一种基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法与流程

本发明属于海洋航行器操纵性模型技术领域，具体涉及一种适用于海洋航行器实时参数估计的基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法。

背景技术：

舰船及波浪滑翔器的动力学模型是评价其操纵性能、进行动力学分析以及控制方法研究的理论基础。然而，由于载体本身和外界环境的不确定性，机理建模方法的精确性难以保证，使得其在实际应用中遇到困难。

舰船操纵响应模型在船舶操纵性研究中占有重要地位。自研究领域内学者通过z形试验求取艏摇响应参数的标准算法提出后，各国的船舶操纵性研究者都乐于用z形操舵试验来确定这些参数，以评价船舶的操纵性能。然而，这些方法大都是对于样本数据离线处理得到结果，无法应用于实时系统中。

本发明提出了一种基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法，适用于舰船及波浪滑翔器，通过实际航行数据实时修正舰船或波浪滑翔器的艏摇响应参数，避免了机理建模的困难，同时保证此刻的艏摇响应参数能够反映此刻真实的舰船或波浪滑翔器的操纵性能，相比已有技术具有显著优势。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种适用于海洋航行器实时参数估计的基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提出了一种基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法，主要通过以下步骤实现：

(1)设置积分区间的时间长度l；

(2)将操纵响应方程对时间积分，得到积分的操纵响应方程，积分区间为距当前时刻时间长度为l的区间，积分下限为积分上限为其中为当前时刻；其中，忽略积分区间内待估艏摇响应参数的变化，将待估艏摇响应参数视为常数；

(3)设置准则函数，包括积分的操纵响应方程左右两端之差的平方、当前时刻主参数与上一时刻该参数的估计值之差的平方，所述的准则函数的相对权重由权重系数调节，且权重系数大于0；

(4)将准则函数根据当前时刻主参数的估计值求极小值，加入步长因子，迭代修正当前时刻主参数的估计值；所述步长因子大于0；

(5)重复步骤(3)至步骤(4)，直至收到估计过程结束指令，保证在估计过程中所述主参数遍历舰操纵响应方程中所有待估参数。

优选的，所述的操纵响应方程为一阶方程。

优选的，所述的操纵响应方程为一阶线性kt方程其中t和k为待估艏摇响应参数，r为转艏角速度，为转艏角加速度，δ为舵角。

对于操纵响应方程为一阶线性kt方程的基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法主要通过以下步骤实现：

(a)设置积分区间的时间长度l；

(b)将操纵响应方程对时间积分，得到积分的操纵响应方程为其中为当前时刻的转艏角速度，r0为时刻的转艏角速度，为当前时刻的艏向角，ψ0为时刻的艏向角；

(c)取主参数为k，设置准则函数为其中，为当前时刻k的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，μk为对应主参数k的权重系数；

(d)将准则函数jk对求极值，加入对应主参数k的步长因子λk，迭代修正参数k的估计值，得到

(e)取主参数为t，设置准则函数为其中，为当前时刻t的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，μt为对应主参数t的权重系数；

(f)将准则函数jt对求极值，加入对应主参数t的步长因子λt，迭代修正参数t的估计值：

优选的，所述的操纵响应方程为一阶非线性kt方程其中t、k和α为待估艏摇响应参数，r为转艏角速度，为转艏角加速度，δ为舵角。

对于操纵响应方程为一阶非线性kt方程的基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法，主要通过以下步骤实现：

(a)设置积分区间的时间长度l；

(b)将操纵响应方程对时间积分，得到积分的操纵响应方程为其中为当前时刻的转艏角速度，r0为时刻的转艏角速度，为当前时刻的艏向角，ψ0为时刻的艏向角；

(c)取主参数为k，设置准则函数为其中，为当前时刻k的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，为上一时刻α的估计值，μk为对应主参数k的权重系数；

(d)将准则函数jk对求极值，加入对应主参数k的步长因子λk，迭代修正参数k的估计值，得到

(e)取主参数为t，设置准则函数为其中，为当前时刻t的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，为上一时刻α的估计值，μt为对应主参数t的权重系数；

(f)将准则函数jt对求极值，加入对应主参数t的步长因子λt，迭代修正参数t的估计值，得到

(g)取主参数为α，设置准则函数为其中，为当前时刻α的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，为上一时刻α的估计值，μα为对应主参数α的权重系数；

(h)将准则函数jα对求极值，加入对应主参数α的步长因子λα，迭代修正α的估计值，得到

优选的，所述的操纵响应方程中的所有主参数遍历次序。

优选的，所述的方法适用于舰船艏摇响应参数。

优选的，所述的方法适用于波浪滑翔器艏摇响应参数，基于积分法的波浪滑翔器艏摇响应参数在线辨识方法包括基于积分法的浮体艏摇响应参数在线辨识方法和基于积分法的潜体艏摇响应参数在线辨识方法，二者并行运行。

