一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法，包括以下步驟：S1：建立導(dǎo)引虛擬小船數(shù)學(xué)模型，根據(jù)導(dǎo)引虛擬小船數(shù)學(xué)模型采用制導(dǎo)算法規(guī)劃出船舶跟蹤控制參考路徑，獲取導(dǎo)引虛擬小船產(chǎn)生參考路徑的命令時間序列信號；S2：進(jìn)入路徑跟蹤控制狀態(tài)：S3：根據(jù)實際船舶與導(dǎo)引虛擬小船的相對位置動態(tài)配置動態(tài)虛擬小船的船舶位置和運動姿態(tài)；S4：根據(jù)魯棒自適應(yīng)控制策略設(shè)計控制律，即實船的主機轉(zhuǎn)速nc和舵角命令信號δc，控制實船主機和舵機執(zhí)行裝置，驅(qū)動控制實船跟蹤動態(tài)虛擬小船，最終實現(xiàn)船舶在航海實踐中的路徑跟蹤控制任務(wù)；S5：測量實際船舶位置判斷是否到達(dá)目的地，如果“是”，結(jié)束船舶航行；如果“否”，時間更新t＝t+1并進(jìn)入S2。
【專利說明】一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船舶控制工程與船舶自動化航行領(lǐng)域，尤其涉及一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前已有的制導(dǎo)算法是從導(dǎo)彈射擊制導(dǎo)研究領(lǐng)域引入到船舶導(dǎo)航領(lǐng)域中，即我們通常所說的Line of sight(LOS)算法。它解決了間接航跡保持控制中利用航跡偏差和航向偏差計算船舶引導(dǎo)航向的問題，也是目前船載自動操舵儀中較為廣泛采用的算法，下面我們對制導(dǎo)算法做簡單的解釋和說明。
[0003]可變的LOS半徑和航路點切換邊界環(huán)是LOS算法中兩個重要的概念或變量。LOS算法的目的是演繹出航跡保持控制中完成控制任務(wù)需求的航向參考命令，即Vltjs(方位角)。利用現(xiàn)有的船舶航向保持控制器驅(qū)動轉(zhuǎn)舵執(zhí)行裝置，使船舶航向跟蹤參考命令Ψ-，減小航跡偏差，最終實現(xiàn)船舶沿著計劃航線自動航行。圖1給出了 LOS算法的基本制導(dǎo)原理圖。在航海實踐中，計劃航線通常由駕駛員通過設(shè)置航路點進(jìn)行設(shè)計，如圖1中的(X1-1, Y1-1), (Xi, Ji)和(xi+1，yi+i)。以當(dāng)前船位(X，y)為中心，以LOS半徑R畫弧,在LOS半徑選取恰當(dāng)?shù)那疤嵯履軌蚪挥媱澓骄€Pp1Pi于點Ab和八^起始于當(dāng)前船位(x，y)終止于點Af的線段定義為LOS線，所對應(yīng)的方位角即為Fltjs，可由式⑴計算且e <-π, π >。通常情況下R有3種取法:1)傳統(tǒng)LOS算法:R = a Lpp, Lpp為船舶的兩柱間長。這種情況下必須要求α>1，否則船舶將繞著計劃航線頻繁轉(zhuǎn)圈；2)改進(jìn)LOS算法:R = d+Lpp，d為當(dāng)前船位到計劃航向的投影距離，即航跡偏差。這樣選擇能夠保證R>d恒成立，保證LOS線始終存在；3)指數(shù)收斂LOS算法,如式(2)所示。其中，Iambertw是函數(shù)f (X) = xex的反函數(shù)，選取最小LOS半徑Rmin= 1.7Lpp，系數(shù)b為指數(shù)收斂因子，b = 0.05。
[0004]
【權(quán)利要求】
1.一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法，其特征在于包括以下步驟: 51:設(shè)定航路點信息W1, W2,…，Wn，建立導(dǎo)引虛擬小船數(shù)學(xué)模型，設(shè)定航行速度Up根據(jù)導(dǎo)引虛擬小船數(shù)學(xué)模型采用制導(dǎo)算法規(guī)劃出船舶跟蹤控制參考路徑，獲取導(dǎo)引虛擬小船產(chǎn)生參考路徑的命令時間序列信號； 52:進(jìn)入路徑跟蹤控制狀態(tài):根據(jù)SI中獲取的導(dǎo)引虛擬小船產(chǎn)生參考路徑的命令時間序列信號，利用導(dǎo)引虛擬小船數(shù)學(xué)模型實時獲取導(dǎo)引虛擬小船的船舶位置和運動姿態(tài)； 53:根據(jù)實際船舶與導(dǎo)引虛擬小船的相對位置動態(tài)配置動態(tài)虛擬小船的船舶位置和運動姿態(tài)； 54:根據(jù)魯棒自適應(yīng)控制策略設(shè)計控制律即實船的主機轉(zhuǎn)速η。和舵角命令信號δ。，控制實船主機和舵機執(zhí)行裝置，驅(qū)動控制實船跟蹤動態(tài)虛擬小船，最終實現(xiàn)船舶在航海實踐中的路徑跟蹤控制任務(wù)； 55:測量實際船舶位置判斷是否到達(dá)目的地，如果“是”，結(jié)束船舶航行；如果“否”，時間更新t = t+Ι并進(jìn)入S2。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法，其特征還在于:S1中:導(dǎo)引虛擬小船數(shù)學(xué)模型采用如下公式(4)表示:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法，其特征還在于:S3中:動態(tài)配置動態(tài)虛擬小船的船舶位置和運動姿態(tài)具體采用如下方式:設(shè)實際船舶與導(dǎo)引虛擬小船之間的距離為Ze，實船與動態(tài)虛擬小船之間的距離為Idb ;當(dāng)Ze≥Idbset, (Idbset為設(shè)定的參數(shù)閾值)，動態(tài)虛擬小船首向角Vd和船舶位置(Xd yd)分別采用如下公式(6)和公式(7)計算:
4.根據(jù)要求I所述的一種基于動態(tài)虛擬小船制導(dǎo)算法的欠驅(qū)動船舶路徑跟蹤規(guī)劃方法，其特征還在于:S4中設(shè)計控制律時:動態(tài)虛擬小船相關(guān)微分變量irf，通過公式(8)所示的參考模型解決:
【文檔編號】G05D1/02GK104020771SQ201410268176
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】張國慶, 張顯庫, 尹勇, 金一丞, 龐洪帥 申請人:大連海事大學(xué)