[发明专利]一种动力定位船舶循迹导引控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对直线航迹段和转弯航迹段采取分段几何导引策略，仅使用纵向速度控制和艏向角控制的动力定位船舶欠驱动路径跟踪控制方法，特别涉及一种动力定位船舶循迹导引控制方法。

背景技术

循迹功能，也叫路径跟踪，是动力定位船舶的重要功能，是动力定位系统的组成部分，在海洋作业和海上运输中扮演着重要的角色。根据任务和船舶运动速度的不同，循迹可分为低速循迹和高速循迹，低速循迹一般指速度在3节以下的循迹，而高速循迹的速度一般认为高于3节。对海底的搜索以及铺管、铺缆作业等特殊任务的完成都需要循迹功能的支持。比如在管道铺设时就会要求船速不能太快，船舶需要沿设定航迹以较高的精度运动，此时船舶执行功能，而且可以任意指定船舶艏向。高速循迹是相对于低速循迹而言的，海洋搜索时，要求速度较高，既要保证循迹精度，又要求对运动速度进行控制。

船舶的航迹大多由设定航迹点通过直线和圆弧的连接组成。在两个航迹点之间的长距离直线航行司空见惯，通常由传统的航向自动舵功能就可以完成。但航向自动舵不能直接控制航迹偏差，难以使船舶即满足艏向要求又保证循迹的精度，已不能满足海上运输的要求。而在船舶高速循迹时，动力定位船舶的横向推进器效能会随着速度的增加急剧减小，导致船舶出现欠驱动的现象，在船舶向下一条航迹切换是必须提前通过一个转弯圆弧进行过渡，在此过程中船舶需要通过对圆弧航迹的循迹来保证控制精度。因此，高速循迹功能的控制问题引起人们极大的关注，并很快成为当今船舶运动控制研究中的一个热点。

动力定位船舶的控制系统由导航系统、导引策略和控制算法三部分组成，其中导引策略可以为控制算法提供期望的位置和艏向信息，控制算法根据这些信息给出控制指令即可。所以对于执行高速循迹功能动力定位船舶，设计合适的导引策略是重要环节；为了保证控制的精度和鲁棒性，性能良好且适合工程应用的控制算法也必不可少。

现有技术中，关于动力定位船舶路径跟踪的文献有很多，但考虑工程实践的文献并不多。如挪威理工大学的Fossen教授和他的团队发表的“Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control（John Wiley&Sons Ltd,2011）”，宽泛地介绍了近年来对动力定位船舶的研究成果，包括先进导引策略的原理和控制算法的原理，以及动力定位系统其他方面的相关内容。哈尔滨工程大学的边信黔、付明玉、王元慧教授在其著作《船舶动力定位》（科学出版社,2011）中给出了高速航迹控制在工程实践中的方法的概略性介绍。

现有技术中，国际上主流的动力定位产品已经包含了高速循迹的功能，北欧挪威Kongsberg公司已经对循迹功能进行了研究，其产品说明书《Kongsberg -SDP Dynamic Positioning System》中给出了一些关于高速循迹的说明和功能概况，但没有给出实现方法。哈尔滨工程大学研制的动力定位产品也实现了高速循迹功能，但没有相关文献进行介绍。

发明内容

本发明的目的在于，针对动力定位船舶的高速循迹功能提出一种分段导引策略，为控制算法提供期望艏向输入，然后结合非线性反步法设计控制算法，得到对船舶纵向和艏向的控制力和力矩，驱动船舶以较高的精度和要求的速度完成循迹功能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括下列步骤：

（1）选取海平面上任意一点为原点，以正东方向为横轴、正北方向为纵轴，建立大地坐标系EO_EN。然后，以船舶的几何中心为原点，以右舷方向为横轴、船艏方向为纵轴，建立船体坐标系YO_bX；

（2）在大地坐标系和船体坐标系中建立动力定位船舶三自由度船舶高速运动数学模型：