一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法，包括以下步骤：S1：建立导引虚拟小船数学模型，根据导引虚拟小船数学模型采用制导算法规划出船舶跟踪控制参考路径，获取导引虚拟小船产生参考路径的命令时间序列信号；S2：进入路径跟踪控制状态：S3：根据实际船舶与导引虚拟小船的相对位置动态配置动态虚拟小船的船舶位置和运动姿态；S4：根据鲁棒自适应控制策略设计控制律，即实船的主机转速nc和舵角命令信号δc，控制实船主机和舵机执行装置，驱动控制实船跟踪动态虚拟小船，最终实现船舶在航海实践中的路径跟踪控制任务；S5：测量实际船舶位置判断是否到达目的地，如果“是”，结束船舶航行；如果“否”，时间更新t＝t+1并进入S2。
【专利说明】一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及船舶控制工程与船舶自动化航行领域，尤其涉及一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法。
【背景技术】
[0002]目前已有的制导算法是从导弹射击制导研究领域引入到船舶导航领域中，即我们通常所说的Line of sight(LOS)算法。它解决了间接航迹保持控制中利用航迹偏差和航向偏差计算船舶引导航向的问题，也是目前船载自动操舵仪中较为广泛采用的算法，下面我们对制导算法做简单的解释和说明。
[0003]可变的LOS半径和航路点切换边界环是LOS算法中两个重要的概念或变量。LOS算法的目的是演绎出航迹保持控制中完成控制任务需求的航向参考命令，即Vltjs(方位角)。利用现有的船舶航向保持控制器驱动转舵执行装置，使船舶航向跟踪参考命令Ψ-，减小航迹偏差，最终实现船舶沿着计划航线自动航行。图1给出了 LOS算法的基本制导原理图。在航海实践中，计划航线通常由驾驶员通过设置航路点进行设计，如图1中的(X1-1, Y1-1), (Xi, Ji)和(xi+1，yi+i)。以当前船位(X，y)为中心，以LOS半径R画弧,在LOS半径选取恰当的前提下能够交计划航线Pp1Pi于点Ab和八^起始于当前船位(x，y)终止于点Af的线段定义为LOS线，所对应的方位角即为Fltjs，可由式⑴计算且e <-π, π >。通常情况下R有3种取法:1)传统LOS算法:R = a Lpp, Lpp为船舶的两柱间长。这种情况下必须要求α>1，否则船舶将绕着计划航线频繁转圈；2)改进LOS算法:R = d+Lpp，d为当前船位到计划航向的投影距离，即航迹偏差。这样选择能够保证R>d恒成立，保证LOS线始终存在；3)指数收敛LOS算法,如式(2)所示。其中，Iambertw是函数f (X) = xex的反函数，选取最小LOS半径Rmin= 1.7Lpp，系数b为指数收敛因子，b = 0.05。
[0004]
【权利要求】
1.一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法，其特征在于包括以下步骤: 51:设定航路点信息W1, W2,…，Wn，建立导引虚拟小船数学模型，设定航行速度Up根据导引虚拟小船数学模型采用制导算法规划出船舶跟踪控制参考路径，获取导引虚拟小船产生参考路径的命令时间序列信号； 52:进入路径跟踪控制状态:根据SI中获取的导引虚拟小船产生参考路径的命令时间序列信号，利用导引虚拟小船数学模型实时获取导引虚拟小船的船舶位置和运动姿态； 53:根据实际船舶与导引虚拟小船的相对位置动态配置动态虚拟小船的船舶位置和运动姿态； 54:根据鲁棒自适应控制策略设计控制律即实船的主机转速η。和舵角命令信号δ。，控制实船主机和舵机执行装置，驱动控制实船跟踪动态虚拟小船，最终实现船舶在航海实践中的路径跟踪控制任务； 55:测量实际船舶位置判断是否到达目的地，如果“是”，结束船舶航行；如果“否”，时间更新t = t+Ι并进入S2。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法，其特征还在于:S1中:导引虚拟小船数学模型采用如下公式(4)表示:
3.根据权利要求1所述的一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法，其特征还在于:S3中:动态配置动态虚拟小船的船舶位置和运动姿态具体采用如下方式:设实际船舶与导引虚拟小船之间的距离为Ze，实船与动态虚拟小船之间的距离为Idb ;当Ze≥Idbset, (Idbset为设定的参数阈值)，动态虚拟小船首向角Vd和船舶位置(Xd yd)分别采用如下公式(6)和公式(7)计算:
4.根据要求I所述的一种基于动态虚拟小船制导算法的欠驱动船舶路径跟踪规划方法，其特征还在于:S4中设计控制律时:动态虚拟小船相关微分变量irf，通过公式(8)所示的参考模型解决:
【文档编号】G05D1/02GK104020771SQ201410268176
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】张国庆, 张显库, 尹勇, 金一丞, 庞洪帅 申请人:大连海事大学