一种提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法及装置

1.本发明涉及船舶自动驾驶技术领域，特别涉及一种提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法及装置。


背景技术：

2.船舶的航向控制器又称为自动操舵仪，为了精确控制船舶的航向，国内外学者进行了大量的研究。
3.1920年，美国德国anschuz公司、美国sperry公司和苏联先后研制出第一代机械式自动操舵仪，只能进行低精度的航向控制；约1950年，国外公司又发明了第二代pid自动操舵仪，精度显著提高，但是参数需要手动调节；1960年，瑞典等西欧国家先后发明了自适应pid自动操舵仪，可以自动调节参数，显著减小了油耗。如图1所示，从1990年至今，学者致力于研发第采用人工智能技术的自动操舵仪，但这些控制方法均基于航向误差进行反馈控制，难以在大风、大浪、海流干扰的恶劣海况下良好工作。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的第一个目的在于提出一种提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法，该方法可以提高航向控制精度。
6.本发明的第二个目的在于提出一种提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置。
7.本发明的第三个目的在于提出一种电子设备。
8.本发明的第四个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
9.为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法，包括以下步骤：步骤s1，采集风浪流相对于船舶的相关参数；步骤s2，根据所述相关参数计算舵机角度补偿量；步骤s3，将所述舵机角度补偿量叠加至pid航向控制器的初始输出信号，得到优化后的输出信号。
10.本发明实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法，通过主动测量海风、海浪、海流的参数，然后根据测量结果计算出需要补偿的舵偏角量，最后将其叠加到现有的pid控制算法的输出信号之中，即可以主动补偿恶劣海况干扰，实现对海风、海浪、海流干扰的主动补偿，提高船舶在恶劣海况条件下的航向控制精度。
11.另外，根据本发明上述实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法还可以具有以下附加的技术特征：
12.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s1中，利用风速计测量海风相对于船舶的速度v3和方向α，利用流速计测量海水相对于船舶的速度v和方向β，其中，所述相关参数包括速度v3、方向α、速度v和方向β。
13.进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤s2的计算公式为：
[0014][0015]
其中，δ0为舵机角度补偿量，k
p
为操舵效率，k3·
v
32
为海风产生的力矩，ρ2为空气的密度，s
y
l为船舶水线以上部分的侧投影的面积，c
n
(α)为风舷角为α时的无量纲化气动力矩参数，k1·
v2·
sin2β为海水的惯性水动力产生的力矩，m
y
为船舶前进方向的附加惯性质量，m
x
为船舶横移方向的附加质量，k2·
v
·
sinβ为海水的粘性水动力产生的力矩，ρ为海水的密度，ld为船舶的水线以下部分的特征面积，n
v
'为无量纲化的粘性水动力系数。
[0016]
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置，包括：采集模块，用于采集风浪流相对于船舶的相关参数；数据处理模块，用于根据所述相关参数计算舵机角度补偿量；优化模块，用于将所述舵机角度补偿量叠加至pid航向控制器的初始输出信号，得到优化后的输出信号。
[0017]
本发明实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置，通过主动测量海风、海浪、海流的参数，然后根据测量结果计算出需要补偿的舵偏角量，最后将其叠加到现有的pid控制算法的输出信号之中，即可以主动补偿恶劣海况干扰，实现对海风、海浪、海流干扰的主动补偿，提高船舶在恶劣海况条件下的航向控制精度。
[0018]
另外，根据本发明上述实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置还可以具有以下附加的技术特征：
[0019]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集模块中，利用风速计测量海风相对于船舶的速度v3和方向α，利用流速计测量海水相对于船舶的速度v和方向β，其中，所述相关参数包括速度v3、方向α、速度v和方向β。
[0020]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块的计算公式为：
[0021][0022]
其中，δ0为舵机角度补偿量，k
p
为操舵效率，k3·
v
32
为海风产生的力矩，ρ2为空气的密度，s
y
l为船舶水线以上部分的侧投影的面积，c
n
(α)为风舷角为α时的无量纲化气动力矩参数，k1·
v2·
sin2β为海水的惯性水动力产生的力矩，m
y
为船舶前进方向的附加惯性质量，m
x
为船舶横移方向的附加质量，k2·
v
·
