[发明专利]一种智能船舶自动锚泊优化方法

权利要求书

1.一种智能船舶自主锚泊优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、优化锚泊船舶的各个推进器的能耗、误差、机械特性以及锚泊船舶与周围其它船舶的相对位置，获得能耗和误差最小、锚泊船舶与周围其它船舶的相对位置最接近最小标准距离且机械特性符合要求下锚泊船舶的各个推进器的转速及推力角度，根据所述各个推进器的转速及推力角度实现对锚泊船舶的船位及艏向控制，从而使其保持锚泊船位；

(2)、优化锚泊船舶的各个推进器所消耗的功率及锚机所消耗的功率，获得各个推进器所消耗的功率及锚机所消耗的功率最小情况下各个推进器的转速以及推力角度和锚机的速度，根据所述各个推进器的转速以及推力角度和锚机的速度实现对锚泊船舶的锚泊过程；

所述步骤(1)具体为：

(1.1)、确定锚泊船舶的各个推进器消耗功率的总和

令

其中：P为单个推进器消耗的功率，n为推进器的转速，Q为推进器的螺旋桨产生的转矩，K_Q为推进器的螺旋桨的转矩系数，K_T为推进器的螺旋桨的推力系数，D为推进器的螺旋桨直径，T为推进器的螺旋桨产生的推力，ρ为海水密度，

令功率系数可得：

故船舶各个推进器消耗功率的总和表示为：

其中：P_d为船舶各个推进器消耗功率的总和，r为船舶中推进器的个数，T_i为第i个推进器的螺旋桨产生的推力，c_i为第i个推进器的功率系数；

(1.2)、确定船舶的推进器的实际推力与期望推力的误差，即松弛变量

令τ＝B(α)T+s

其中：其为推进器的期望推力，τ_x为推进器沿船长方向上的期望推力，τ_y为推进器沿船宽方向上的期望推力，M_z为推进器沿垂荡方向上的期望力矩；其为船舶的各个推进器的螺旋桨产生的推力；r为船舶中推进器的个数；B(α)为船舶的推进器配置矩阵；S为松弛变量，即推进器的实际推力与期望推力之间的误差；

(1.3)、使各个推进器的机械特性符合要求

令Δα_imin≤Δα_i≤Δα_imax,ΔT_imin≤ΔT_i≤ΔT_imax

其中，Δα_i为第i个推进器在单位时间内的推进角度变化速率，Δα_imax,Δα_imin分别为第i个推进器在单位时间内推进角度的变化速率的最大值及最小值，ΔT_i为第i个推进器在单位时间内的推力变化量，ΔT_imax,ΔT_imin分别为第i个推进器在单位时间内的推力变化量的最大值及最小值；

(1.4)、确定锚泊船舶与周围其它船舶的相对位置

令ΔL＝(l-l′)²

其中，l′为锚泊船舶与周围其它船舶的最小标准距离，l为锚泊船舶与周围其它船舶之间的实际距离，ΔL为锚泊船舶与周围其它船舶之间的实际距离与最小标准距离之间的差值；

(1.5)、确定目标函数

目标函数为

约束条件分为等式约束和不等式约束：

式中：J为目标函数值，p₁…p₅为各项的权重，为第i个推进器所消耗的功率，S_x为推进器沿船长方向上的松弛变量，S_y为推进器沿船宽方向上的松弛变量，S_z为推进器沿垂荡方向上的松弛变量，τ_x为推进器沿船长方向上的期望推力，τ_y为推进器沿船宽方向上的期望推力，M_z为推进器沿垂荡方向上的期望力矩，q为锚泊船舶周围船舶的数量，T_xi为第i个推进器的螺旋桨产生的沿船长方向上的推力，T_yi为第i个推进器的螺旋桨产生的沿船宽方向上的推力，M_zi为第i个推进器产生的转艏力矩；α_i为第i个推进器的推力角度，α_imin和α_imax分别为第i个推进器的推力角度的最小值和最大值，T_i为第i个推进器的螺旋桨产生的推力，T_imin和T_imax分别为第i个推进器的螺旋桨产生的最小推力和最大推力；

(1.6)、求解上述目标函数，获得各个推进器的推力和各个推进器的推力角度；

(1.7)、根据公式求得各个推进器的转速，其中，T_i为第i个推进器的螺旋桨产生的推力，n_i为第i个推进器的转速；K_Ti为第i个推进器的螺旋桨的推力系数，D_i为第i个推进器的螺旋桨直径；

(1.8)、根据求得的各个推进器的转速及各个推进器的推力角度，实现对锚泊船舶的船位及艏向控制，从而使其保持锚泊船位；

所述步骤(2)具体为：

(2.1)、确定锚机所消耗的功率

P′＝T_HV_H

T_H＝1.35(2G+2h_0.5Q)

其中：P′为锚机所消耗的功率，G为锚重力，Q为单位长度锚链的重力，h_0.5为最大抛锚深度的一半，V_H为下锚速度；

(2.2)、确定目标函数

目标函数为：

约束条件为：

α_imin≤α_i≤α_imax,T_imin≤T_i≤T_imax

Δα_imin≤Δα_i≤Δα_imax,ΔT_imin≤ΔT_i≤ΔT_imax

0≤V_H≤9m/min

其中：J为目标函数值，a₁,a₂为各项的权重，P_i为第i个推进器消耗的功率；

(2.3)、求解上述目标函数，获得在各个推进器所消耗的功率及锚机所消耗的功率最小情况下各个推进器的转速以及推力角度和锚机的速度；

(2.4)、根据求得的各个推进器的转速以及推力角度和锚机的速度实现对锚泊船舶的锚泊过程。