基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及的是一種氣墊船的編隊控制裝置。本發(fā)明也設(shè)及的是一種氣墊船的編 隊控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著新式造船技術(shù)的跨越式發(fā)展，各種高性能特種船舶陸續(xù)面世，受到越來越多 的重視，已經(jīng)成為世界各國造船界研究的重點。所謂高性能特種船舶是為突破常規(guī)船舶性 能及適應(yīng)特殊環(huán)境要求而開發(fā)的一類新型海洋運(yùn)載器。氣墊船就是運(yùn)樣一種新型海洋運(yùn)載 器。然而單艘氣墊船船的作業(yè)能力畢竟有限，而實際應(yīng)用中往往需要多艘氣墊船相互協(xié)調(diào)， 共同完成復(fù)雜任務(wù)。同時相對于單艘氣墊船，多艘氣墊船相互協(xié)調(diào)作業(yè)有著許多潛在的優(yōu) 勢：可W提高作業(yè)的效率，具有容錯性和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點。因此對多艘氣墊船編隊控制的研 究具有重要的實際應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種能實現(xiàn)氣墊船的自動編隊控制，提高編隊精確度W及 航行安全性的基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制裝置。本發(fā)明的目的還在于提 供一種基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制方法。
[0004] 本發(fā)明的基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制裝置主要包括虛擬領(lǐng)航 者模塊、導(dǎo)引模塊、比較器和控制器，虛擬領(lǐng)航者模塊通過幾何關(guān)系制定每一艘氣墊船的期 望位置且實時的更新，導(dǎo)引模塊將自身的期望位置轉(zhuǎn)換為期望速度信號，比較器將期望速 度與實際速度進(jìn)行比較得到速度偏差，控制器根據(jù)速度偏差解算控制指令。 陽〇化]本發(fā)明的基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制方法包括如下步驟：
[0006] (1)將離散的軌跡質(zhì)點作為為虛擬領(lǐng)航者，并設(shè)定常值向量作為虛擬領(lǐng)航者與跟 隨氣墊船的相對位置，通過虛擬領(lǐng)航者給出跟隨氣墊船的實時期望位置；
[0007] (2)采用平移接近導(dǎo)引法，將虛擬領(lǐng)航者給定的期望位置與當(dāng)前的實際位置作偏 差，再通過平移接近導(dǎo)引法計算出當(dāng)前時刻的期望速度；
[000引 （3)比較器將得到的期望速度與當(dāng)前的實際速度進(jìn)行比較得到速度偏差；
[0009] (4)控制器由速度偏差設(shè)計PID控制器，計算得到控制力。
[0010] 本發(fā)明將離散的軌跡質(zhì)點看成是虛擬領(lǐng)航者，且具有一定的更新速度，根據(jù)虛擬 領(lǐng)航者的位置W-定的幾何關(guān)系制定每一艘氣墊船的期望位置，然后采用平移接近法導(dǎo)引 根據(jù)期望位置和實際位置的偏差計算出當(dāng)前時刻的期望速度。包括一個比較器和一個控制 器，比較器輸出的當(dāng)前期望速度與當(dāng)前實際速度的偏差為控制器的輸入，控制方法采用PID 控制進(jìn)行控制力的設(shè)計。
[0011] 本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：
[0012] 氣墊船在編隊過程中容易因速度太快而產(chǎn)生超調(diào)，輕者影響編隊的精度，重者會 導(dǎo)致船與船之間發(fā)生撞擊產(chǎn)生重大事故。本發(fā)明采用導(dǎo)引與虛擬領(lǐng)航者結(jié)合的策略，通過 虛擬領(lǐng)航者w特定的幾何關(guān)系制定每艘氣墊船船的期望位置，然后利用平移接近導(dǎo)引將期 望位置信號轉(zhuǎn)換為期望速度信號再進(jìn)行控制，可有效避免超調(diào)現(xiàn)象，提高編隊精確度及航 行安全性。
