本發(fā)明涉及船艇控制，具體涉及一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法。

背景技術(shù)：

1、隨著船艇智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用拖曳模式執(zhí)行特定任務(wù)的作業(yè)方式變得日益普及，特別是在海洋資源探測、水文氣象觀測以及海上軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域，已成為標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)模式。針對拖曳任務(wù)的船艇航行控制是推動船艇智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，其控制效果直接關(guān)系到任務(wù)執(zhí)行的安全性和效率。

2、船艇拖曳任務(wù)與常規(guī)航行任務(wù)有所不同，在不同的任務(wù)需求下，需要根據(jù)拖曳任務(wù)的具體要求動態(tài)調(diào)整負(fù)載的長度和深度。同時，在執(zhí)行任務(wù)過程中，船艇會受到海上風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響。在艦艇執(zhí)行任務(wù)時，船艇的運(yùn)動、負(fù)載的變化以及環(huán)境的干擾共同構(gòu)成了一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，這使得構(gòu)建一個精確的船艇操縱運(yùn)動模型變得十分困難?，F(xiàn)有的船艇控制方法大多針對常規(guī)航行任務(wù)設(shè)計(jì)，未能充分考慮負(fù)載的動態(tài)擾動和任務(wù)需求的實(shí)時調(diào)整。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決相關(guān)技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提供一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中船艇控制方法未能充分考慮負(fù)載的動態(tài)擾動和任務(wù)需求的實(shí)時調(diào)整的技術(shù)問題，提高了船艇的操縱特性和拖曳任務(wù)的動態(tài)自適應(yīng)控制，從而具備更優(yōu)越的魯棒性和穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明提供一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法，包括如下步驟：

3、s1：基于船艇拖曳任務(wù)，構(gòu)建船艇的動態(tài)操縱響應(yīng)模型；

4、s2：根據(jù)實(shí)時拖曳工況，以拖纜長度作為自變量構(gòu)建船艇的拖曳參數(shù)模型；

5、s3：采集船艇的航行數(shù)據(jù)，根據(jù)所述動態(tài)操縱響應(yīng)模型以及所述拖曳參數(shù)模型計(jì)算船舶操縱性指數(shù)的穩(wěn)定性指數(shù)、船舶操縱性指數(shù)的回轉(zhuǎn)性指數(shù)、動態(tài)操縱系數(shù)以及基礎(chǔ)控制參數(shù)；

6、s4：設(shè)計(jì)模糊控制器以及參數(shù)整定模塊，所述模糊控制器輸出調(diào)整量，所述參數(shù)整定模塊整合所述調(diào)整量、所述基礎(chǔ)控制參數(shù)以得到綜合控制參數(shù)；

7、s5：pid控制器根據(jù)所述綜合控制參數(shù)及航行數(shù)據(jù)輸出航行控制舵角。

8、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s1中的動態(tài)操縱響應(yīng)模型為，其中，為轉(zhuǎn)艏角速度，為轉(zhuǎn)艏角加速度，為舵角，為船艇操縱性指數(shù)中的穩(wěn)定性指數(shù)、為船艇操縱性指數(shù)中的回轉(zhuǎn)性指數(shù)。

9、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s2中的拖曳參數(shù)模型為，其中，為拖纜長度，為船艇回轉(zhuǎn)性指數(shù)函數(shù)，為船艇穩(wěn)定性指數(shù)函數(shù)，為船艇操縱性指數(shù)中的穩(wěn)定性指數(shù)的無因次化，為船艇操縱性指數(shù)中的回轉(zhuǎn)性指數(shù)的無因次化；

10、為船艇回轉(zhuǎn)性指數(shù)函數(shù)和為船艇穩(wěn)定性指數(shù)函數(shù)通過實(shí)船操縱試驗(yàn)、自航模型操縱試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算船舶操縱試驗(yàn)進(jìn)行辨識獲取，具體為；

11、其中，為第一模型系數(shù)，為第二模型系數(shù)，為第三模型系數(shù)，為第四模型系數(shù)，為第五模型系數(shù)，為第六模型系數(shù)。

12、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s3中的穩(wěn)定性指數(shù)、船舶操縱性指數(shù)的回轉(zhuǎn)性指數(shù)計(jì)算方法為；

13、其中，為船艇航速，為船艇長度；

14、動態(tài)操縱系數(shù)計(jì)算方法為；

15、其中，為船舶操縱性指數(shù)的穩(wěn)定性指數(shù)、為船舶操縱性指數(shù)中的回轉(zhuǎn)性指數(shù)。

16、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s3中船艇的航行數(shù)據(jù)包括指令航向和實(shí)時航向，采集船艇指令航向和實(shí)時航向，計(jì)算航向偏差值、航向偏差變化率值、航向偏差累積值，具體為：，，，其中，為第時刻的航向偏差值，為第時刻的航向偏差值，為第時刻的航向偏差變化率值，為第時刻的指令航向，為第時刻的實(shí)時航向；

17、基礎(chǔ)控制參數(shù)包括第一基礎(chǔ)控制參數(shù)、第二基礎(chǔ)控制參數(shù)、第三基礎(chǔ)控制參數(shù)，計(jì)算方法為：

18、

19、其中，為自然頻率，為阻尼比。

20、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s4中設(shè)計(jì)模糊控制器包括如下步驟：

