[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

说明书

技术领域

本发明属于气垫船控制领域，尤其涉及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。

背景技术

国内外气垫船进坞采用人工操控方式，主要是依靠驾驶员观察气垫船空间运动参数的变化，直接操纵执行机构来实现操船。由于全垫升气垫船在风浪中航行时稳定性较差，采用驾驶员人工操控方式时，不易得到良好的控制品质。而且驾驶员的工作量极为繁重，精神上承受巨大负担，一旦操纵不当，就会与坞载舰相撞，对气垫船的围裙造成不可逆的伤害。而且需要重新进行进坞过程。

对于气垫船的研究，大都是航迹控制、协调控制、多操控面控制以及编队。进坞控制还是一个空白，无法找到相关文献。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单的，基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制系统。本发明的目的还包括提供一种效率高、成功率高的，基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制方法。

一种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。

一种基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制方法，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。

本发明一种基于航迹引导的气垫船进坞过程自动控制方法，还可以包括：

1、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、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、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、粒子群PID控制方法为：

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