[发明专利]一种机动浮标在随机海浪干扰下的自守卫控制方法

说明书

本发明属于海洋浮标领域，具体涉及一种机动浮标在随机海浪干扰下的自守卫控制方法。包括机动浮标自守卫航行时的海浪方向估计、考虑波浪增阻问题的能量最优航路规划。海浪方向估计是在线实时预测机动浮标在自守卫区域内的浪向角，进而得到机动浮标自守卫航行时与海浪的遭遇角；在机动浮标自守卫区域内设置虚拟节点，采用A*算法对机动浮标进行能量最优航路规划；根据机动浮标所受到的波浪增阻与遭遇角之间的函数关系，将机动浮标在规划的航路上航行时的能量损耗作为目标函数，使得机动浮标在规划的航路上航行时的能量损耗最低。本发明可以有效地降低机动浮标在波浪增阻干扰下自守卫航行时的能量损耗，提高机动浮标的航行效率，应用前景广泛。

技术领域

本发明属于海洋浮标领域，具体涉及一种机动浮标在随机海浪干扰下的自守卫控制方法。

背景技术

海洋浮标是以锚定在海上的观测浮标为主体组成的海洋水文水质气象自动观测站。它能按规定要求长期、连续地收集所需海洋水文水质气象资料，特别是能收集到调查船难以恶劣天气及海况的资料。机动浮标是一种特殊的海洋浮标，在受到外界环境影响而漂离到给定的守卫区域外时，它可以依靠自身的动力，自主航行到给定的守卫点，继续执行自守卫测量任务。但是，当机动浮标在近水面自守卫航行时，在随机海浪的干扰下，由于海浪与机动浮标运动之间的相互作用产生的波浪增阻会降低机动浮标的主机推进功率，使得机动浮标在自守卫航行过程中的能量严重损耗，进而降低机动浮标的航行效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机动浮标在随机海浪干扰下的自守卫控制方法，其能有效减少机动浮标在自守卫航行时的波浪增阻，进而减少能量损耗，提高机动浮标的航行效率。

一种机动浮标在随机海浪干扰下的自守卫控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、根据机动浮标在随机海浪干扰下的纵摇、横摇、垂荡运动的时间序列，采用MAR(MultiAuto Regressive model)模型法计算机动浮标在上述三自由度上运动的交叉谱；

步骤2、根据机动浮标自身的模型参数通过MATLAB中的MSS工具包计算出浮标在上述三自由度上运动的RAO(ResponseAmplitude Operator)数据；

步骤3、根据步骤1中获得的交叉谱和步骤2中获得的RAO数据计算得到机动浮标的海浪方向谱，三者之间的关系为：

式中，φ_ij(ω)为通过机动浮标的时间序列获取的交叉谱，RAO_i(ω,θ)表示在第i个自由度上，波浪入射角为θ，频率为ω时的响应幅值算子，S(ω,θ)为海浪方向谱；

步骤4、根据机动浮标的实际航行情况，在给定的自守卫区域内，设置虚拟节点，每个虚拟节点中都包含此时刻的浪向角信息；

步骤5、根据机动浮标在随机海浪干扰下受到的波浪增阻与浪向角之间的函数关系，将机动浮标在自守卫航行时的能量损耗作为目标函数；

步骤6、采用A*算法对机动浮标在随机海浪干扰下自守卫航行时，从守卫区域边缘点到达给定守卫点进行路径规划，使得机动浮标在规划的航路上航行时能量损耗最低。

所述一种机动浮标在随机海浪干扰下的自守卫控制方法，步骤1中MAR模型建立方法为：

步骤1、假设{Z_k}是k维随机平稳的零均值时间序列，表示如下：

Z_k＝[z₁ z₂ ... z_k]^T

其中，z_i(s·Δt),s＝1,2,...,N，i＝1,2,...,k,其中Δt为采样时间，令采样时间Δt＝1，则z_i(s·Δt)＝z_i(s)；