船舶航向区间控制方法和系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010287977.1 (22)申请日 2020.04.13 (71)申请人 华中科技大学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 赵金王旭东耿涛 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心 42201 代理人 祝丹晴李智 (51)Int.Cl. G05D 1/02(2020.01) (54)发明名称 一种船舶航向区间控制方法和系统 (57)摘要 本发明公开了一种舵角舵速约束下的水面 船舶航向区间控制方法和系统， 属于船舶运动控 制领域。 。

2、本发明的方法包括： 计算多步预测状态 矩阵； 计算多步输入矩阵； 更新反馈校正矩阵并 计算多步预测航向； 根据当前方向舵角度计算舵 角舵速约束下的舵角增量输出向量； 取舵角增量 输出向量的第一行作为当前时刻舵角增量输出。 本发明适用于舵角舵速约束下的水面船舶航向 区间控制， 有利于减少船舶舵机机械结构的磨 损， 减少船舶航行过程中的能耗。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 111427356 A 2020.07.17 CN 111427356 A 1.一种船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 根据航向控制增广状态空间方程中的状态预测矩阵A计算多步预测状态矩阵P， 根据。

3、输 入矩阵B计算多步输入矩阵H； 根据当前k时刻的航向角和舵角通过观测器获取当前k时刻状态变量估计值 zk， 并更新反馈校正矩阵D； 由所述当前k时刻状态变量估计值zk， 通过所述多步预测状态矩阵P、 多步输入矩阵H和 更新之后的反馈校正矩阵D获取多步预测状态变量 构建包含优化参考轨迹 、 舵角增量输出向量 r和所述多步预测状态变量的代价函 数， 结合舵角约束条件、 舵速约束条件和区间约束条件， 求解约束条件下的二次规划， 从而 获得舵角舵速约束下的舵角增量输出向量 r。 2.如权利要求1所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述船舶航向控制增广状 态空间方程为 其中 是当前k时刻舵角增。

4、量输出向量， a11， a12， a21， a22是已知的水动力相关参数， b1， b2 是已知的执行器相关参数， vk是船舶的横向速度， rk是船舶的艏向角速度，是航向角， 是舵角。 3.如权利要求2所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述多步预测状态矩阵 所述多步输入矩阵 其中ny是预测步长， C为一个常值矩阵且C0 0 1 0， 所述多步输入矩阵H的列数为控 制步长nu。 4.如权利要求3所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述更新反馈校正矩阵D 包括： 权利要求书 1/3 页 2 CN 111427356 A 2 1)在当前k时刻计算航向预测值 2)获取实际值与所述航向。

5、预测值的误差 3)根据所述误差获取航向校正隹其中 为小 于1的常数，的初始值 4)由所述航向校正值更新反馈校正矩阵 5.如权利要求4所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述多步预测状态变量 其中 6.如权利要求5所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述代价函数 代表二范数， 权重矩阵为Q；代表二范数， 权重矩阵为R； M为维数匹配矩阵。 7.如权利要求6所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述舵速约束条件为 其中和 r分别为舵速的上下限约束， 矩阵是维数等于控制步长nu的单位 矩阵。 8.如权利要求6所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述舵角约束条件为 其中和。

6、 r分别为舵角的上下限约束， 矩阵是维数等于控制 步长nu的方阵，矩阵中的元素I为单位矩阵。 9.如权利要求6所述的船舶航向区间控制方法， 其特征在于， 所述区间约束条件为 其中矩阵是维数等于nm的单位矩阵， nm为优化参考轨迹 的步长， 和 分别为 优化参考轨迹的上下界。 权利要求书 2/3 页 3 CN 111427356 A 3 10.一种船舶航向区间控制系统， 其特征在于， 包括 多步预测状态矩阵获取模块， 用于根据航向控制增广状态空间方程中的状态预测矩阵 A获取多步预测状态矩阵P； 多步输入矩阵获取模块， 用于根据航向控制增广状态空间方程中的输入矩阵B获取多 步输入矩阵H； 反馈校正。

7、矩阵获取模块， 用于根据当前k时刻的航向角阳舵角通过观测器获取 当前k时刻状态变量估计值zk， 并更新反馈校正矩阵D； 多步预测模块， 用于由所述当前k时刻状态变量估计值zk， 通过所述多步预测状态矩阵 P、 多步输入矩阵H和更新之后的反馈校正矩阵D获取多步预测状态变量 二次规划模块， 构建包含优化参考轨迹 、 舵角增量输出向量 r和所述多步预测状态 变量的代价函数， 结合舵角约束条件、 舵速约束条件和区间约束条件， 求解约束条件下的 二次规划， 从而获得舵角舵速约束下的舵角增量输出向量 r。 权利要求书 3/3 页 4 CN 111427356 A 4 一种船舶航向区间控制方法和系统 技术领。

