基于九点控制器的船舶航迹控制系统及方法
【专利摘要】本发明提供的是一种基于九点控制器的船舶航迹控制系统及方法。包括九点控制器（3）、切换逻辑系统（4）、切换器（5）、导引系统（6）、数据处理系统（7）、位姿传感器（8）、舵系统（9）；所述九点控制器（3）包括切换逻辑系统（4）和切换器（5）；本发明的基于九点控制器的船舶航迹控制系统和方法，不要求被控对象的精确数学模型，抗干扰能力强，鲁棒性强。又九点控制器结构简单，系统的性能指标由对应各分区内的控制作用单独调整完成，故调整方便。本发明可以实现对船舶航迹的精确控制，具有较好的应用前景。
【专利说明】基于九点控制器的船舶航迹控制系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种船舶航迹控制系统，本发明也涉及一种船舶航迹控制方法。【背景技术】
[0002]近年来，丰富的海洋资源吸引着世界的目光，各国将注意力越来越多地投向了海洋工程和海洋开发。随着人们海上活动的日益频繁，与船舶控制相关的领域受到研究人员的广泛关注，船舶航向控制、航迹控制、路径跟踪以及动力定位技术等，成为控制领域研究的热点。而船舶航迹控制问题一直以来倍受人们关注，由于船舶的运动具有大惯性、时滞、非线性等特点，船舶在海上的航行中又受到外界的风、浪、流等海洋环境因素的影响，因此，进行船舶航迹控制的研究不论是在理论上还是在实践中都具有极其重要的意义。九点控制器的基本控制思想是:当被控对象输出值偏离设定值时，控制器自动为被控对象加上一个反方向的作用力，使得系统快速响应并回归到设定值附近。
[0003]在船舶运动控制中，控制器设计是十分重要的，目前通用的是PID自动舵。随着海况的变化，船舶的动态特性会发生改变，而PID自动舵不具有自动调节控制参数的功能，从而偏离其最佳工作状态，控制性能严重下降。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种抗干扰能力好、鲁棒性强的基于九点控制器的船舶航迹控制系统。本发明的目的还在于提供一种基于九点控制器的船舶航迹控制方法。
[0005]本发明的基于九点控制器的船舶航迹控制系统包括九点控制器3、切换逻辑系统
4、切换器5、导引系统6、数据处理系统7、位姿传感器8、舵系统9 ;所述九点控制器3包括切换逻辑系统4和切换器5 ;所述位姿传感器采集船舶实际位置和艏向角，并将其传递给数据处理系统；所述数据处理系统对接收到的信息进行滤波和噪声处理，得到船舶的位置和艏向等低频运动信息；所述导引系统根据输入的期望信息与船舶的初始位置，生成一条光滑的路径，根据该路径可以得到船舶在各个时刻的期望位置及期望艏向；所述切换逻辑系统根据导引系统输入的期望信息以及数据处理系统提供的船舶低频运动信息，进行判断所属工况，并向切换器发出指令，采取相应的控制策略驱动舵系统，调整船舶运动方向。
[0006]本发明的基于九点控制器的船舶航迹控制方法为:
[0007]( I)位姿传感器8采集船舶实际位置和艏向角，并将其传递给数据处理系统7 ；
[0008](2)数据处理系统7对接收到的信息进行滤波和噪声处理，得到船舶的位置和艏向等低频运动信息；
[0009](3)导引系统6根据输入的期望信息与船舶的初始位置，生成一条光滑的路径，根据该路径可以得到船舶在各个时刻的期望位置及期望艏向；
[0010](4)切换逻辑系统4根据导引系统6输入的期望信息以及数据处理系统7提供的船舶低频运动信息，进行判断所属工况，并向切换器5发出指令，采取相应的控制策略驱动舵系统9，调整船舶运动方向，实现对船舶航迹的精确控制。[0011]本发明的基于九点控制器的船舶航迹控制系统和方法，不要求被控对象的精确数学模型，抗干扰能力强，鲁棒性强。又由于九点控制器结构简单，系统的性能指标由对应各分区内的控制作用单独调整完成，故调整方便。本发明解决了 PID自动舵不能自动调节控制参数的问题，可以实现对船舶航迹的精确控制，具有较好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本发明的基于九点控制器的船舶航迹控制系统总体结构框图；
