[发明专利]一种基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制系统的控制方法，基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制系统包括GPS、航迹设定装置、进坞过程跟踪器、粒子群控制器、空气舵和推进器，

GPS采集坞载船的航迹和艏向角的数据，传送给航迹设定装置；

航迹设定装置采用灰色预测对采集的数据进行预测，从而得到期望的航迹和艏向角，传送给进坞过程跟踪器；

进坞过程跟踪器将接收的期望的航迹和艏向角与灰色预测后的实际航迹和艏向角进行比较，得到航迹偏差η和艏向角偏差ψ′，传送给粒子群控制器；

粒子群控制器根据接收的信息，得到控制舵角指令，控制空气舵，当航迹偏差η在设定阈值内时，以恒定加速度减小推进器的转速；

其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：通过GPS获得坞载船的航迹和艏向角的数据，采用灰色预测对采集的数据进行预测，从而得到期望的航迹和艏向角；

步骤二：气垫船按照期望航迹行驶，将期望的航迹和艏向角与灰色预测后的实际航迹和艏向角进行比较，得到航迹偏差η和艏向角偏差ψ′；

步骤三：根据航迹偏差η和艏向角偏差ψ′，采用粒子群PID控制方法，得到控制舵角指令，控制空气舵；当航迹偏差η在设定阈值内时，以恒定加速度减小推进器的转速；

步骤四：完成进坞过程；

所述的步骤一中得到期望的航迹和艏向角的具体过程为：

(1)采集K个周期的坞载船的运行状态，包括北向位置x，东向位置y和艏向角ψ；

(2)通过灰色预测对北向位置x进行预测产生N组数据，取第N₁组到第N₂组数据进行加权求和，并算得平均值x₁，取第N₂组到N组数据进行加权求和，并算得平均值x₂；通过灰色预测对东向位置y进行预测产生N组数据，取第N₁组到第N₂组数据进行加权求和，并算得平均值y₁，取第N₂组到N组数据进行加权求和，并算得平均值y₂；

(3)利用已得到的预测位置(x₁,y₁)和(x₂,y₂)作直线L作为期望的航迹输出；

(4)通过灰色预测对艏向角ψ进行预测产生N组数据，取第N₁到第N组数据加权求和，并计算其平均值作为期望的艏向角输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制方法，其特征在于：

所述的航迹偏差η为：

其中，(X_i-1,Y_i-1)、(X_i,Y_i)、(X_i+1,Y_i+1)分别为航迹上的三个点，其中(X_i,Y_i)和(X_i-1,Y_i-1)分别为当前和前一路径点，(X_i,Y_i)为当前气垫船所在的位置，艏向角为ψ(t)。

3.根据权利要求1所述的一种基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制方法，其特征在于：

当航迹偏差|η|＜0.5m且艏向角偏差|ψ′|＜0.5°时，以恒定加速度减小推进器的转速。

4.根据权利要求1所述的一种基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制方法，其特征在于：

所述的粒子群PID控制方法为：

Δu(k)＝k_p(error(k)-error(k-1))+k_ierror(k)

+k_d(error(k)-2error(k-1)+error(k-2))

其中error(k)表示第k个时刻期望位置和艏向角与经过灰色预测的实际位置和艏向角的差值，k_p、k_i和k_d分被表示控制器的三个控制参数：比例，微分，积分，

使用改进粒子群优化算法对PID参数k_p、k_i和k_d进行整定。