8、域 0001 本发明属于船舶运动控制领域， 更具体地， 涉及一种船舶航向区间控制方法和系 统。 背景技术 0002 船舶航向控制对于现代船舶航行具有非常重要的意义， 现代船舶的航向控制功能 通常通过自动舵或具有类似功能的航向控制器实现。 通过预设路径点和导航算法， 船舶可 以自动地航行至目的地港口， 大大提高船舶航行的稳定性， 减轻船员的工作负担。 0003 导航算法给出的参考航向多是一个固定航向， 现有技术也多是针对航向定值控制 这一问题， 船舶在海洋中航行的过程中易受到风浪流等外界干扰， 如果说采用航向定值控 制， 将航向保持在一个固定值， 则需要在航行过程中针对外界干扰频繁打舵修正航向。。

9、 船舶 本身具有较大的质量， 因此拥有很大的惯性， 依靠打舵修正航向只能解决由外界干扰中低 频部分造成的航向偏移， 而针对外界干扰中的高频部分进行打舵修正效果有限且会加速舵 机的磨损， 增加船舶的功耗。 0004 不同于定值控制， 区间控制的目的是将被控对象控制在一个给定的区间内而不是 控制在一个给定的值。 对于航行在海洋中的船舶来说， 若将船舶的航向控制在一个给定的 区间内， 就能够一定程度上忽视外界干扰中的高频部分对航向控制的影响， 并依靠导航算 法依然可以使得船舶保持在给定的航线上从而顺利到达目的地。 因此， 亟需一种水面船舶 的航向区间控制方法以减少打舵的频率和幅度。 发明内容 000。

10、5 针对现有技术的缺陷， 本发明的目的在于提供一种船舶航向区间控制方法和系 统， 旨在减少船舶舵机机械结构的磨损， 并降低船舶航行过程中的能耗。 0006 为实现上述目的， 本发明一方面提供了一种船舶航向区间控制方法， 包括以下步 骤： 0007 根据航向控制增广状态空间方程中的状态预测矩阵A计算多步预测状态矩阵P， 根 据输入矩阵B计算多步输入矩阵H； 0008根据当前k时刻的航向角和舵角通过观测器获取当前k时刻状态变量估计 值zk， 并更新反馈校正矩阵D； 0009 由所述当前k时刻状态变量估计值zk， 通过所述多步预测状态矩阵P、 多步输入矩 阵H和更新之后的反馈校正矩阵D获取多步预测状。

11、态变量 0010构建包含优化参考轨迹 、 舵角增量输出向量 r和所述多步预测状态变量的代 价函数， 结合舵角约束条件、 舵速约束条件和区间约束条件， 求解约束条件下的二次规划， 从而获得舵角舵速约束下的舵角增量输出向量 r。 0011 进一步地， 所述船舶航向控制增广状态空间方程为 0012 说明书 1/7 页 5 CN 111427356 A 5 0013其中 0014 0015 0016是当前k时刻舵角增量输出向量， a11， a12， a21， a22是已知的水动力相关参数， b1， b2是已知的执行器相关参数， vk是船舶的横向速度， rk是船舶的艏向角速度，是航向 角，是舵角。 00。

12、17 进一步地， 所述多步预测状态矩阵 0018 0019 所述多步输入矩阵 0020 0021 其中ny是预测步长， C为一个常值矩阵且C0 0 1 0， 所述多步输入矩阵H的列 数为控制步长nu。 0022 进一步地， 所述更新反馈校正矩阵D包括： 00231)在当前k时刻计算航向预测值 00242)获取实际值与所述航向预测值的误差 00253)根据所述误差获取航向校正值其中 为小于1的常数，的初始值 00264)由所述航向校正值更新反馈校正矩阵 0027进 一 步 地 ， 所 述 多 步 预 测 状 态 变 量其 中 0028 进一步地， 所述代价函数 0029 代表二范数， 权重矩阵为。

13、Q；代表二范数， 权重矩阵为R； M为维数匹配矩阵。 说明书 2/7 页 6 CN 111427356 A 6 0030 进一步地， 所述舵速约束条件为 0031 0032其中和分别为舵速的上下限约束， 矩阵是维数等于控制步长nu的 单位矩阵。 0033 进一步地， 所述舵角约束条件为 0034 0035其中种 r分别为舵角的上下限约束， 矩阵是维数等于 控制步长nu的方阵，矩阵中的元素I为单位矩阵。 0036 进一步地， 所述区间约束条件为 0037 0038其中矩阵是维数等于nm的单位矩阵， nm为优化参考轨迹 的步长， 阳 分 别为优化参考轨迹的上下界。 0039 本发明的另一方面还提供。

