基于控制分配氣墊船多操縱面協調控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種氣墊船的運動控制方法，特別是一種帶有控制分配控制器的氣墊 船操縱面協調控制方法。
【背景技術】
[0002] 國外早期氣墊船采用人工操控方式，主要是依靠駕駛員觀察氣墊船空間運動參數 的變化，直接操縱執行機構來實現操船。由于全墊升氣墊船在風浪中航行時穩定性較差，采 用駕駛員人工操控方式時，不易得到良好的控制品質。而且駕駛員的工作量極為繁重，精神 上承受巨大負擔，一旦操縱不當，會造成船的高速回轉與側滑，使船處于危險的航行狀態， 如果運動狀態超過船的安全限界，還可能造成翻船的嚴重事故。
[0003] 為了提高氣墊船的操控水平、降低操縱難度、減輕駕駛人員的工作強度，美、俄、英 等國家相繼開發研制了氣墊船綜合駕控系統。美國的LCAC等氣墊船均裝備了具有協調控 制方式的自動駕控系統。俄羅斯在氣墊船控制系統方面有豐富的理論及實際經驗，20世紀 90年代開發出了"黃橄欖石-32M"型氣墊船協調運動控制系統，該型氣墊船協調運動控制 系統已經裝備在"歐洲野牛號"大型氣墊登陸艇上。但以上系統均沒有提到基于控制分配 的操縱面協調控制。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種能實現氣墊船操縱面之間的協調工作，提高操控水平 和航行穩定性的基于控制分配氣墊船多操縱面協調控制方法。
[0005] 本發明的目的是這樣實現的：包括軌跡產生控制器、比較器、控制器和控制分配控 制器；軌跡產生控制器通過人機接口設定氣墊船航行的軌跡；比較器把軌跡產生控制器得 到期望位置、航向與GPS、平臺羅經的當前實際位置、航向進行比較得到位置、航向偏差；控 制器根據位置、航向偏差計算得縱向、橫向的合力和轉艏力矩，發送給控制分配控制器；控 制分配控制器將控制器輸出的縱向、橫向合力和轉艏合力矩分配給個操縱面執行機構以協 調各個操縱面的工作。
[0006] 本發明的特點主要體現在：1、帶有一個軌跡產生控制器，采用人機交互接口可以 設定氣墊船期望的軌跡。2、包括一個控制器，控制器的輸入為比較器輸出的當前期望位置、 航向與當前實際位置、航向的偏差。3、控制方法采用反步法控制，分別設計了氣墊船縱向、 橫向、艏向控制器。4、控制器的輸出指令為縱向、橫向的合力和艏向的合力矩，通過控制分 配控制器將合力和合力矩分配到各個操縱面上去，實現氣墊船航行時各操縱面的協調控 制。
[0007] 帶控制分配控制器的氣墊船操縱面協調控制方法通過軌跡產生控制器實時計算 并更新當前時刻的期望的位置及航向角，然后比較器對期望位置、艏向和實際的位置、艏向 進行比較得到偏差并輸入到控制器中。控制器根據偏差輸出各個方向的合力和合力矩到控 制分配控制器中。控制分配控制器和位置及艏向控制器是本方法的核心關鍵，控制分配控 制器采用序列二次規劃方法，位置及航向控制方法采用非線性反步控制方法。
[0008] 本發明相對現有技術具有如下的優點及效果：
[0009] 氣墊船在風、浪、流等海洋環境中航行時，其操縱性較差，因此，通常采用多種操縱 面（執行機構）來改善氣墊船航行時的操縱性。其多種操縱面包括主推進器、垂直空氣舵、 側風門、艏噴口等操縱面。通常的控制器只能針對單一的操縱面進行控制，多種操縱面之間 可能產生干擾而不能協調工作，會造成能源的浪費，減少氣墊船的航程，同時也會造成機械 結構的磨損，減少氣墊船使用壽命。本發明采用的控制器和控制分配控制器能夠控制器輸 出的將縱向、橫向的合力和轉艏力矩合理地分配到各個操縱面上面去，能夠使氣墊船個操 縱面協調工作，減少機械磨損、節省能源，提高氣墊船安全航行性能。同時減輕了人工操舵 的工作強度和精神負擔。