【附圖說明】
[0013] 圖1基于虛擬領(lǐng)航者-導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制裝置原理框圖。
[0014] 圖2基于虛擬領(lǐng)航者-導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制方法流程圖。
[0015] 圖3基于虛擬領(lǐng)航者-導(dǎo)引策略的氣墊船編隊示意圖。
[0016] 圖4平移接近導(dǎo)引原理圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0018] 結(jié)合圖1，本發(fā)明的基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制裝置主要包括 虛擬領(lǐng)航者模塊、導(dǎo)引模塊、比較器和控制器。包括一個虛擬領(lǐng)航者-導(dǎo)引策略，將離散的 軌跡質(zhì)點看成是虛擬領(lǐng)航者，且具有一定的更新速度，根據(jù)虛擬領(lǐng)航者的位置W-定的幾 何關(guān)系制定每一艘氣墊船的期望位置，然后采用平移接近法導(dǎo)引根據(jù)期望位置和實際位置 的偏差計算出當(dāng)前時刻的期望速度。包括一個比較器和一個控制器，比較器輸出的當(dāng)前期 望速度與當(dāng)前實際速度的偏差為控制器的輸入，控制方法采用PID控制進(jìn)行控制力的設(shè) 計。
[0019] 結(jié)合圖2,基于虛擬領(lǐng)航者-導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制方法的實現(xiàn)步驟如下：
[0020] 1.讀取N艘氣墊船各自當(dāng)前時刻的實際位置（x，y)、速度（U，V)及臘向;
[0021] 2.通過虛擬領(lǐng)航者W幾何關(guān)系制定每艘氣墊船的期望位置；
[0022] 假設(shè)編隊的氣墊船有N艘，虛擬領(lǐng)航者是期望軌跡上的離散質(zhì)點。N艘氣墊船W距 離虛擬領(lǐng)航者的幾何長度li，（i= 1，2...腳對其進(jìn)行跟蹤，從而形成設(shè)定的隊形。 陽02；3] 將虛擬領(lǐng)航者的位置記為向量Pt(t) = [Xt(t)yt(t)]Ter2,則Pd(t)=Pt(t)+R(ilOli為氣墊船的期望位置向量。
[0024] 3.利用平移接近導(dǎo)引將每艘氣墊船的期望位置（Xd，yd)轉(zhuǎn)換為各自的期望速度信 號（叫，Vd); 陽0巧]①定義變量 陽0%] 將實際氣墊船位置記為向量P(t) = [x(t)y(t)]Ter2;
[0027] ②計算氣墊船位置偏差Pe(t) = [Xe(t)yea)]T
[0028] Pe(t) =Pd(t)-P(t) (1)
[0029] ③設(shè)計氣墊船期望速度向量Vd(t) = [Ud(t) Vd(t)]T
[0030] 期望速度設(shè)計如下
[0031] Vd(t) =Vt(t)+Va(t) 似
[0032] 其中Vt(t)是虛擬領(lǐng)航者的速度，Vg(t)為氣墊船接近虛擬領(lǐng)航者的速度。
[003引根據(jù)位置偏差，Vg(t)設(shè)計如下
[0034]Va(t) =K(t)Pe(t)/|Pe(t)I(3)
[003引其中|^,,(/：)|=^。/(/化.(/)>()是位置偏差向量的歐幾里德長度，K(t)選擇如下
[0036]
(4)
[0037] 其中0是氣墊船接近期望位置的最大速度；A,,>0是常數(shù)，可W用來避免 氣墊船因速度過快而產(chǎn)生的超調(diào)。
[00測 4.將期望速度信號傳給比較器，與實際速度進(jìn)行比較，得到速度偏差；
[0039] Ve(t)=V(t)-Vd(t)(5)
[0040] 5.設(shè)計PID控制器，調(diào)節(jié)相應(yīng)的參數(shù)，并得出相應(yīng)的控制力，控制氣墊船的運(yùn)動。
