一种动力定位船舶循迹导引控制方法

摘要

本发明公开了一种动力定位船舶循迹导引控制方法。该算法首先建立大地坐标系和船体坐标系，以及船舶的数学模型；然后通过设定路径点生成的路径与船舶之间的几何位置关系生成导引策略，计算船舶当前时刻的期望艏向；应用控制算法得到控制船舶达到期望艏向所需的控制力矩；最后计算控制船舶达到期望运动速度所需要的纵向推力。该算法根据航迹信息以及航迹和船舶的相对位置计算高速循迹直线段和转弯段船舶的期望艏向，并通过纵向推力控制船舶的运动速度，计算过程简单易行，适合于工程应用。

主权项

一种动力定位船舶循迹导引控制方法，其特征在于包括如下步骤：（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EOEN；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YObX；（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： η · = Jv M v · + D ( v ) v + C ( v ) v = τ 式中，η表示船舶在大地坐标系中位置和艏向向量[n,e,ψ]Τ；v表示船舶在船体坐标系中线速度和角速度向量[u,v,r]Τ；τ为推进器产生的力和力矩向量[Fx,Fy,Nz]Τ；J为从船体坐标到大地坐标的转换矩阵， J = cos ψ - sin ψ 0 sin ψ cos ψ 0 0 0 1 ; M为船舶惯性矩阵， M = m - X u . 0 0 0 m - Y v . mx g - Y r . 0 mx g - N v . I z - N r . ; m为船舶质量；Iz为转动惯量；xg为船体坐标系中船舶质心纵向坐标；其他参数均为一阶水动力导数；船舶水动力阻尼项为D(v)=D+Dn(v)； D = - X u 0 0 0 Y v Y r 0 N v N r 为线性部分； D n ( v ) = X u | u | | u | 0 0 0 Y v | v | | v | + Y | r | v | r | Y | v | r | v | + Y | r | r | r | 0 N v | v | | v | + N | r | v | r | N | v | r | v | + N | r | r | r | 为非线性部分； C = 0 0 - ( m - Y v · ) v - ( mx g - Y r · ) r 0 0 ( m - X u · ) u ( m - Y v · ) v + ( mx g - Y r · ) r - ( m - X u · ) u 0 为科里奥利和向心力矩阵；（3）通过船体设定的路径点和当前时刻船舶的大地坐标位置，获得当前时刻的船舶期望艏向；（4）利用反步法，根据当前时刻期望艏向ψd与船舶的期望速度ud，计算控 制船舶高速循迹所需的纵向力Fx和力矩Nz；（5）将控制力和力矩传递给动力定位船舶的数学模型，解算下一时刻船舶的状态信息，然后由当前时刻更新到下一时刻；（6）重复执行步骤（2）‑‑步骤（5），直到最后一条航迹循迹完成。