所述的基于积分法的浮体艏摇响应参数在线辨识方法中使用浮体等效舵角δ^f，满足关系δ^f＝ψ⁰×sin(ψ^g-ψ^f)，其中，ψ⁰为固定角度，ψ^g为波浪滑翔器中潜体的艏向，ψ^f为波浪滑翔器中浮体的艏向；

所述的基于积分法的潜体艏摇响应参数在线辨识方法中使用潜体等效舵角δ^g，满足关系δ^g＝δ^r，其中，δ^r为潜体上转动舵的舵角。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法，适用于舰船及波浪滑翔器，通过实际航行数据实时修正舰船或波浪滑翔器的艏摇响应参数，避免了机理建模的困难，同时保证此刻的艏摇响应参数能够反映此刻真实的舰船或波浪滑翔器的操纵性能；

本方法在计算过程中应用舰船或波浪滑翔器的艏向角、转艏角速度、舵角信息，避免了使用难以由传感器直接获取的转艏角加速度信息，使得该方法易于被工程人员应用。

附图说明

图1为本发明中基于积分法的舰船艏摇响应参数在线辨识方法的流程图；

图2为本发明中波浪滑翔器示意图；

图3为本发明中基于积分法的波浪滑翔器艏摇响应参数在线辨识方法的流程图；

图4为本发明中波浪滑翔器角度示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

结合图1，本发明提供了一种基于积分法的舰船艏摇响应参数在线辨识方法，该方法的步骤为：

步骤(1)设置积分区间的时间长度l；

步骤(2)将舰船操纵响应方程对时间积分，得到积分的舰船操纵响应方程，积分区间为距当前时刻时间长度为l的区间，即，积分下限为积分上限为其中为当前时刻；其中，忽略所述积分区间内所述的舰船操纵响应方程的需要估计的艏摇响应参数的变化，即，在所述积分区间内认为所述的舰船操纵响应方程的需要估计的艏摇响应参数为常数；

步骤(3)设置准则函数，所述准则函数包括：积分的舰船操纵响应方程左右两端之差的平方、当前时刻主参数与上一时刻该参数的估计值之差的平方，其中，所述的“上一时刻”指所述的一种基于积分法的舰船艏摇响应参数在线辨识方法的上一个计算周期，积分的舰船操纵响应方程左右两端之差的平方、当前时刻主参数与上一时刻主参数的估计值之差的平方的相对权重均由权重系数调节，所述权重系数大于0；

步骤(4)所述准则函数关于当前时刻主参数的估计值求极小值，加入步长因子，迭代修正当前时刻主参数的估计值；所述步长因子大于0；

步骤(5)重复步骤(3)至步骤(4)直至收到估计过程结束指令，保证在估计过程中所述主参数遍历舰船操纵响应方程中所有需要估计的参数。

所述的一种基于积分法的舰船艏摇响应参数在线辨识方法，其中所述的舰船操纵响应方程为一阶方程，包括一阶线性kt方程其中t和k为需要估计的艏摇响应参数，r为舰船转艏角速度，为舰船转艏角加速度，δ为舵角；或一阶非线性kt方程其中t、k和α为需要估计的艏摇响应参数，r为舰船转艏角速度，为舰船转艏角加速度，δ为舵角。

所述的一阶方程为一阶线性kt方程其中t和k为需要估计的艏摇响应参数，r为舰船转艏角速度，为舰船转艏角加速度，δ为舵角，所述舰船操纵响应方程在线迭代参数估计方法的步骤为：

步骤a1设置积分区间的时间长度l；

步骤a2将舰船操纵响应方程对时间积分，得到积分的舰船操纵响应方程为其中为当前时刻的舰船转艏角速度，r0为时刻的舰船转艏角速度，为当前时刻舰船的艏向角，ψ0为时刻的舰船的艏向角；

步骤a3取主参数为k，设置准则函数为其中，为当前时刻k的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，μk为对应主参数k的权重系数；

步骤a4准则函数jk对于当前时刻k的估计值求极值，加入对应主参数k的步长因子λk，迭代修正参数k的估计值：

步骤a5取主参数为t，设置准则函数为其中，为当前时刻t的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，μt为对应主参数t的权重系数；

步骤a6准则函数jt对于当前时刻t的估计值求极值，加入对应主参数t的步长因子λt，迭代修正参数t的估计值：

所述的一阶方程为一阶非线性kt方程其中t、k和α为需要估计的艏摇响应参数，r为舰船转艏角速度，为舰船转艏角加速度，δ为舵角，所述舰船操纵响应方程在线迭代参数估计方法的步骤包括：