【附圖說明】
[0010] 圖1帶有控制分配控制器的氣墊船操縱面協調控制系統原理框圖。
[0011] 圖2軌跡產生控制器程序流程圖。
[0012] 圖3位置及艏向非線性反步控制器方塊圖。
【具體實施方式】
[0013] 下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。
[0014] 結合圖1，本發明的基于控制分配氣墊船多操縱面協調控制方法主要通過軌跡產 生控制器、比較器、控制器和控制分配控制器來完成，同時結合圖2,其主要步驟如下：
[0015] 1.根據人機接口設定的氣墊船航跡來讀取當前時刻的位置及艏向角；
[0016] 2.根據期望的位置、艏向角和實際的位置、艏向角通過比較器得到偏差；
[0017] 3.根據位置及艏向的偏差，控制器輸出縱向、橫向的合力及轉艏力矩；
[0018] 4.控制分配控制器將控制器的輸出的合力和合力矩分配到各個操縱面執行機構， 并將分配到各個操縱面上的力和力矩轉換成具體的控制信號；
[0019] 5.如果氣墊船能夠跟隨期望的位置及艏向，則更新期望的位置和艏向轉步驟1。 [0020] 比較器用軌跡產生控制器給出的當前時刻期望位置及艏向角與實際的位置及艏 向角做差就得到了位置及航向的偏差，在實際的比較器實現中將航向偏差限定在-180度 至180度之間，偏差為正表示船要向右轉，反之船要向左轉。
[0021] 位置及航向控制器采用非線性的反步控制方法，控制器原理框圖見圖3。氣墊船模 型具有非線性參數時變的特點，因此只能采用非線性的控制方法對氣墊船進行控制。控制 系統采用非線性的反步控制器，對縱向、橫向的加速度及轉艏的角加速度進行控制，從而使 氣墊船按照期望的航跡進行航行。
[0022] 所設計的非線性反步控制器把實際的位置及艏向與期望的位置及艏向的差作為 新的狀態變量，根據李雅普諾夫穩定性原理，得到使新狀態漸進趨于零的縱向、橫向速度及 艏搖角速度的函數，并把得到的縱向、橫向速度及艏搖角速度作為參考值，同理，把實際的 縱向、橫向速度及艏搖角速度與得到的縱向、橫向速度及艏搖角速度的差作為新的狀態變 量2,再次通過李雅普諾夫穩定性原理，得到使新狀態變量2漸進趨于零的縱向、橫向合力 及轉艏合力矩作為控制器的輸出。
[0023] 在控制器原理圖3中，％,4,?為慣性坐標系下期望的位置及艏向及它們的導數 及二階導數；為慣性坐標系下氣墊船的位置及艏向及它們的導數；為船體 坐標系到慣性坐標系的坐標轉換矩陣及其導數;Μ為氣墊船的慣性矩陣；Fah為氣墊船所受 到的空氣阻力及水動力阻力；PnPa Λ1;人2為所設計的控制器的參數矩陣，通過調節參數 矩陣來提高控制的性能指標。
[0024] 非線性控制輸出的縱向、橫向合力及轉艏力矩（圖1中的τ t)作為控制分配控制 器的輸入，控制分配控制器根據消耗的能量最少及減少執行機構的磨損等為優化目標，把 控制器輸入的縱向、橫向合力及轉艏力矩分配到各個操縱面（圖1中的τ d)，使其輸出合適 的操縱量，實現氣墊船的協調控制，提高氣墊船的操縱性能。其操縱面主要包括：2個主推 進器、2個垂直空氣舵、2個艏噴管、8個側風門。氣墊船的控制分配的數學模型如下：
