[发明专利]一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法

说明书

本发明提供了一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，包括：根据预先给定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号；设计滑模矢量控制器，通过计算获得完成矢量控制任务所需合力矩和合推力设定值；设计兼顾双泵喷水推进无人艇稳定性、动态响应特性、稳态跟踪精度要求的推力动态分配目标函数，并根据喷水推进无人艇个操纵变量的物理约束对待寻优变量约束的范围进行限定；步骤四，采用已有优化算法求解上述优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号。本发明能实现双泵喷水推进无人艇矢量控制航行任务，可减少传统反馈控制引起的推进泵运动部件磨损，并提升航行过程中的操控性、经济性和安全性。

技术领域

本发明属于喷水推进无人艇矢量控制领域，涉及一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法。

背景技术

喷水推进技术具有抗空化能力强、吃水浅、操纵性能优越等显著优势，常用的喷水推进无人艇配备有两台左右对称的喷水推进器，由各自轴连的柴油主机提供动力，基于矢量控制操纵方式，在低速航行时可完成原地回转、横移停靠、斜移等矢量航行任务。推力动态分配是实现双泵喷水推进无人艇矢量控制的关键，通过对推力动态分配问题的研究，可提升无人艇综合控制性能，减少推进设备的磨损，提高能源利用效率，同时兼顾喷水推进舰船航行过程中的操控性、经济性和安全性要求。

对于推力动态分配问题的研究主要分为三类：线性二次无约束的推力动态分配问题，线性二次有约束的推力动态分配问题，以及非线性有约束的推力动态分配问题。对于非线性有约束的推力动态分配问题，目前最常用的解决方法是序贯二次规划(SequentialQuadratic Programming，SQP，参见“陈宝林.最优化理论与算法.清华大学出版社,2005.”)算法，是通过循环求解原目标函数的近似二次规划子问题，逼近目标函数最优解的算法。目前无人艇推力动态分配问题的研究主要集中在具有螺旋桨推进器和多回转推进器的无人艇动力定位系统中，对于配备操舵、倒航装置的双泵喷水推进无人艇并未涉及。

经过对现有技术检索后发现，中国专利申请号CN201910436861.7A，公开日2019-10-08，提出了一种水面无人艇路径跟踪控制方法，通过当前无人艇运动的状态信息、位置坐标信息，进行路径点的离散并根据点更新机制进行目标点的更新，根据规划航速和海况估算推进器推力，从而进行推力分配，求得各推进器的执行信号，控制推进器执行指令动作。该专利主要贡献在于提出了一种水面无人艇路径跟踪控制方法，并未涉及具体推力动态分配方法，且求取航行指令方法也较为复杂。

综上，现有公开报道均未涉及具有可实现性喷水推进无人艇推力动态分配优化设计问题，这一空缺有待填补。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述缺陷，提供了一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种双泵喷水推进无人艇推力动态分配方法，包括：

根据选定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号；

设计滑模矢量控制器，根据航行任务指令信号获得对应于选定矢量控制任务的合力矩和合推力设定值；

设计推力动态分配目标函数，并根据双泵喷水推进无人艇各操纵变量物理约束对待寻优变量的约束范围进行限定；

采用优化算法求解推力动态分布的优化问题，获得两台喷水推进器的指令信号。

优选地，所述双泵喷水推进无人艇矢量控制任务包括横移或斜移，所述航行任务指令信号包括当前时刻的纵向速度、横向速度及艏摇角速度的设定值；其中，所述艏摇角速度的设定值为0。

优选地，所述根据选定的双泵喷水推进无人艇矢量控制任务，设计轨迹跟踪控制律得到航行任务指令信号，包括：