步骤b1设置积分区间的时间长度l；

步骤b2将舰船操纵响应方程对时间积分，得到积分的舰船操纵响应方程为其中为当前时刻的舰船转艏角速度，r0为时刻的舰船转艏角速度，为当前时刻舰船的艏向角，ψ0为时刻的舰船的艏向角；

步骤b3取主参数为k，设置准则函数为其中，为当前时刻k的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，为上一时刻α的估计值，μk为对应主参数k的权重系数；

步骤b4准则函数jk对于当前时刻k的估计值求极值，加入对应主参数k的步长因子λk，迭代修正参数k的估计值：

步骤b5取主参数为t，设置准则函数为其中，为当前时刻t的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，为上一时刻α的估计值，μt为对应主参数t的权重系数；

步骤b6准则函数jt对于当前时刻t的估计值求极值，加入对应主参数t的步长因子λt，迭代修正参数t的估计值：

步骤b7取主参数为α，设置准则函数为其中，为当前时刻α的估计值，为上一时刻t的估计值，为上一时刻k的估计值，为上一时刻α的估计值，r为舰船转艏角速度，为舰船转艏角加速度，δ为舵角，μα为对应主参数α的权重系数；

步骤b8准则函数jα对于当前时刻α的估计值求极值，加入对应主参数α的步长因子λα，迭代修正α的估计值：

所述的一种基于积分法的舰船艏摇响应参数在线辨识方法的步骤中，主参数遍历次序并不唯一，例如，当所述的一阶方程为一阶非线性kt方程时，主参数可按照t-k-α循环，或k-t-α循环，或α-t-k循环等多种次序进行遍历。

实施例2

本发明还提出了一种基于积分法的波浪滑翔器艏摇响应参数在线辨识方法。波浪滑翔器是一种新型的海洋航行器，依靠波浪能提供前进动力，结合图2说明波浪滑翔器的结构组成。波浪滑翔器由漂浮于水面的浮体1、位于水下的潜体2、连接浮体1和潜体2的柔链3构成。安装于潜体尾部的转动舵4提供潜体2的转艏力矩，柔链3的拉力驱动浮体1转向。

结合图3说明一种基于积分法的波浪滑翔器艏摇响应参数在线辨识方法，包括基于积分法的浮体艏摇响应参数在线辨识方法和基于积分法的潜体艏摇响应参数在线辨识方法，二者并行运行；其中，所述的基于积分法的浮体艏摇响应参数在线辨识方法的步骤的即为所述的一种基于积分法的舰船艏摇响应参数在线辨识方法的步骤；计算过程中令浮体等效舵角δ^f为潜体与浮体艏向差的正弦值与一固定角度的乘积，即δ^f＝ψ⁰×sin(ψ^g-ψ^f)，ψ^g与ψ^f分别为波浪滑翔器的潜体和浮体的艏向，ψ⁰为一固定角度，例如可取为90度；这是因为波浪滑翔器的浮体并无独立的转动舵，浮体的转艏运动来源于柔链的拉力，该柔链拉力对于浮体转艏的力臂近似与潜体与浮体艏向差的正弦值呈线性关系，进一步地将潜体与浮体艏向差的正弦值与以固定角度乘积作为浮体等效舵角，将使得浮体等效舵角在量纲与数值大小上与传统舰船舵角定义更加接近。所述的基于积分法的潜体艏摇响应参数在线辨识方法的步骤即为所述的一种基于积分法的舰船艏摇响应参数在线辨识方法的步骤；在计算过程中令潜体等效舵角δ^g为安装于潜体的转动舵的舵角δ^r，即δ^g＝δ^r，这是因为柔链与潜体的连接点接近于潜体中心，从而忽略柔链拉力对潜体转艏运动的影响。波浪滑翔器浮体艏向角ψ^f、潜体艏向角ψ^g、安装于潜体的转动舵的舵角δ^r如图4所示。

以上实施例中所述的适用于舰船及波浪滑翔器的基于积分法的艏摇响应参数在线辨识方法的步骤中，所述的各个步长因子与权重系数由本领域技术人员依据经验设置；所述参数估计算法中舰船或波浪滑翔器的浮体和潜体的艏向，转艏角速度等由舰船或波浪滑翔器的浮体和潜体上安装的传感器如罗经、惯导等直接测量得到，或在直接测量的数据基础上通过数据处理间接得到，例如由传感器直接测量得到艏向角，并通过数值微分获得转艏角速度；在舰船或波浪滑翔器航行过程中按照人为设定的操舵规律进行操舵，因此对于舰船而言，舵角是已知的；对于波浪滑翔器而言，安装于潜体的转动舵的舵角是已知的；波浪滑翔器的浮体和潜体的等效舵角由已知的潜体转动舵舵角和艏向传感器测得的浮体和潜体的艏向角计算得到；关于舵角的积分和转艏角速度的积分项通过数值积分方法获得，如牛顿-科特斯数值积分方法等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。