一種基于航跡引導的氣墊船進塢過程自動控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于氣墊船控制領域，尤其設及一種基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動 控制系統及控制方法。
【背景技術】
[0002] 國內外氣墊船進巧采用人工操控方式，主要是依靠駕駛員觀察氣墊船空間運動參 數的變化，直接操縱執(zhí)行機構來實現操船。由于全墊升氣墊船在風浪中航行時穩(wěn)定性較差， 采用駕駛員人工操控方式時，不易得到良好的控制品質。而且駕駛員的工作量極為繁重， 精神上承受巨大負擔，一旦操縱不當，就會與巧載艦相撞，對氣墊船的圍裙造成不可逆的傷 害。而且需要重新進行進巧過程。
[0003] 對于氣墊船的研究，大都是航跡控制、協調控制、多操控面控制W及編隊。進巧控 制還是一個空白，無法找到相關文獻。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種操作簡單的，基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動控制 系統。本發(fā)明的目的還包括提供一種效率高、成功率高的，基于航跡引導的氣墊船進巧過程 自動控制方法。 陽0化]一種基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動控制系統，包括GPS、航跡設定裝置、進 巧過程跟蹤器、粒子群控制器、空氣艙和推進器，
[0006]GI^采集巧載船的航跡和臘向角的數據，傳送給航跡設定裝置；
[0007] 航跡設定裝置采用灰色預測對采集的數據進行預測，從而得到期望的航跡和臘向 角，傳送給進巧過程跟蹤器；
[0008] 進巧過程跟蹤器將接收的期望的航跡和臘向角與灰色預測后的實際航跡和臘向 角進行比較，得到航跡偏差n和臘向角偏差4'，傳送給粒子群控制器；
[0009] 粒子群控制器根據接收的信息，得到控制艙角指令，控制空氣艙，當航跡偏差n在設定闊值內時，W恒定加速度減小推進器的轉速。
[0010] 一種基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動控制方法，包括W下步驟，
[0011] 步驟一：通過GI^獲得巧載船的航跡和臘向角的數據，采用灰色預測對采集的數 據進行預測，從而得到期望的航跡和臘向角；
[0012] 步驟二：氣墊船按照期望航跡行駛，將期望的航跡和臘向角與灰色預測后的實際 航跡和臘向角進行比較，得到航跡偏差n和臘向角偏差4 ;
[0013] 步驟=:根據航跡偏差n和臘向角偏差4 '，采用粒子群PID控制方法，得到控 制艙角指令，控制空氣艙；當航跡偏差n在設定闊值內時，W恒定加速度減小推進器的轉 速；
[0014] 步驟四：完成進巧過程。
[0015] 本發(fā)明一種基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動控制方法，還可W包括：
[0016] 1、步驟一中得到期望的航跡和臘向角的具體過程為：
[0017] (1)采集K個周期的巧載船的運行狀態(tài)，包括北向位置X，東向位置y和臘向角4 ;
[0018](2)通過灰色預測對北向位置X進行預測產生N組數據，取第Ni組到第N2組數據 進行加權求和，并算得平均值Xi,取第成組到N組數據進行加權求和，并算得平均值X2;通 過灰色預測對東向位置y進行預測產生N組數據，取第Ni組到第N2組數據進行加權求和， 并算得平均值yi，取第成組到N組數據進行加權求和，并算得平均值y2;
[0019] 做利用已得到的預測位置和（X2，y2)作直線L作為期望的航跡輸出；
[0020] (4)通過灰色預測對臘向角4進行預測產生N組數據，取第Ni到第N組數據加權 求和，并計算其平均值r，作為期望的臘向角輸出。
[0021] 2、航跡偏差n為：
[0024] 其中，化1，Yii)、化，Yi)、狂…Yw)分別為航跡上的立個點，其中化，Yi)和 化1，Yi1)分別為當前和前一路徑點，化，Yi)為當前氣墊船所在的位置，臘向角為4 (t)。 陽02引 3、當航跡偏差InI< 0. 5m且臘向角偏差IVI<0. 5°時，隊直定加速度減小推 進器的轉速。 陽0%] 4、粒子群PID控制方法為：
[0027] Au(k) =kp(error化）-error(k-1)HkierroHk)
[0028] +kd(error化）-Serror化-I)+error(k_2))
[0029] 其中error(k)表示第k個時刻期望位置和臘向角與經過灰色預測的實際位置和 臘向角的差值，kp、ki和kd分被表示控制器的S個控制參數：比例，微分，積分，
[0030] 使用改進粒子群優(yōu)化算法對PID參數kp、ki和kd進行整定。
[0031] 有益效果：
[0032] 本發(fā)明提出了一種基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動控制方法，目的在于實現 氣墊船進巧過程的自動控制，能夠減輕進巧過程中駕駛員失誤對氣墊船造成的傷害W及駕 駛人員的工作強度和精神負擔，提高進巧的成功率。
