[发明专利]一种具有橫摇约束的欠驱动船舶航向和舵减摇控制方法

说明书

本发明公开了一种具有橫摇约束的欠驱动船舶航向和舵减摇控制方法，该方法包括：S1、设定指令航向角ψ_d，指令橫摇角设为0，并建立船舶非线性运动模型；S2、根据测量的船舶运动状态计算航向误差ψ_e、虚拟艏摇角速度误差r_e和虚拟橫摇角速度误差p_e；S3、分别设计航向控制规律δ_ψ和舵减摇控制规律δ_φ，计算舵角指令δ，通过控制操舵运动实现航向和舵减摇控制；S4、更新实船的运动状态测量信息，并判断航向误差和橫摇角是否为0，若是，则结束控制，若否，则更新状态进入步骤S2。本发明考虑了橫摇运动对航向角的耦合影响，设计了具有橫摇约束的航向控制规律，可以进一步提高恶劣海况下航向和舵减摇控制的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及船舶运动控制技术领域，具体涉及一种具有橫摇约束的欠驱动船舶航向和舵减摇控制方法。

背景技术

海上船舶在风浪中航行不可避免的产生六自由度摇摆运动，其中橫摇运动最为剧烈，严重影响船员舒适性和船载设备的正常运行。船舶航向控制通常采用线性或非线性Nomoto模型，该模型中航向角ψ和航向角速度r的关系为没有考虑橫摇运动对航向角的影响；但在实际工况中船舶运动状态是相互耦合的，航向角ψ和航向角速度r的关系为其中φ为橫摇角，因此，橫摇运动的存在必然影响航向控制精度。橫摇运动可以通过橫摇控制装置进行减摇，目前应用最广泛且效果最好的减摇装置是减摇鳍，对于因缺少经济成本或船舱空间而没有安装减摇鳍的欠驱动船舶，可通过舵减摇的方式实现橫摇减摇，但是舵减摇的橫摇减摇效果有限，并且对舵机转速有较高要求，因此，为减小橫摇运动对航向控制精度的影响，需要在航向控制器中进一步处理橫摇角的约束。基于确定性非线性模型的航向控制通常假设模型参数未知，通过对未知模型参数的估计来实现欠驱动船舶的准确控制；但在恶劣海况扰动作用下，模型非线性水动力部分具有不确定性和未建模动态的特点且模型参数可能时变，因此，基于该类模型的控制方法不能保证航向控制系统的鲁棒性。

发明内容

为了解决或部分解决相关技术中存在的问题，本发明提供了一种具有橫摇约束的欠驱动船舶航向和舵减摇控制方法，解决在恶劣海况下大幅橫摇的欠驱动船舶航向和舵减摇控制精度和鲁棒性问题。

本发明公开了一种具有橫摇约束的欠驱动船舶航向和舵减摇控制方法，其特征在于，包括：

S1、设定指令航向角ψ_d，指令橫摇角设为0，并建立船舶非线性运动模型；

S2、根据测量的船舶运动状态计算航向误差ψ_e、虚拟艏摇角速度误差r_e和虚拟橫摇角速度误差p_e；

S3、分别设计航向控制规律δ_ψ和舵减摇控制规律δ_φ，计算舵角指令δ，通过控制操舵运动实现航向和舵减摇控制；

S4、更新实船的运动状态测量信息，并判断航向误差和橫摇角是否为0，若是，则结束控制，若否，则更新状态进入步骤S2。

可选地，所述步骤S1中的船舶非线性运动模型的表达式为：

其中，ψ为航向角，φ为橫摇角，r为航向角速度，p为橫摇角速度，f_p(υ)为橫摇未知非线性水动力，f_r(υ)为艏摇未知非线性水动力，υ＝[p,r,φ,ψ]^T为船舶运动状态向量，δ为舵角，K₀为橫摇控制系数，N₀为艏摇控制系数，τ_p为橫摇海浪扰动，τ_r为艏摇海浪扰动。

可选地，所述船舶非线性运动模型中的舵角δ的计算公式为：