sinβ为海水的粘性水动力产生的力矩，ρ为海水的密度，ld为船舶的水线以下部分的特征面积，n
v
'为无量纲化的粘性水动力系数。
[0023]
为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述所述的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法。
[0024]
另外，根据本发明上述实施例的电子设备还可以具有以下附加的技术特征：
[0025]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集模块中，利用风速计测量海风相对于船舶的速度v3和方向α，利用流速计测量海水相对于船舶的速度v和方向β，其中，所述相关参数包括速度v3、方向α、速度v和方向β。
[0026]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块的计算公式为：
[0027][0028]
其中，δ0为舵机角度补偿量，k
p
为操舵效率，k3·
v
32
为海风产生的力矩，ρ2为空气的密度，s
y
l为船舶水线以上部分的侧投影的面积，c
n
(α)为风舷角为α时的无量纲化气动力矩参数，k1·
v2·
sin2β为海水的惯性水动力产生的力矩，m
y
为船舶前进方向的附加惯性质量，m
x
为船舶横移方向的附加质量，k2·
v
·
sinβ为海水的粘性水动力产生的力矩，ρ为海水的密度，ld为船舶的水线以下部分的特征面积，n
v
'为无量纲化的粘性水动力系数。
[0029]
为达到上述目的，本发明第四方面实施例提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实现上述所述的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法。
[0030]
另外，根据本发明上述实施例的非临时性计算机可读存储介质还可以具有以下附加的技术特征：
[0031]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述采集模块中，利用风速计测量海风相对于船舶的速度v3和方向α，利用流速计测量海水相对于船舶的速度v和方向β，其中，所述相关参数包括速度v3、方向α、速度v和方向β。
[0032]
进一步地，在本发明的一个实施例中，所述数据处理模块的计算公式为：
[0033][0034]
其中，δ0为舵机角度补偿量，k
p
为操舵效率，k3·
v
32
为海风产生的力矩，ρ2为空气的密度，s
y
l为船舶水线以上部分的侧投影的面积，c
n
(α)为风舷角为α时的无量纲化气动力矩参数，k1·
v2·
sin2β为海水的惯性水动力产生的力矩，m
y
为船舶前进方向的附加惯性质量，
m
x
为船舶横移方向的附加质量，k2·
v
·
sinβ为海水的粘性水动力产生的力矩，ρ为海水的密度，ld为船舶的水线以下部分的特征面积，n
v
'为无量纲化的粘性水动力系数。
[0035]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0036]
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0037]
图1是本发明一个实施例的现有航向控制器算法的执行框图；
[0038]
图2是本发明一个实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法的流程图；
[0039]
图3是本发明一个实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法的执行框图；
[0040]
图4是本发明一个实施例的现有航向控制器算法的仿真试验结果图；
[0041]
图5是本发明一个实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法的仿真试验结果图；
[0042]
图6是本发明一个实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0044]
下面参照附图描述根据本发明实施例提出的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法及装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法。
[0045]
图2是本发明一个实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法的流程图。
[0046]
如图2所示，该提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法包括以下步骤：
[0047]
在步骤s1中，采集风浪流相对于船舶的相关参数。
[0048]
具体地，利用船舶上安装的风速计测量海风相对于船舶的速度v3和方向α，利用船舶上安装的流速计测量海水相对于船舶的速度v和方向β，其中，相关参数包括速度v3、方向α、速度v和方向β。
[0049]
在步骤s2中，根据相关参数计算舵机角度补偿量。
[0050]
具体地，计算用于补偿风浪流的舵偏角δ0的具体公式为：
[0051][0052]
其中，δ0为舵机角度补偿量，k
p
为操舵效率，即船舶驱动力产生的1nm的力矩时需要的舵偏角，k3·
v
32
为海风产生的力矩，ρ2为空气的密度，取1.21千克每立方米，s
y
l为船舶水线以上部分的侧投影的面积，c
n
(α)为风舷角为α时的无量纲化气动力矩参数，根据风洞实验获得，k1·
v2·
sin2β为海水的惯性水动力产生的力矩，m
