智能船舶循迹控制方法研究
发布时间：2022-01-17 07:14
针对实际工程应用中,智能船舶循迹控制如何在外界环境干扰下减小横向偏差以及如何在曲线循迹中平缓转弯处的控制力两种问题,提出了一种改进时变积分视线法（ILOS）引导律,用以减小横向偏差;设计了一种基于动态面控制技术的自适应反步积分控制器,用以平缓转弯处的控制力.通过与传统ILOS引导律结合传统反步积分控制器的控制方法进行仿真对比,验证了改进控制方法对减小横向偏差及平缓转弯处控制力的有效性.
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
直线段ILOS引导律
致循迹失败．本研究针对目前船舶循迹过程中遇到的上述问题，基于文献[11]中的改进直线转圆弧路径，提出了一种改进时变ILOS引导律，通过自适应调整积分参数以减小外界扰动带来的横向偏差问题，同时设计了与动态面控制技术相结合的自适应反步积分控制器，以平缓直线转圆弧过程中控制力突变的问题，通过仿真验证了该控制方法的有效性，为船舶环岛、海底铺缆及智能进出港口等实际工程应用打下了研究基础．1改进时变ILOS引导律为具体描述船舶在改进ILOS引导律作用下靠近航迹的过程，建立如图1与图2所示的ILOS原理图．其中船体坐标系为IIXY，原点位置为PP．再以PP为原点建立右手坐标系ppppXY．ILOS引导律可表示为SpeintCrpeintarctan()()arctan()()χkyyχθkyy直线段；曲线段，(1)式中：为坐标轴旋转角；rθ为圆弧段转角；kp为图1直线段ILOS引导律图2圆弧段ILOS引导律比例参数p(k≥1)；inty为积分项；ey为横向偏差．积分项inty与横向偏差ey的具体表达式为22inteeint22eeeΔ/()/iykyΔyΔyyUyΔy；，(2)式中：U为船舶理想航速；Δ为前向距离；ik为积分项参数．注释1比例参数pk用于加快引导系统的响应速度；积分项参数ik越大，积分效果越明显．假设1ik表达式如下11eint1122eint22(01)(001)ikUyykkkUyyk≤且＞；＞且＜＜，(3)式中：11k为增益系数；22k为自适应时变参数2e22minmaxmin()eρykkkk，(4)其中，maxk和mink为
аПǎㄗ匀豢蒲О妫┑?48卷T111122τMCDJ(φ)bhzkz．3仿真结果与分析为了验证改进时变ILOS引导律结合基于动态面控制的自适应反步积分控制器(方法1)的有效性，对其进行多点直线转圆弧路径的循迹仿真，并与传统ILOS引导律结合反步积分控制器(方法2)进行仿真对比．仿真使用武汉理工大学智能船舶模型，方法1与方法2所用船型及环境力参数均相同，具体参数如表1所示．表中：p2k为传统ILOS比例系数；ik为传统ILOS积分参数．图3为循迹轨迹与横向偏差仿真对比图．图中：x为东向位置；y为北向位置；t为时间；|ye|为横向偏差值．从图3(a)与(b)中可以看出：直线连接的路径轨迹、直线转圆弧路径的参考轨迹及直线转圆弧路径的实际运动轨迹，方法1与方法2都能沿着参考航迹运动，但方法2与参考轨迹的符合程度不如方法1．为了进一步比较两种实际运动轨迹的优劣，图3(c)与(d)反映了其横向偏差值．方法1和方法2中|ye|均方误差值分别为0.017和0.1339．方法1的横向偏差总体低于方法2中的横向偏差，方法1的峰值不超过0.15m，而方法2的峰值达到了0.74m．在第2段转弯处，方法2的响应速度慢于方法1，导致其这段轨迹处的横向偏差较大．由此可见：方法1的控制方法在减小横向偏差及系统响应速度的表1仿真参数参数数值参数数值船长/m2.3前向距离/m1.15船舶初始位置[0m，0m，90°]期望纵向航速/(m/s)0.2采样周期/s0.3转弯圆弧半径/m[8，10，6]循迹点坐标ρmaxk1kb风速/(m/s)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于过渡圆弧半径求解方法的无人艇循迹控制研究[J]. 韩鑫,徐海祥,余文曌,周志杰. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2018(05)
博士论文