[0033] 現階段，氣墊船在進巧過程中完全依靠駕駛員的經驗來操作，而且由于外界環(huán)境 的不確定性經常造成氣墊船于巧載艦相撞而無法成功進巧。本方法不但可W預測巧載艦的 位置從而設計最佳進巧航線，而且可W預測巧載艦的臘向角并控制氣墊船的使其臘向角在 一定范圍內于巧載艦的臘向角保持一致，從而達到成功進巧的目標。減少了駕駛員的工作 量，更重要的是可W減少進巧過程中由于失誤或環(huán)境影響導致的氣墊船損害。
【附圖說明】
[0034] 圖1氣墊船進巧過程自動控制原理框圖；
[0035] 圖2航跡跟蹤示意圖；
[0036] 圖3粒子群算法流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面將結合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0038] 本發(fā)明提出了一種基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動控制方法，目的在于實現 氣墊船進巧過程的自動控制，能夠減輕進巧過程中駕駛員失誤對氣墊船造成的傷害W及駕 駛人員的工作強度和精神負擔，提高進巧的成功率。
[0039] 本發(fā)明所提出的帶有導引算法的氣墊船進巧自動控制系統的原理如圖1所示，過 程如下： W40] 1.進巧過程設定算法，通過獲取巧載艦的航跡（包括北向位置和東向位置）和臘 向角的數據，采用灰色預測對采集的數據進行預測，從而得到期望的航跡和臘向角；
[0041] 2.進巧過程跟蹤算法，把航跡設定裝置得到期望航跡和臘向角與灰色預測后的實 際航跡核臘向角進行比較和計算得到偏差值，并且在期望航期與實際航跡在一定誤差范圍 內一致時控制推進器轉速W恒定加速度減速；
[0042] 3.PSO控制器，根據航跡和臘向角偏差計算得到控制艙角指令，分別發(fā)送給空氣艙 系統；
[0043] 4.空氣艙艙角改變，使得氣墊船所受力矩改變，從而達到航跡控制。在氣墊船進巧 過程推進器的轉速發(fā)生改變，使得氣墊船的速度發(fā)生改變，從而使氣墊船進巧后停下。
[0044] 氣墊船進巧過程自動控制方法通過進巧過程跟蹤算法實時計算并更新當前時刻 的期望航跡偏差和臘向角偏差，然后通過控制氣墊船的臘向角W及速度實現其進巧的控 審IJ。進巧過程跟蹤算法和PSO控制器是本方法的核屯、關鍵，進巧過程設定算法采用灰色預 測的方法設定航線和期望臘向角。
[0045] 本發(fā)明公開了一種氣墊船進巧過程的控制方法，特別是一種由進巧過程設定算 法，進巧過程跟蹤算法和粒子群算法PID控制器（簡稱PSO控制器）組成的氣墊船進巧控 制方法。進巧過程設定算法通過給定的巧載艦運行和狀態(tài)軌跡通過灰色預測給出氣墊船期 望的臘向角及航跡，航跡跟蹤算法通過灰色預測后的實際航跡核臘向角和期望航跡和臘向 角進行計算得到航跡和臘向角的偏差，PSO控制器運用PSO算法整定PID控制方法的=個 參數化，Ki,Kd并且根據航跡和臘向角的偏差解算出控制艙角指令發(fā)送給空氣艙系統和推 進器。本發(fā)明通過自動調節(jié)空氣艙的艙角和推進器可實現氣墊船進巧過程的精確控制。本 發(fā)明的控制過程分為兩部分：第一部分為氣墊船進巧準備過程，通過進巧過程設定算法設 定出氣墊船的期望航跡并使氣墊船按照期望航跡行駛。第二部分為氣墊船進巧過程當氣墊 船距與期望航跡在誤差范圍內一致時W恒定加速度減速，進巧控制不僅包括航跡和臘向角 的控制還包括氣墊船速度的控制。只有滿足氣墊船和巧載艦的航跡和臘向角在一定誤差范 圍內一致并且進巧W后速度降為零才能成功完成進巧過程。氣墊船進巧過程一直都是專業(yè) 人員手動操作，并且經常照成氣墊船圍裙的損壞。本控制方法可W減少操作人員的負擔而 且可W減少進巧過程對氣墊船的損壞。
[0046] 一種基于航跡引導的氣墊船進巧過程自動控制方法，主要包括一種由進巧過程設 定算法，航跡跟蹤算法和PSO控制器。航跡設定裝置實現航跡和臘向角的設定，進巧過程跟 蹤器進行計算得到航跡和臘向角偏差，粒子群算法PID控制器解算控制指令?？刂七^程總 體分為兩部分：第一部分為氣墊船進巧準備過程。第二部分為氣墊船進巧過程。
[0047] 控制過程分為兩部分：第一部分為氣墊船進巧準備過程，通過航跡設定裝置設定 出氣墊船的期望航跡并使氣墊船按照期望航跡W初始速度行駛。第二部分為氣墊船進巧過 程當氣墊船距巧載艦50米時W恒定加速度減速當氣墊船進巧W后速度將為零，進巧控制 不僅包括航跡控制還包括臘向角的控制。只有滿足氣墊船和巧載艦的航跡和臘向角在一定 誤差范圍內一致才能成功完成進巧過程。
[0048] 進巧過程設定算法，通過GI^獲得巧載艦的航跡和臘向角的數據，采用灰色預測 對采集的數據進行預測，從而得到期望的航跡和臘向角。 W例粒子群PID控制器，PSO控制器的輸入為進巧過程跟蹤算法輸出的偏差值。
[0050] 如圖1所示，進巧過程設定算法通過給定的巧載艦運行和狀態(tài)軌跡通過灰色預測 給出氣墊船期望的臘向角及航跡，航跡跟蹤算法通過灰色預測后的實際航跡核臘向角和期 望航跡和臘向角進行計算得到航跡和臘向角的偏差，PSO控制器根據航跡和臘向角的偏差 解算出控制艙角指令發(fā)送給空氣艙系統和推進器。各個部分說明如下：
[0051] 1.進巧過程設定算法設定過程如下：
[0052] (1)采集10個周期的巧載艦的運行狀態(tài)，每個周期0. 05s總耗時0. 5s，包括北向 位置X，東向位置y和船舶臘向角4。