本發(fā)明涉及的是一種船舶控制領(lǐng)域的技術(shù)，具體是一種多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著海上航運(yùn)的蓬勃發(fā)展，行駛在港口附近水域與航道上的船舶更加密集，發(fā)生的船舶失控險(xiǎn)情逐年增多，對(duì)港口通航效率和通航安全造成了重大威脅?，F(xiàn)有技術(shù)通過在貨船進(jìn)港過程中配備多艘拖輪以帶纜狀態(tài)進(jìn)行伴航以應(yīng)對(duì)緊急險(xiǎn)情。但多拖輪帶纜伴航航行任務(wù)需要考慮帶纜狀態(tài)對(duì)拖輪運(yùn)動(dòng)的限制，使得多拖輪帶纜自主伴航控制問題增加了多種運(yùn)動(dòng)學(xué)安全性約束，導(dǎo)致傳統(tǒng)的自主編隊(duì)控制方法無法適用。同時(shí)現(xiàn)有技術(shù)主要以船體縱向力、橫向力及轉(zhuǎn)艏力矩組成的廣義控制力作為控制量，而拖輪通過控制雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的推力和回轉(zhuǎn)角度實(shí)現(xiàn)航行，因此控制方法與雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器推進(jìn)模式的結(jié)合問題也仍待深入研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)無法確保在多拖輪自主帶纜伴航過程中拖輪航行的安全性與預(yù)備作業(yè)位置的最優(yōu)性的不足，提出一種多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，考慮拖纜引起的安全性約束并構(gòu)造基于多約束模型預(yù)測(cè)控制器(mpc)的軌跡規(guī)劃器以規(guī)劃安全的拖輪伴航軌跡，通過前置預(yù)優(yōu)化機(jī)制解決了多安全性約束下的初始解猜測(cè)問題；考慮雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器特性設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制器，控制拖輪跟蹤頂層規(guī)劃的安全軌跡，從而實(shí)現(xiàn)安全的多拖輪帶纜自主伴航控制，解決了拖輪雙全回轉(zhuǎn)特性對(duì)伴航控制帶來的問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、本發(fā)明涉及一種多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，通過構(gòu)造拖輪動(dòng)力學(xué)模型并基于模型構(gòu)造滿足多拖輪帶纜伴航中的伴航目標(biāo)與安全性問題的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束；進(jìn)一步構(gòu)造包含多約束mpc軌跡規(guī)劃器和考慮拖輪雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)模式的mpc軌跡跟蹤控制器的分層mpc架構(gòu)，通過多約束mpc軌跡規(guī)劃器規(guī)劃各拖輪的參考軌跡序列，通過mpc軌跡跟蹤控制器完成對(duì)參考軌跡序列的跟蹤。

4、所述的拖輪動(dòng)力學(xué)模型為：其中：η＝[x,y,ψ]t為拖輪在地球坐標(biāo)系中的位置狀態(tài)量，x、y、ψ分別為位置坐標(biāo)與艏向角，ν＝[u,v,r]t為拖輪在船體坐標(biāo)系中的速度狀態(tài)量，u、v、r分別為縱向速度、橫向速度與艏向角速度，r(ψ)為地球坐標(biāo)系速度與船體坐標(biāo)系速度之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

5、所述的轉(zhuǎn)換矩陣其中：m為慣性質(zhì)量矩陣，c為科里奧利向心力矩陣，d為水動(dòng)力阻尼矩陣，τ＝[τu,τv,τr]t為廣義控制力向量，其中：τu，τv，τr分別表示縱向力、橫向力與轉(zhuǎn)艏力矩。

6、所述的慣性質(zhì)量矩陣科里奧利向心力矩陣水動(dòng)力阻尼矩陣其中：mt為拖輪的質(zhì)量，為附加質(zhì)量，xuu，xvv，xvr，xrr,yv，yr，nv，nr，y|v|v，y|v|r，y|r|r，nvvr，n|r|r，nvrr為水動(dòng)力系數(shù)。

7、所述的多拖輪帶纜伴航中的伴航目標(biāo)，即最佳應(yīng)急預(yù)備狀態(tài)，具體為：伴航過程中，拖輪位置必須始終處在大型船舶的單側(cè)，從而避免拖纜與大型船舶間碰撞的同時(shí)，拖輪應(yīng)盡可能位于設(shè)定的編隊(duì)位置處，從而確保在需要應(yīng)急作業(yè)時(shí)能夠最快進(jìn)入作業(yè)狀態(tài)。