[1]动力定位船舶非线性自适应控制研究[D]. 杨杨.大连海事大学 2013
硕士论文
[1]船舶动力定位系统控制算法及策略研究[D]. 瞿洋.武汉理工大学 2017
本文编号：3594290
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
直线段ILOS引导律
致循迹失败．本研究针对目前船舶循迹过程中遇到的上述问题，基于文献[11]中的改进直线转圆弧路径，提出了一种改进时变ILOS引导律，通过自适应调整积分参数以减小外界扰动带来的横向偏差问题，同时设计了与动态面控制技术相结合的自适应反步积分控制器，以平缓直线转圆弧过程中控制力突变的问题，通过仿真验证了该控制方法的有效性，为船舶环岛、海底铺缆及智能进出港口等实际工程应用打下了研究基础．1改进时变ILOS引导律为具体描述船舶在改进ILOS引导律作用下靠近航迹的过程，建立如图1与图2所示的ILOS原理图．其中船体坐标系为IIXY，原点位置为PP．再以PP为原点建立右手坐标系ppppXY．ILOS引导律可表示为SpeintCrpeintarctan()()arctan()()χkyyχθkyy直线段；曲线段，(1)式中：为坐标轴旋转角；rθ为圆弧段转角；kp为图1直线段ILOS引导律图2圆弧段ILOS引导律比例参数p(k≥1)；inty为积分项；ey为横向偏差．积分项inty与横向偏差ey的具体表达式为22inteeint22eeeΔ/()/iykyΔyΔyyUyΔy；，(2)式中：U为船舶理想航速；Δ为前向距离；ik为积分项参数．注释1比例参数pk用于加快引导系统的响应速度；积分项参数ik越大，积分效果越明显．假设1ik表达式如下11eint1122eint22(01)(001)ikUyykkkUyyk≤且＞；＞且＜＜，(3)式中：11k为增益系数；22k为自适应时变参数2e22minmaxmin()eρykkkk，(4)其中，maxk和mink为
аПǎㄗ匀豢蒲О妫┑?48卷T111122τMCDJ(φ)bhzkz．3仿真结果与分析为了验证改进时变ILOS引导律结合基于动态面控制的自适应反步积分控制器(方法1)的有效性，对其进行多点直线转圆弧路径的循迹仿真，并与传统ILOS引导律结合反步积分控制器(方法2)进行仿真对比．仿真使用武汉理工大学智能船舶模型，方法1与方法2所用船型及环境力参数均相同，具体参数如表1所示．表中：p2k为传统ILOS比例系数；ik为传统ILOS积分参数．图3为循迹轨迹与横向偏差仿真对比图．图中：x为东向位置；y为北向位置；t为时间；|ye|为横向偏差值．从图3(a)与(b)中可以看出：直线连接的路径轨迹、直线转圆弧路径的参考轨迹及直线转圆弧路径的实际运动轨迹，方法1与方法2都能沿着参考航迹运动，但方法2与参考轨迹的符合程度不如方法1．为了进一步比较两种实际运动轨迹的优劣，图3(c)与(d)反映了其横向偏差值．方法1和方法2中|ye|均方误差值分别为0.017和0.1339．方法1的横向偏差总体低于方法2中的横向偏差，方法1的峰值不超过0.15m，而方法2的峰值达到了0.74m．在第2段转弯处，方法2的响应速度慢于方法1，导致其这段轨迹处的横向偏差较大．由此可见：方法1的控制方法在减小横向偏差及系统响应速度的表1仿真参数参数数值参数数值船长/m2.3前向距离/m1.15船舶初始位置[0m，0m，90°]期望纵向航速/(m/s)0.2采样周期/s0.3转弯圆弧半径/m[8，10，6]循迹点坐标ρmaxk1kb风速/(m/s)
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于过渡圆弧半径求解方法的无人艇循迹控制研究[J]. 韩鑫,徐海祥,余文曌,周志杰. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2018(05)
博士论文
[1]动力定位船舶非线性自适应控制研究[D]. 杨杨.大连海事大学 2013
硕士论文
[1]船舶动力定位系统控制算法及策略研究[D]. 瞿洋.武汉理工大学 2017
本文编号：3594290
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