[0026] 其中，u表示各個操縱面上分配的輸出作用力，u。為上一時刻操縱面的輸出力；s 表示松弛變量。H，M，Q為非負權矩陣；J(u，s)為控制分配優化問題的目標值；B為控制分配 矩陣；τ。為控制器的輸出；優化目標中第一項表示操縱面上輸出的作用力盡量的小，表示 能量消耗最小；第二項表示操縱面的輸出力的變化盡量小，表示執行機構的磨損的減小的 指標，第三項表示松弛變量盡量小，即控制分配的誤差小；條件中的等式約束表示對合力及 合力矩與操縱面上輸出力的關系；不等式約束表示操縱面輸出力和力矩的范圍，即可行域。
[0027] 控制分配控制器的計算步驟如下：
[0028] ⑴給定初始值uk, k = 0 ;
[0029] (2)確定uk的下降方向d k;
[0030] (3)計算uk+1= u k+dk;判斷u k+1是否滿足終止條件，若滿足終止條件，則計算結束， uk+1為最終解；若不滿足終止條件，則轉到步驟（1);
[0031] 按照上面的方法，采用C++語言編寫了氣墊船控制分配控制程序，進行了實驗室 的半實物仿真及實船試驗，取得了很好的效果。
【主權項】
1. 一種基于控制分配氣墊船多操縱面協調控制方法，其特征是：包括軌跡產生控制 器、比較器、控制器和控制分配控制器；軌跡產生控制器通過人機接口設定氣墊船航行的軌 跡；比較器把軌跡產生控制器得到期望位置、航向與GPS、平臺羅經的當前實際位置、航向 進行比較得到位置、航向偏差；控制器根據位置、航向偏差計算得縱向、橫向的合力和轉艏 力矩，發送給控制分配控制器；控制分配控制器將控制器輸出的縱向、橫向合力和轉艏合力 矩分配給個操縱面執行機構以協調各個操縱面的工作。2. 根據權利要求1所述的基于控制分配氣墊船多操縱面協調控制方法，其特征是：所 述控制器采用非線性的反步控制器，所述的非線性反步控制器把實際的位置及艏向與期望 的位置及艏向的差作為新的狀態變量，根據李雅普諾夫穩定性原理，得到使新狀態漸進趨 于零的縱向、橫向速度及艏搖角速度的函數，并把得到的縱向、橫向速度及艏搖角速度作為 參考值，把實際的縱向、橫向速度及艏搖角速度與得到的縱向、橫向速度及艏搖角速度的差 作為新的狀態變量2,再次通過李雅普諾夫穩定性原理，得到使新狀態變量2漸進趨于零的 縱向、橫向合力及轉艏合力矩作為控制器的輸出。3. 根據權利要求1或2所述的基于控制分配氣墊船多操縱面協調控制方法，其特征是 控制分配控制器的步驟如下： (1) 給定初始值uk, k = O ; (2)確定Uk的下降方向dk; ⑶計算uk+1= uk+dk;判斷uk+1是否滿足終止條件，若滿足終止條件，則計算結束，u k+1 為最終解；若不滿足終止條件，則轉到步驟（1)。
【專利摘要】本發明提供的是一種基于控制分配氣墊船多操縱面協調控制方法。軌跡產生控制器通過人機接口設定氣墊船航行的軌跡；比較器把軌跡產生控制器得到期望位置、航向與GPS、平臺羅經的當前實際位置、航向進行比較得到位置、航向偏差；控制器根據位置、航向偏差計算得縱向、橫向的合力和轉艏力矩，發送給控制分配控制器；控制分配控制器將控制器輸出的縱向、橫向合力和轉艏合力矩分配給個操縱面執行機構以協調各個操縱面的工作。本發明通過控制分配控制器可以將控制器輸出的合力和合力矩合理地分配到各個操縱面上，以實現對氣墊船的多操縱面協調控制，從而達到氣墊船安全航行的目的，同時減輕了人工操舵的工作強度和精神負擔。
【IPC分類】B60V3/06, B60V1/14
【公開號】CN105235676
【申請號】CN201510616202
【發明人】王成龍, 林孝工, 林豐, 付明玉, 丁福光, 劉向波, 王元慧, 李娟
【申請人】哈爾濱工程大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月24日