y
为船舶前进方向的附加惯性质量，m
x
为船舶横移方向的附加质量，这两项参数通过实验或者计算方法得到，k2·
v
·
sinβ为海水的粘性水动力产生的力矩，取1000千克每立方米，ρ为海水的密度，ld为船舶的水线以下部分的特征面积，n
v
'为无量纲化的粘性水动力系数，根据实验或者计算得到。
[0053]
在步骤s3中，将舵机角度补偿量叠加至pid航向控制器的初始输出信号，得到优化后的输出信号。
[0054]
如图3所示，将舵偏角补偿量δ0叠加到传统pid航向控制器的输出信号中，实现对风浪流干扰的补偿。
[0055]
具体地，如图3所示，本发明实施例提出的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法的具体执行流程为：将航向指令发送给pid控制器，pid控制器根据航向指令求解初始舵偏角，并控制船舶调整相应舵偏角，由于船舶受海风、海浪、海流干扰力影响，因此，在求解完初始舵偏角后，主动测量海风、海浪、海流的参数计算需要补偿的舵偏角量，对初始舵偏角进行优化，得到优化后的输出信号，根据优化后的输出信号对船舶进行调整，进一步地，本发明在相同的海风、海浪、海流干扰下进行仿真试验，比较本发明实施例提出的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法和现有航向控制器算法的航向控制效果，根据图4和5可知，本发明实施例，可以在大风、大浪的恶劣海况条件下，提高船舶航向控制的精度，减小航向控制误差，确保船舶能够沿着预定方向航行，进而避免发生航行危险。
[0056]
根据本发明实施例提出的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法，通过主动测量海风、海浪、海流的参数，然后根据测量结果计算出需要补偿的舵偏角量，最后将其叠加到现有的pid控制算法的输出信号之中，即可以主动补偿恶劣海况干扰，实现对海风、海浪、海流干扰的主动补偿，在大风、大浪的恶劣海况条件下，提高船舶航向控制的精度，减小航向控制误差，确保船舶能够沿着预定方向航行，避免发生航行危险。
[0057]
其次参照附图描述根据本发明实施例提出的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置。
[0058]
图6是本发明一个实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置的结构示意图。
[0059]
如图6所示，该装置10包括：采集模块100、数据处理模块200和优化模块300。
[0060]
其中，采集模块100用于采集风浪流相对于船舶的相关参数。数据处理模块200用于根据相关参数计算舵机角度补偿量。优化模块300用于将舵机角度补偿量叠加至pid航向
控制器的初始输出信号，得到优化后的输出信号。
[0061]
进一步地，在本发明的一个实施例中，采集模块中，利用风速计测量海风相对于船舶的速度v3和方向α，利用流速计测量海水相对于船舶的速度v和方向β，其中，相关参数包括速度v3、方向α、速度v和方向β。
[0062]
进一步地，在本发明的一个实施例中，数据处理模块的计算公式为：
[0063][0064]
其中，δ0为舵机角度补偿量，k
p
为操舵效率，k3·
v
32
为海风产生的力矩，ρ2为空气的密度，s
y
l为船舶水线以上部分的侧投影的面积，c
n
(α)为风舷角为α时的无量纲化气动力矩参数，k1·
v2·
sin2β为海水的惯性水动力产生的力矩，m
y
为船舶前进方向的附加惯性质量，m
x
为船舶横移方向的附加质量，k2·
v
·
sinβ为海水的粘性水动力产生的力矩，ρ为海水的密度，ld为船舶的水线以下部分的特征面积，n
v
'为无量纲化的粘性水动力系数。
[0065]
需要说明的是，前述集中在提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法实施例的解释说明也适用于本发明实施例的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置，其实现原理类似，在此不再赘述。
[0066]
根据本发明实施例提出的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿装置，通过主动测量海风、海浪、海流的参数，然后根据测量结果计算出需要补偿的舵偏角量，最后将其叠加到现有的pid控制算法的输出信号之中，即可以主动补偿恶劣海况干扰，实现对海风、海浪、海流干扰的主动补偿，在大风、大浪的恶劣海况条件下，提高船舶航向控制的精度，减小航向控制误差，确保船舶能够沿着预定方向航行，避免发生航行危险。
[0067]
为了实现上述实施例，本发明还提出了一种空调设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如前述实施例所述的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法。
[0068]
为了实现上述实施例，本发明还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述实施例所述的提高船舶航向控制精度的风浪流干扰主动补偿方法。
[0069]
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0070]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0071]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。