[0041] 本發(fā)明中采用的是非?；A(chǔ)和非常實用的PID控制器。在PID控制中，比例環(huán)節(jié)， 積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)的控制是相互影響的，其參數(shù)選取的好壞直接影響PID控制器的控制 效果。各環(huán)節(jié)的作用如下：
[0042] 比例環(huán)節(jié)化P)的調(diào)整，控制器成比例的產(chǎn)生控制作用，達(dá)到減小偏差的效果；
[0043] 積分環(huán)節(jié)化i)的調(diào)整，主要作用為消除靜態(tài)誤差，積分作用不能調(diào)節(jié)的太強(qiáng)，會 導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定；
[0044] 微分環(huán)節(jié)化d)的調(diào)整，影響系統(tǒng)的動態(tài)特性，等于是提前引入修正信號，加快系 統(tǒng)調(diào)整速度。
[0045] 根據(jù)PID控制器中的=個環(huán)節(jié)對系統(tǒng)的不同影響及相互之間的影響合理的選取 PID的參數(shù)。
[0046] PID控制器由式表示：
[0047]
御
[0048] 將控制力傳遞給氣墊船，得到下一時刻氣墊船的狀態(tài)信息，然后由當(dāng)前時刻更新 到下一時刻；重復(fù)執(zhí)行步驟1~5,直到任務(wù)終止。
【主權(quán)項】
1. 一種基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制裝置，其特征是：主要包括虛擬 領(lǐng)航者模塊、導(dǎo)引模塊、比較器和控制器，虛擬領(lǐng)航者模塊通過幾何關(guān)系制定每一艘氣墊船 的期望位置且實時的更新，導(dǎo)引模塊將自身的期望位置轉(zhuǎn)換為期望速度信號，比較器將期 望速度與實際速度進(jìn)行比較得到速度偏差，控制器根據(jù)速度偏差解算控制指令。2. -種基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制方法，其特征是包括如下步驟： (1) 將離散的軌跡質(zhì)點作為為虛擬領(lǐng)航者，并設(shè)定常值向量作為虛擬領(lǐng)航者與跟隨氣 墊船的相對位置，通過虛擬領(lǐng)航者給出跟隨氣墊船的實時期望位置； (2) 采用平移接近導(dǎo)引法，將虛擬領(lǐng)航者給定的期望位置與當(dāng)前的實際位置作偏差，再 通過平移接近導(dǎo)引法計算出當(dāng)前時刻的期望速度； (3) 比較器將得到的期望速度與當(dāng)前的實際速度進(jìn)行比較得到速度偏差； (4) 控制器由速度偏差設(shè)計PID控制器，計算得到控制力。
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于虛擬領(lǐng)航者與導(dǎo)引策略的氣墊船編隊控制裝置。主要包括虛擬領(lǐng)航者模塊、導(dǎo)引模塊、比較器和控制器，虛擬領(lǐng)航者模塊通過幾何關(guān)系制定每一艘氣墊船的期望位置且實時的更新，導(dǎo)引模塊將自身的期望位置轉(zhuǎn)換為期望速度信號，比較器將期望速度與實際速度進(jìn)行比較得到速度偏差，控制器根據(jù)速度偏差解算控制指令。本發(fā)明采用導(dǎo)引與虛擬領(lǐng)航者結(jié)合的策略，通過虛擬領(lǐng)航者以特定的幾何關(guān)系制定每艘氣墊船的期望位置，然后利用平移接近導(dǎo)引將期望位置信號轉(zhuǎn)換為期望速度信號再進(jìn)行控制，可有效避免超調(diào)現(xiàn)象，提高編隊精確度及航行安全性。
【IPC分類】G05D1/02, G05B11/42
【公開號】CN105182734
【申請?zhí)枴緾N201510593948
【發(fā)明人】李娟 , 余玲玲, 付明玉, 林孝工, 丁福光, 王元慧, 劉向波, 王成龍
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年9月17日