21、s41：設(shè)計(jì)模糊控制器的輸入變量、輸出變量、論域、模糊集合、隸屬度函數(shù)、模糊規(guī)則；

22、所述輸入變量包括航向偏差值、航向偏差變化率值，第一模糊推理輸入變量為、第二模糊推理輸入變量為；

23、所述輸出變量包括第一輸出變量為、第二輸出變量為、第三輸出變量為、第一模糊推理輸出變量為、第二模糊推理輸出變量為、第三模糊推理輸出變量為；

24、變量的基本論域?yàn)?，變量的基本論域?yàn)?，變量的模糊論域?yàn)椋兞康哪：撚驗(yàn)?，為變量的基本論域區(qū)間上限值，為變量的基本論域區(qū)間上限值，為變量的模糊論域區(qū)間上限值，為變量的模糊論域區(qū)間上限值；

25、模糊集合為{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，其中，nb表示負(fù)大、nm表示負(fù)中、ns表示負(fù)小、zo表示零、ps表示正小、pm表示正中、pb表示正大；

26、隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)；

27、設(shè)計(jì)模糊規(guī)則，使用mamdani模糊推理，使用重心法解模糊；

28、s42：根據(jù)拖曳任務(wù)設(shè)計(jì)模糊控制器的第一伸縮因子、第二伸縮因子，第一量化因子、第二量化因子、第一比例因子、第二比例因子、第三比例因子，動態(tài)因子、第一權(quán)重因子、第二權(quán)重因子、第三權(quán)重因子；

29、具體為：

30、

31、其中，為航向偏差值，為航向偏差變化率值，為的基本論域區(qū)間上限值，為的基本論域區(qū)間上限值，為的模糊論域區(qū)間上限值，為的模糊論域區(qū)間上限值，為第一控制參數(shù)、為第二控制參數(shù)、為第三控制參數(shù)、為第四控制參數(shù)；

32、動態(tài)因子，具體為：

33、

34、其中，動態(tài)操縱系數(shù)，為控制參數(shù)。

35、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，s4還包括如下步驟：

36、以當(dāng)前時刻的航向偏差值和航向偏差變化率值計(jì)算得到第一模糊推理輸入變量為和第二模糊推理輸入變量為，具體為：

37、，進(jìn)而模糊控制器進(jìn)行模糊推理得到第一模糊推理輸出變量為、第二模糊推理輸出變量為、第三模糊推理輸出變量為。

38、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，s4還包括如下步驟：

39、模糊控制器根據(jù)第一模糊推理輸出變量為、第二模糊推理輸出變量為、第三模糊推理輸出變量為、動態(tài)因子、第一比例因子、第二比例因子、第三比例因子，輸出調(diào)整量，調(diào)整量為第一調(diào)節(jié)控制參數(shù)、第二調(diào)節(jié)控制參數(shù)、第三調(diào)節(jié)控制參數(shù)；

40、具體為：。

41、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，還包括：

42、參數(shù)整定模塊根據(jù)第一調(diào)節(jié)控制參數(shù)、第二調(diào)節(jié)控制參數(shù)、第三調(diào)節(jié)控制參數(shù)、第一基礎(chǔ)控制參數(shù)、第二基礎(chǔ)控制參數(shù)、第三基礎(chǔ)控制參數(shù)、第一權(quán)重因子、第二權(quán)重因子、第三權(quán)重因子輸出綜合控制參數(shù)，綜合控制參數(shù)具體為：

43、

44、其中，為第一綜合控制參數(shù)，為第二綜合控制參數(shù)，為第三綜合控制參數(shù)。

45、本發(fā)明一種面向無人船艇拖曳工況的變論域模糊航行控制方法的進(jìn)一步改進(jìn)在于，步驟s5具體為：

46、pid控制器以當(dāng)前航向偏差值、航向偏差變化率值、航向偏差累積值、第一綜合控制參數(shù)、第二綜合控制參數(shù)、第三綜合控制參數(shù)，最終輸出航行控制舵角，具體為：。

47、本發(fā)明針對船艇拖曳任務(wù)航行控制問題，充分利用船艇航行狀態(tài)及負(fù)載作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時信息，利用變論域模糊方法進(jìn)行航行控制，所取得的有益效果具體表現(xiàn)如下：

48、（1）本發(fā)明所涉及的船艇動態(tài)操縱響應(yīng)模型，專為船艇拖曳任務(wù)設(shè)計(jì)，將拖曳負(fù)載與船艇整合為一個統(tǒng)一的模型進(jìn)行分析。通過將復(fù)雜的多體運(yùn)動響應(yīng)簡化為獨(dú)立整體的操縱響應(yīng)模型，本模型不僅降低了模型的復(fù)雜性，而且準(zhǔn)確描述了船艇拖曳任務(wù)的基本航行狀態(tài)。

49、（2）本發(fā)明提出的船艇拖曳參數(shù)模型，同樣針對船艇拖曳任務(wù)而設(shè)計(jì)，該模型以拖纜長度作為自變量，實(shí)現(xiàn)了通過可測量參數(shù)動態(tài)調(diào)整操縱響應(yīng)模型的目標(biāo)，從而優(yōu)化了拖曳過程。

50、（3）本發(fā)明所設(shè)計(jì)的動態(tài)操縱系數(shù)能夠根據(jù)拖曳任務(wù)的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行模糊論域的動態(tài)調(diào)整，確保了模糊控制與船舶狀態(tài)之間的緊密耦合，這種方法能夠提升在任務(wù)條件變化時的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

51、（4）本發(fā)明所設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)確保了船艇航行控制的基本穩(wěn)定性，增強(qiáng)了系統(tǒng)在面對不可預(yù)見干擾時的控制穩(wěn)定性。

52、（5）本發(fā)明的變論域模糊航行控制方法，綜合了船艇狀態(tài)、拖曳工況以及航控反饋的信息，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)船艇操縱特性和拖曳任務(wù)的動態(tài)自適應(yīng)控制，從而具備更優(yōu)越的魯棒性和穩(wěn)定性。

53、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。