[发明专利]基于虚拟领航者与导引策略的气垫船编队控制装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种气垫船的编队控制装置。本发明也涉及的是一种气垫船的编队控制方法。

背景技术

随着新式造船技术的跨越式发展，各种高性能特种船舶陆续面世，受到越来越多的重视，已经成为世界各国造船界研究的重点。所谓高性能特种船舶是为突破常规船舶性能及适应特殊环境要求而开发的一类新型海洋运载器。气垫船就是这样一种新型海洋运载器。然而单艘气垫船船的作业能力毕竟有限，而实际应用中往往需要多艘气垫船相互协调，共同完成复杂任务。同时相对于单艘气垫船，多艘气垫船相互协调作业有着许多潜在的优势：可以提高作业的效率，具有容错性和适应性强等优点。因此对多艘气垫船编队控制的研究具有重要的实际应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现气垫船的自动编队控制，提高编队精确度以及航行安全性的基于虚拟领航者与导引策略的气垫船编队控制装置。本发明的目的还在于提供一种基于虚拟领航者与导引策略的气垫船编队控制方法。

本发明的基于虚拟领航者与导引策略的气垫船编队控制装置主要包括虚拟领航者模块、导引模块、比较器和控制器，虚拟领航者模块通过几何关系制定每一艘气垫船的期望位置且实时的更新，导引模块将自身的期望位置转换为期望速度信号，比较器将期望速度与实际速度进行比较得到速度偏差，控制器根据速度偏差解算控制指令。

本发明的基于虚拟领航者与导引策略的气垫船编队控制方法包括如下步骤：

(1)将离散的轨迹质点作为为虚拟领航者，并设定常值向量作为虚拟领航者与跟随气垫船的相对位置，通过虚拟领航者给出跟随气垫船的实时期望位置；

(2)采用平移接近导引法，将虚拟领航者给定的期望位置与当前的实际位置作偏差，再通过平移接近导引法计算出当前时刻的期望速度；

(3)比较器将得到的期望速度与当前的实际速度进行比较得到速度偏差；

(4)控制器由速度偏差设计PID控制器，计算得到控制力。

本发明将离散的轨迹质点看成是虚拟领航者，且具有一定的更新速度，根据虚拟领航者的位置以一定的几何关系制定每一艘气垫船的期望位置，然后采用平移接近法导引根据期望位置和实际位置的偏差计算出当前时刻的期望速度。包括一个比较器和一个控制器，比较器输出的当前期望速度与当前实际速度的偏差为控制器的输入，控制方法采用PID控制进行控制力的设计。

本发明相对现有技术具有如下的优点及效果：

气垫船在编队过程中容易因速度太快而产生超调，轻者影响编队的精度，重者会导致船与船之间发生撞击产生重大事故。本发明采用导引与虚拟领航者结合的策略，通过虚拟领航者以特定的几何关系制定每艘气垫船船的期望位置，然后利用平移接近导引将期望位置信号转换为期望速度信号再进行控制，可有效避免超调现象，提高编队精确度及航行安全性。

附图说明

图1基于虚拟领航者-导引策略的气垫船编队控制装置原理框图。

图2基于虚拟领航者-导引策略的气垫船编队控制方法流程图。

图3基于虚拟领航者-导引策略的气垫船编队示意图。

图4平移接近导引原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

结合图1，本发明的基于虚拟领航者与导引策略的气垫船编队控制装置主要包括虚拟领航者模块、导引模块、比较器和控制器。包括一个虚拟领航者-导引策略，将离散的轨迹质点看成是虚拟领航者，且具有一定的更新速度，根据虚拟领航者的位置以一定的几何关系制定每一艘气垫船的期望位置，然后采用平移接近法导引根据期望位置和实际位置的偏差计算出当前时刻的期望速度。包括一个比较器和一个控制器，比较器输出的当前期望速度与当前实际速度的偏差为控制器的输入，控制方法采用PID控制进行控制力的设计。

结合图2，基于虚拟领航者-导引策略的气垫船编队控制方法的实现步骤如下：

1.读取N艘气垫船各自当前时刻的实际位置(x,y)、速度(u,v)及艏向ψ；

2.通过虚拟领航者以几何关系制定每艘气垫船的期望位置；

假设编队的气垫船有N艘，虚拟领航者是期望轨迹上的离散质点。N艘气垫船以距离虚拟领航者的几何长度l_i,(i＝1,2...N)对其进行跟踪，从而形成设定的队形。