[发明专利]一种船舶航向区间控制方法和系统

说明书

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。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。

技术领域

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

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。

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。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。

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

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。

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：

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；

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z_k，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z_k，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α、舵角增量输出向量Δδ_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Δδ_r。

进一步地，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，v_k是船舶的横向速度，r_k是船舶的艏向角速度，是航向角，是舵角。

进一步地，所述多步预测状态矩阵

所述多步输入矩阵