14、了一种船舶航向区间控制系统， 包括 0040 多步预测状态矩阵获取模块， 用于根据航向控制增广状态空间方程中的状态预测 矩阵A获取多步预测状态矩阵P； 0041 多步输入矩阵获取模块， 用于根据航向控制增广状态空间方程中的输入矩阵B获 取多步输入矩阵H； 0042反馈校正矩阵获取模块， 用于根据当前k时刻的航向角和舵角通过观测器 获取当前k时刻状态变量估计值zk， 并更新反馈校正矩阵D； 0043 多步预测模块， 用于由所述当前k时刻状态变量估计值zk， 通过所述多步预测状态 矩阵P、 多步输入矩阵H和更新之后的反馈校正矩阵D获取多步预测状态变量 0044 二次规划模块， 构建包含优化参考轨迹。

15、 、 舵角增量输出向量 r和所述多步预测 状态变量的代价函数， 结合舵角约束条件、 舵速约束条件和区间约束条件， 求解约束条件 下的二次规划， 从而获得舵角舵速约束下的舵角增量输出向量 r。 0045 通过本发明所构思的以上技术方案， 与现有技术相比， 能够取得下列有益效果： 0046 (1)本发明提供的航向区间控制方法和系统将船舶的航向控制在一个给定的区间 内， 能够一定程度上忽视外界干扰中的高频部分对航向控制的影响， 使得船舶在风浪流干 扰中航行时保持在给定区间内并有效减少打舵次数， 降低舵机等机械结构的磨损和船舶的 能耗。 说明书 3/7 页 7 CN 111427356 A 7 004。

16、7 (2)本发明提供的航向区间控制方法和系统中， 在设计控制器的时候考虑了舵角 和舵速的约束情况， 提高了航向控制的稳定性。 附图说明 0048 图1是本发明实施例的算法流程示意图； 0049 图2是本发明实施例的半物理实验曲线图。 具体实施方式 0050 为了使本发明的目的、 技术方案及优点更加清楚明白， 以下结合附图及实施例， 对 本发明进行进一步详细说明。 应当理解， 此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并 不用于限定本发明。 此外， 下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。 0051 本发明实施例提供了一种舵角舵速约束下的水面船。

17、舶航向区间控制方法， 包括以 下步骤： 0052 S1.根据状态预测矩阵A计算多步预测状态矩阵P； 0053 S2.根据输入矩阵B计算多步输入矩阵H； 0054S3.根据传感器读取的航向角和当前k时刻舵角通过观测器估算当前k时刻 状态变量估计值其中vk是船舶的横向速度， rk是船舶的艏向 角速度。 0055 S4.更新反馈校正矩阵D并根据当前时刻估算的状态变量计算多步预测状态变量； 0056S5.根据当前舵角计算舵角舵速约束下的舵角增量输出向量 r； 0057 S6.取舵角增量输出向量 r的第一行作为当前时刻舵角增量输出， 等待当前控 制周期结束， 返回步骤S3。 0058 下面对具体操作进行。

18、详细阐述： 0059 所述步骤S1具体包括： 0060船 舶航向 控 制增广状态空间方程为其中 0061 a21， a22是水动力相关参数， b1， b2是执行器相关参数， 上述参数均为已知参数， 多步 预测状态矩阵其中ny是预测步长， C为一个常值矩阵， 且C 0 0 1 0。 。 0062 所述步骤S2具体包括： 0063计算得到多步输入矩阵其中多步输 说明书 4/7 页 8 CN 111427356 A 8 入矩阵H的列数为控制步长nu。 0064 所述步骤S3具体包括： 0065通过传感器得到当前k时刻的航向 角和舵角通过公式 得到当前时刻状态变量估计值， 其中L是观测器增益矩 阵， 。

19、为一个常值矩阵。 初始时刻的状态变量即初始时刻横向速度 为0， 艏向角速度为0， 航向角为舵角为0。 0066 所述步骤S4具体包括： 0067S4.1在当前k时刻计算航向预测值 0068S4.2航向预测值与实际值的误差 0069S4.3航向校正值其中 为小于1的常数， 的初始值 0070S4.4更新反馈校正矩阵 0071S4.5计算多步预测状态变量其中 0072 所述步骤S5具体包括： 0073S 5 .1 构 建 代 价 函 数 代表二范数， 权重矩阵为Q。代表二范数， 权重矩阵为R。 矩 阵P为步骤S1中的多步预测状态矩阵， 矩阵H为步骤S2中多步输入矩阵， D为步骤S4中反馈校 正矩阵。