8、所述的安全性問題包括：

9、①內(nèi)部避碰：伴航過程中，拖輪應(yīng)始終避免與大型船舶及編隊(duì)中其他拖輪碰撞。

10、②向內(nèi)避障：伴航過程中，拖輪應(yīng)規(guī)避外部障礙物。由于存在拖纜連接，拖輪在避障時(shí)必須向編隊(duì)內(nèi)部避障，避免拖纜與障礙物碰撞。

11、③拖纜松弛：伴航過程中，拖纜不應(yīng)緊繃施力，即拖輪與大型船舶系纜點(diǎn)之間的距離應(yīng)小于設(shè)定的最大纜長(zhǎng)。

12、技術(shù)效果

13、本發(fā)明通過引入拖輪帶纜伴航安全性約束及拖輪雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器推進(jìn)模式的分層模型預(yù)測(cè)控制。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明在考慮拖輪雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器推進(jìn)模式的情況下保證拖輪在伴航過程中滿足拖纜引入的運(yùn)動(dòng)學(xué)安全性約束，從而在保證拖輪帶纜伴航系統(tǒng)安全性的同時(shí)使得拖輪處于最佳應(yīng)急預(yù)備狀態(tài)。

技術(shù)特征：

1.一種多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征在于，通過構(gòu)造拖輪動(dòng)力學(xué)模型并基于模型構(gòu)造滿足多拖輪帶纜伴航中的伴航目標(biāo)與安全性問題的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束；進(jìn)一步構(gòu)造包含多約束mpc軌跡規(guī)劃器和考慮拖輪雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)模式的mpc軌跡跟蹤控制器的分層mpc架構(gòu)，通過多約束mpc軌跡規(guī)劃器規(guī)劃各拖輪的參考軌跡序列，通過mpc軌跡跟蹤控制器完成對(duì)參考軌跡序列的跟蹤；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征是，、所述的多拖輪帶纜伴航中的伴航目標(biāo)，即最佳應(yīng)急預(yù)備狀態(tài)，具體為：伴航過程中，拖輪位置必須始終處在大型船舶的單側(cè)，從而避免拖纜與大型船舶間碰撞的同時(shí)，拖輪應(yīng)盡可能位于設(shè)定的編隊(duì)位置處，從而確保在需要應(yīng)急作業(yè)時(shí)能夠最快進(jìn)入作業(yè)狀態(tài)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征是，、所述的安全性問題包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征是，所述的分層mpc架構(gòu)，包括：頂層的多約束mpc軌跡規(guī)劃器與底層的考慮拖輪全回轉(zhuǎn)推進(jìn)特性的mpc軌跡跟蹤控制器，其中：多約束mpc軌跡規(guī)劃器使用相對(duì)較長(zhǎng)的預(yù)測(cè)視野完成軌跡規(guī)劃，mpc軌跡跟蹤控制器使用較短的預(yù)測(cè)視野完成軌跡跟蹤，并通過三次hermite插值實(shí)現(xiàn)頂層規(guī)劃的軌跡與底層的控制周期匹配。

5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征是，所述的多約束mpc軌跡規(guī)劃器，通過以下方式構(gòu)造得到：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征是，所述的最優(yōu)作業(yè)位置保持目標(biāo)函數(shù)其中：為拖輪預(yù)測(cè)位置ηui與最佳作業(yè)位置之間的誤差，由設(shè)置的隊(duì)形及大型船舶位置ηship計(jì)算，qu為設(shè)定的權(quán)重矩陣；

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征是，所述的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束中：

8.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，其特征是，所述的考慮拖輪雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)模式的mpc軌跡跟蹤控制器，通過以下方式構(gòu)造得到：

技術(shù)總結(jié)
一種多拖輪分層模型預(yù)測(cè)控制自主伴航控制方法，通過構(gòu)造拖輪動(dòng)力學(xué)模型并基于模型構(gòu)造滿足多拖輪帶纜伴航中的伴航目標(biāo)與安全性問題的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束；進(jìn)一步構(gòu)造包含多約束MPC軌跡規(guī)劃器和考慮拖輪雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)模式的MPC軌跡跟蹤控制器的分層MPC架構(gòu)，通過多約束MPC軌跡規(guī)劃器規(guī)劃各拖輪的參考軌跡序列，通過MPC軌跡跟蹤控制器完成對(duì)參考軌跡序列的跟蹤。本發(fā)明通過前置預(yù)優(yōu)化機(jī)制解決了多安全性約束下的初始解猜測(cè)問題；考慮雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器特性設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制器，控制拖輪跟蹤頂層規(guī)劃的安全軌跡，從而實(shí)現(xiàn)安全的多拖輪帶纜自主伴航控制，解決了拖輪雙全回轉(zhuǎn)特性對(duì)伴航控制帶來的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：王健,郝致遠(yuǎn),趙冰,路百松,楊濤,劉兆陽(yáng),梁曉鋒,易宏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23