[0013]图2是本发明的船舶航迹跟踪曲线效果图；
[0014]图3是本发明的船舶艏向变化曲线效果图；
[0015]图4是本发明的船舶舵角变化曲线效果图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明做更详细地描述。
[0017]本发明的基于九点控制器的船舶航迹控制系统包括九点控制器3、切换逻辑系统
4、切换器5、导引系统6、数据处理系统7、位姿传感器8、舵系统9 ;所述九点控制器3包括切换逻辑系统4和切换器5 ;所述位姿传感器采集船舶实际位置和艏向角，并将其传递给数据处理系统；所述数据处理系统对接收到的信息进行滤波和噪声处理，得到船舶的位置和艏向等低频运动信息；所述导引系统根据输入的期望信息与船舶的初始位置，生成一条光滑的路径，根据该路径可以得到船舶在各个时刻的期望位置及期望艏向；所述切换逻辑系统根据导引系统输入的期望信息以及数据处理系统提供的船舶低频运动信息，进行判断所属工况，并向切换器发出指令，采取相应的控制策略驱动舵系统，调整船舶运动方向。
[0018]下面对本发明的基于九点控制器的船舶航迹控制方法做更详细的说明:
[0019]( I)位姿传感器8采集船舶的实际位置X，y和实际航向角Ψ，并将其传递给数据处理系统7 ；
[0020](2)数据处理系统7对接收到的船舶的位置和艏向信息il = [X，y，Ψ]τ进行滤波和噪声处理，得到船舶的位置和艏向等低频运动信息；
[0021](3)导引系统6根据输入的期望信息rd与船舶的初始位置，生成一条光滑的路径，根据该路径可以得到船舶各时刻所需的期望位置xd，yd和期望艏向Vd，记为
nd=[xd, yd, 11^]'并得到误差函数e=Vd-V和误差变化率函数Ρ = 传递给切换逻辑
系统4 ；
[0022](4)切换逻辑系统4根据导引系统6输入的期望信息以及数据处理系统7提供的误差函数和误差变化率函数，进行逻辑判断，其工作原理是:(设定一个偏差零带％和偏差变化率零带?。)
【权利要求】
1.一种基于九点控制器的船舶航迹控制系统，包括九点控制器(3)、切换逻辑系统(4)、切换器(5)、导引系统(6)、数据处理系统(7)、位姿传感器(8)、舵系统(9);其特征是: 所述九点控制器(3)包括切换逻辑系统(4)和切换器(5)，所述位姿传感器采集船舶实际位置和艏向角，并将其传递给数据处理系统；所述数据处理系统对接收到的信息进行滤波和噪声处理，得到船舶的位置和艏向等低频运动信息；所述导引系统根据输入的期望信息与船舶的初始位置，生成一条光滑的路径，根据该路径可以得到船舶在各个时刻的期望位置及期望艏向；所述切换逻辑系统根据导引系统输入的期望信息以及数据处理系统提供的船舶低频运动信息，进行判断所属工况，并向切换器发出指令，采取相应的控制策略驱动舵系统，调整船舶运动方向。
2.一种基于权利要求1所述的基于九点控制器的船舶航迹控制系统的控制方法，其特征是: (1)位姿传感器(8)采集船舶实际位置和艏向角，并将其传递给数据处理系统(7); (2)数据处理系统(7)对接收到的信息进行滤波和噪声处理，得到船舶的位置和艏向等低频运动信息； (3)导引系统(6)根据输入的期望信息与船舶的初始位置，生成一条光滑的路径，根据该路径可以得到船舶在各个时刻的期望位置及期望艏向； (4)切换逻辑系统(4)根据导引系统(6)输入的期望信息以及数据处理系统(7)提供的船舶低频运动信息，进行判断所属工况，并向切换器(5)发出指令，采取相应的控制策略驱动舵系统(9)，调整船舶运动方向，实现对船舶航迹的精确控制。
【文档编号】B63H25/04GK103754350SQ201410003231
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】夏国清, 邓维, 杨月 申请人:哈尔滨工程大学