[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

说明书

本发明涉及一种自适应时域网络模型预测控制（MPC）的船岸协同节能避碰靠泊方法及系统。在模型预测控制中，设计了一种自适应预测时域。改进了模型预测控制的现有目标函数。能耗被构造为非线性模型预测控制框架中的目标函数之一。基于该框架，设计了一种新的实际控制和状态约束算法，以确保停泊框架的节能。因此，改进的帝企鹅优化器被用于冲突避免决策。在每个采样时刻，基于非线性船舶操纵模型，建立了有限时域最优控制问题。在不同的干扰下，包括直接靠泊和掉头接近靠泊技术，采用鲁棒模型预测控制实现了不同的靠泊方法。通过该控制策略实现了船舶操纵控制与能量消耗之间的密切关联。由于其可预测性，MPC确保碰撞检测和避免以及路径规划和跟踪。

技术领域

本发明涉及船舶靠岸控制领域，具体涉及一种自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊方法及系统。

背景技术

随着能源需求的增加，以及环境和企业生存的双重制约，船舶的节能减排受到了越来越多的关注。在以前的研究中，在路径规划中很少考虑能耗。在靠泊过程中，由于低速航行，转向效率降低，机动性受到限制。码头停机坪的水域是禁区，附近船只的交通流更加复杂，这大大增加了靠泊的难度和风险。因此，为了发展无人船技术，提高靠泊安全性，研究自动靠泊控制势在必行。尽管在船舶避碰和控制方面取得了很大进展，但仍存在以下问题：

(1)防撞过程中目标和约束的模型不是线性的，但它涉及几何和三角等时变非线性函数；

(2)碰撞避免优化问题的可行集是非凸的，属于不确定多项式时间的NP难问题。常用的方法有混合整数规划和非凸二次约束二次规划。然而，在非凸优化的可行域中，解不一定是全局解；

(3)无人船可以携带的能量装置是有限的。为了将能量消耗作为控制算法的目标之一，提高这些船舶的耐久性非常重要。此外，到目前为止，大多数碰撞避免和控制算法都没有考虑能耗。

(4)在多船相遇中，如果一艘船被认为同时具有让行和站立的责任时，存在身份冲突，那么可能很难处理这种情况。在大多数关于避碰决策的研究中，重点放在当船舶是让路船舶时的避碰机会上，而当船舶是备用船舶时的研究较少。当避让船舶未采取避碰行动时，如何确定避碰时机。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊方法及系统，旨在解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自适应时域MPC的船岸协同节能避碰靠泊方法及系统，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。

进一步的，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。

进一步的，所述MPC约束优化问题，具体为：当前时间t_k第i艘船的目标函数设置为：