20、。 维数匹配矩阵M的作用是使得矩阵M和优化参考轨迹 的乘积的维度和预测步长匹 配。 0074 S5.2将S5.1中的代价函数J展开可得到 0075 J(M )TQ(M )-(M )TQ(Pz)-(M t)TQ(H r)-(M )TQD-(Pz)TQ(M )+(Pz)TQ(Pz)+ (Pz)TQ(H r)+(Pz)TQD-(H r)TQ(M )+(H r)TQ(Pz)+(H r)TQ(H r)+(H r)TQD-DTQ (M )+DTQ(Pz)+DTQ(H r)+DTQD+ rTR r 0076 S5.3代价函数J中的常数项对于求解没有影响， 将代价函数J中的常数去掉得到新 的代价函数其中矩阵S。

21、 矩阵 0077 S5.4受机械结构和物理能量输出的约束， 船舶的舵角不是无限大， 转舵的速度也 有上限， 因此在设计控制器的时候需要考虑舵角和舵速的约束情况， 否则设计出来的控制 说明书 5/7 页 9 CN 111427356 A 9 器可能会导致航向控制的不稳定。 0078 考虑舵角舵速的约束和区间约束， 将约束写成矩阵不等式形式， 其中舵速约束可 以写为和 r分别为舵速的上下限约束， 矩阵 是维数等于控制步长nu的单位矩阵。 0079舵角约束可以写为其中和 r分别为舵角的 上下限约束， 矩阵是维数等于控制步长nu的方阵，矩 阵中的元素I为单位矩阵。 0080 优化参考轨迹 的上下界约束。

22、即为区间边界， 将优化参考轨迹的约束写成矩阵不 等式的形式为其中矩阵是维数等于nm的单位矩阵， nm 为优化参考轨迹 的步长， 和 分别为优化参考轨迹的上下界。 0081上述约束可以 统一写为矩阵 不等式形式其中 0082 S5.5结合S5.3中的代价函数J1和S5.4中的矩阵不等式约束， 舵角舵速约束下的航 向区间控制问题至此变成一个带约束的二次规划问题： 0083 0084 0085使用成熟的二次规划求解工具即可求解得到解向量该解向量包括舵角增 量输出向量 r和优化参考轨迹 。 0086 所述步骤S6具体包括： 0087S6.1取舵角增量输出向量 r的第一行作为k+1时刻的舵角增量 008。

23、8S6.2计算k+1时刻的舵角输出： 说明书 6/7 页 10 CN 111427356 A 10 0089 相对应地， 本发明实施例还提供了一种船舶航向区间控制系统， 包括 0090 多步预测状态矩阵获取模块， 用于根据航向控制增广状态空间方程中的状态预测 矩阵A获取多步预测状态矩阵P； 0091 多步输入矩阵获取模块， 用于根据航向控制增广状态空间方程中的输入矩阵B获 取多步输入矩阵H； 0092反馈校正矩阵获取模块， 用于根据当前k时刻的航向角和舵角通过观测器 获取当前k时刻状态变量估计值zk， 并更新反馈校正矩阵D； 0093 多步预测模块， 用于由所述当前k时刻状态变量估计值zk， 。

24、通过所述多步预测状态 矩阵P、 多步输入矩阵H和更新之后的反馈校正矩阵D获取多步预测状态变量 0094 二次规划模块， 构建包含优化参考轨迹 、 舵角增量输出向量 r和所述多步预测 状态变量的代价函数， 结合舵角约束条件、 舵速约束条件和区间约束条件， 求解约束条件 下的二次规划， 从而获得舵角舵速约束下的舵角增量输出向量6r。 0095 图2是本发明实施例的半物理实验曲线图。 由图2可以看出， 船舶从初始航向30 变 向至60 过程中， 最大和最小舵角值始终处于舵角约束范围内， 动舵过程中舵速也被控制在 给定的舵速约束范围内。 待船舶到达60 航向区间范围内以后， 航向始终在给定区间的范围 内变化， 而舵角在整个过程仅动舵4次。 0096 本领域的技术人员容易理解， 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以 限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等， 均应包含 在本发明的保护范围之内。 说明书 7/7 页 11 CN 111427356 A 11 图1 说明书附图 1/2 页 12 CN 111427356 A 12 图2 说明书附图 2/2 页 13 CN 111427356 A 13 。