學(xué)智能船舶模型，方法1與方法2所用船型及環(huán)境力參數(shù)均相同，具體參數(shù)如表1所示．表中：p2k為傳統(tǒng)ILOS比例系數(shù)；ik為傳統(tǒng)ILOS積分參數(shù)．圖3為循跡軌跡與橫向偏差仿真對比圖．圖中：x為東向位置；y為北向位置；t為時間；|ye|為橫向偏差值．從圖3(a)與(b)中可以看出：直線連接的路徑軌跡、直線轉(zhuǎn)圓弧路徑的參考軌跡及直線轉(zhuǎn)圓弧路徑的實際運動軌跡，方法1與方法2都能沿著參考航跡運動，但方法2與參考軌跡的符合程度不如方法1．為了進一步比較兩種實際運動軌跡的優(yōu)劣，圖3(c)與(d)反映了其橫向偏差值．方法1和方法2中|ye|均方誤差值分別為0.017和0.1339．方法1的橫向偏差總體低于方法2中的橫向偏差，方法1的峰值不超過0.15m，而方法2的峰值達到了0.74m．在第2段轉(zhuǎn)彎處，方法2的響應(yīng)速度慢于方法1，導(dǎo)致其這段軌跡處的橫向偏差較大．由此可見：方法1的控制方法在減小橫向偏差及系統(tǒng)響應(yīng)速度的表1仿真參數(shù)參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值船長/m2.3前向距離/m1.15船舶初始位置[0m，0m，90°]期望縱向航速/(m/s)0.2采樣周期/s0.3轉(zhuǎn)彎圓弧半徑/m[8，10，6]循跡點坐標(biāo)ρmaxk1kb風(fēng)速/(m/s)
【參考文獻】：
期刊論文
[1]基于過渡圓弧半徑求解方法的無人艇循跡控制研究[J]. 韓鑫,徐海祥,余文曌,周志杰. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版). 2018(05)
博士論文
[1]動力定位船舶非線性自適應(yīng)控制研究[D]. 楊楊.大連海事大學(xué) 2013
碩士論文
[1]船舶動力定位系統(tǒng)控制算法及策略研究[D]. 瞿洋.武漢理工大學(xué) 2017
本文編號：3594290
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