[发明专利]一种基于人工鱼群算法的船舶动力定位系统推力分配方法

说明书

本发明提供的是一种基于人工鱼群算法的船舶动力定位系统推力分配方法。包含以下步骤：输入参与推力分配的纵荡、横荡和艏摇的力和力矩；设定每个推进器推力的大小、推力变化率、推进器方位角禁区的范围和推进器方位角变化率；根据船舶所受的合力，要求所有的推进器产生的合力和合力矩与参与推力分配的输入指令相等；建立推力分配数学模型，并应用人工鱼群算法解决推力分配的优化问题。本发明对目标函数的性质要求不高，寻优速度快，具备全局寻优的能力，能够有效地将纵荡、横荡和艏摇三个自由度的推力指令分配到每个推进器上，从而降低推进器的能量消耗，解决动力定位系统的推力分配问题。

技术领域

本发明涉及的是一种船舶动力定位系统的推力分配方法，特别是一种采用人工鱼群算法的船舶动力定位系统推力分配方法。

背景技术

随着人类对海洋开发的深入和海域的扩展，锚泊系统已经不能满足深海水域定位作业的要求，而船舶动力定位系统却能很好地解决这一问题。过去，船舶在海上作业时，如果要求其保持作业地点固定不变，人们通常采用锚泊系统实现定位。但是随着水深的增加，或作业地点水下情况复杂不允许抛锚时，锚泊系统就很难完成其保持船位的任务，所以动力定位系统对于海洋工程装备领域来说，已成为十分重要的系统。

动力定位系统的推力分配是根据控制系统计算出来为实现动力定位而需要的推力和转艏力矩，对船上各推进器的推力大小和方向进行合理分配，从而使各推进器共同作用产生满足船舶控制所需的合力和力矩，以满足船舶定位的需要。

由于冗余要求，装有动力定位系统的船舶一般装有多个推进器，因此推进器分配单元存在多个解都能满足控制器指令。在考虑功率消耗和船舶的操纵性以及推进器的磨损和噪声前提下，可将推力分配问题归结为最优化问题。

公开号为CN102508431A，名称为“一种海洋钻井平台动力定位系统推力分配方法”；公开号为CN103092077A，名称为“动力定位系统的推力分配方法”的专利文件中，运用粒子群算法和序列二次规划方法对动力定位系统推力分配优化。

智能优化算法是近年来国内外优化领域和工程界研究的热点，其中人工鱼群算法是一种基于模拟鱼群行为的优化算法，在人工鱼群算法中，主要是利用了鱼群的觅食、聚群和追尾行为，从构造一条鱼的底层行为做起，通过鱼群中各个个体的局部寻优，达到全局最优值在群体中凸显出来的目的，该算法具有良好的克服局部极值，取得全局极值的能力。并且算法中只使用目标函数的函数值，无需目标函数的梯度值等特殊信息，对搜索空间具有一定的自适应能力，算法对初值无要求，对各参数的选择也不很敏感。

发明内容

本发明目的在于提供一种能降低能量的消耗、减少推进器的磨损和避免奇异结构，提高动力定位系统性能的基于人工鱼群算法的船舶动力定位系统推力分配方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1.建立动力定位系统的推力分配模型，令参与推力分配的输入量τ＝[τ_x,τ_y,τ_z]，则

τ＝B(α)u

其中u＝[u₁,u₂,…,u₅]，

τ_x、τ_y、τ_z分别为输入的纵向、横向和艏摇方向的力和力矩；u为5个推进器输出的推力矢量；α_i为第i个推进器旋转方位角，l_xi、l_yi分别为第i个推进器与船舶旋转中心的纵向、横向距离，B(α)是对应的矩阵；

步骤2.初始化鱼群：初始化人工鱼群参数，所述参数包括：人工鱼群规模M、每条人工鱼的初始位置、视野Visual和步长Step、拥挤度因子δ、最大重复尝试次数try_number、最大迭代次数；