[发明专利]自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊方法及系统

权利要求书

1.一种自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊系统，其特征在于，包括欠驱动船舶预测控制单元、避碰协调单元和自动靠泊控制单元；所述欠驱动船舶预测控制单元基于自适应预测地平线的节能鲁棒非线性模型预测控制，以处理基于船岸合作的实际控制和停泊过程中的状态约束；所述避碰协调单元基于改进的帝企鹅优化器，实现冲突避免决策；所述自动靠泊控制单元在不同的干扰下，采用鲁棒模型预测控制实现了不同的靠泊方法。

2.根据权利要求1所述的自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊系统，其特征在于，所述欠驱动船舶预测控制单元的控制策略，具体为：

步骤S1：基于预设的靠泊泊位位置和期望船舶靠泊速度，结合系统模型、系统约束和优化指标，以能耗为目标之一，构造MPC约束优化问题；

步骤S2：获取船舶的运动参考轨迹，构建欠驱动船舶运动模型，并根据运动参考轨迹预测运动控制数据，同时使用运动控制数据来控制运动状态，获得欠驱动船舶的运动数据；

步骤S3：比较欠驱动船舶运动数据和运动参考轨迹的偏移大小，并根据偏移大小的比较结果生成运动调整数据，运动数据用于调整运动状态，并计算欠驱动船舶运动数据和运动参考轨迹之间的偏移；

步骤S4：根据偏差的比较结果生成控制器的输入力和力矩。

步骤S5：在预测控制增加约束条件，包括状态变化约束以及船舶避碰。采用帝企鹅优化，迭代求解带约束的优化问题，直到收敛到最优解。

步骤S6：岸台监测船舶是否有碰撞危险。根据船舶的航行条件生成防撞指令，实现岸船之间的实时交互、动态调节、合理分工和协同控制。

3.根据权利要求2所述的自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊系统，其特征在于，所述MPC约束优化问题，具体为：当前时间t_k船舶的目标函数设置为：

其中T_p是预测时域，X_e(t；t_k)是在时间t_k对系统的误差状态的预测，U_e(t；t_k)是时间t_k时系统的误差输入的预测，Q是误差状态的加权矩阵，F是输入误差的加权矩阵，P是终端误差状态的权重矩阵；目标函数最小化预测区间中的船舶位置与参考轨迹上的对应点之间的距离，以及控制量的大小和能量消耗；输入U、期望输入U_d、输入误差U_e和系数矩阵K如下：

U＝[τ_u,τ_r]^T (1)

U_d＝[τ_ud,τ_rd]^T (3)

设η是位置和姿态矢量，υ是速度矢量，u是前进速度，v是摇摆速度，r是艏摇速度，x是前进位置，y是摇摆位置，以及Ψ是艏摇角，则欠驱动船舶运动模型为：

η＝[x y ψ]^T (6)

υ＝[u v r]^T (7)

其中R是旋转矩阵：

欠驱动船舶的动力学模型计算如下:

速度方程，表示如下:

其中τ_u表示沿前进方向的控制输入，τ_r表示沿艏摇方向的控制输入；m₁₁、m₂₂和m₃₃分别表示惯性矩阵对角线上的第一、第二和第三元素；d₁₁、d₂₂和d₃₃分别表示线性流体动力阻尼参数矩阵对角线上第一、第三和第二元素；X表示为位置和速度矢量，Fwx表示沿前进方向的风扰动；F_wy是沿摇摆方向的风扰动，N_w是沿艏摇方向的风扰，F_cx是沿前进方向的电流扰动，F_cy是沿摇摆的流场扰动，N_c是沿艏摇的电流扰动。将X_d表示为所需的位置和速度矢量，该矢量的分量如下式所示

X＝[x y ψ u v r]^T (11)

X_d＝[x_d y_d ψ_d u_d v_d r_d]^T(12)