基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的是一種基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)及方法。包括九點控制器（3）、切換邏輯系統(tǒng)（4）、切換器（5）、導引系統(tǒng)（6）、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（7）、位姿傳感器（8）、舵系統(tǒng)（9）；所述九點控制器（3）包括切換邏輯系統(tǒng)（4）和切換器（5）；本發(fā)明的基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)和方法，不要求被控對象的精確數(shù)學模型，抗干擾能力強，魯棒性強。又九點控制器結構簡單，系統(tǒng)的性能指標由對應各分區(qū)內的控制作用單獨調整完成，故調整方便。本發(fā)明可以實現(xiàn)對船舶航跡的精確控制，具有較好的應用前景。
【專利說明】基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種船舶航跡控制系統(tǒng)，本發(fā)明也涉及一種船舶航跡控制方法。【背景技術】
[0002]近年來，豐富的海洋資源吸引著世界的目光，各國將注意力越來越多地投向了海洋工程和海洋開發(fā)。隨著人們海上活動的日益頻繁，與船舶控制相關的領域受到研究人員的廣泛關注，船舶航向控制、航跡控制、路徑跟蹤以及動力定位技術等，成為控制領域研究的熱點。而船舶航跡控制問題一直以來倍受人們關注，由于船舶的運動具有大慣性、時滯、非線性等特點，船舶在海上的航行中又受到外界的風、浪、流等海洋環(huán)境因素的影響，因此，進行船舶航跡控制的研究不論是在理論上還是在實踐中都具有極其重要的意義。九點控制器的基本控制思想是:當被控對象輸出值偏離設定值時，控制器自動為被控對象加上一個反方向的作用力，使得系統(tǒng)快速響應并回歸到設定值附近。
[0003]在船舶運動控制中，控制器設計是十分重要的，目前通用的是PID自動舵。隨著海況的變化，船舶的動態(tài)特性會發(fā)生改變，而PID自動舵不具有自動調節(jié)控制參數(shù)的功能，從而偏離其最佳工作狀態(tài)，控制性能嚴重下降。
【發(fā)明內容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種抗干擾能力好、魯棒性強的基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)。本發(fā)明的目的還在于提供一種基于九點控制器的船舶航跡控制方法。
[0005]本發(fā)明的基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)包括九點控制器3、切換邏輯系統(tǒng)
4、切換器5、導引系統(tǒng)6、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7、位姿傳感器8、舵系統(tǒng)9 ;所述九點控制器3包括切換邏輯系統(tǒng)4和切換器5 ;所述位姿傳感器采集船舶實際位置和艏向角，并將其傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對接收到的信息進行濾波和噪聲處理，得到船舶的位置和艏向等低頻運動信息；所述導引系統(tǒng)根據(jù)輸入的期望信息與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑可以得到船舶在各個時刻的期望位置及期望艏向；所述切換邏輯系統(tǒng)根據(jù)導引系統(tǒng)輸入的期望信息以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供的船舶低頻運動信息，進行判斷所屬工況，并向切換器發(fā)出指令，采取相應的控制策略驅動舵系統(tǒng)，調整船舶運動方向。
[0006]本發(fā)明的基于九點控制器的船舶航跡控制方法為:
[0007]( I)位姿傳感器8采集船舶實際位置和艏向角，并將其傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7 ；
[0008](2)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7對接收到的信息進行濾波和噪聲處理，得到船舶的位置和艏向等低頻運動信息；
[0009](3)導引系統(tǒng)6根據(jù)輸入的期望信息與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑可以得到船舶在各個時刻的期望位置及期望艏向；
[0010](4)切換邏輯系統(tǒng)4根據(jù)導引系統(tǒng)6輸入的期望信息以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7提供的船舶低頻運動信息，進行判斷所屬工況，并向切換器5發(fā)出指令，采取相應的控制策略驅動舵系統(tǒng)9，調整船舶運動方向，實現(xiàn)對船舶航跡的精確控制。[0011]本發(fā)明的基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)和方法，不要求被控對象的精確數(shù)學模型，抗干擾能力強，魯棒性強。又由于九點控制器結構簡單，系統(tǒng)的性能指標由對應各分區(qū)內的控制作用單獨調整完成，故調整方便。本發(fā)明解決了 PID自動舵不能自動調節(jié)控制參數(shù)的問題，可以實現(xiàn)對船舶航跡的精確控制，具有較好的應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)總體結構框圖；
[0013]圖2是本發(fā)明的船舶航跡跟蹤曲線效果圖；
[0014]圖3是本發(fā)明的船舶艏向變化曲線效果圖；
[0015]圖4是本發(fā)明的船舶舵角變化曲線效果圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明做更詳細地描述。
[0017]本發(fā)明的基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)包括九點控制器3、切換邏輯系統(tǒng)
4、切換器5、導引系統(tǒng)6、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7、位姿傳感器8、舵系統(tǒng)9 ;所述九點控制器3包括切換邏輯系統(tǒng)4和切換器5 ;所述位姿傳感器采集船舶實際位置和艏向角，并將其傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對接收到的信息進行濾波和噪聲處理，得到船舶的位置和艏向等低頻運動信息；所述導引系統(tǒng)根據(jù)輸入的期望信息與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑可以得到船舶在各個時刻的期望位置及期望艏向；所述切換邏輯系統(tǒng)根據(jù)導引系統(tǒng)輸入的期望信息以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供的船舶低頻運動信息，進行判斷所屬工況，并向切換器發(fā)出指令，采取相應的控制策略驅動舵系統(tǒng)，調整船舶運動方向。
[0018]下面對本發(fā)明的基于九點控制器的船舶航跡控制方法做更詳細的說明:
[0019]( I)位姿傳感器8采集船舶的實際位置X，y和實際航向角Ψ，并將其傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7 ；
[0020](2)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7對接收到的船舶的位置和艏向信息il = [X，y，Ψ]τ進行濾波和噪聲處理，得到船舶的位置和艏向等低頻運動信息；
[0021](3)導引系統(tǒng)6根據(jù)輸入的期望信息rd與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑可以得到船舶各時刻所需的期望位置xd，yd和期望艏向Vd，記為
nd=[xd, yd, 11^]'并得到誤差函數(shù)e=Vd-V和誤差變化率函數(shù)Ρ = 傳遞給切換邏輯
系統(tǒng)4 ；
[0022](4)切換邏輯系統(tǒng)4根據(jù)導引系統(tǒng)6輸入的期望信息以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)7提供的誤差函數(shù)和誤差變化率函數(shù)，進行邏輯判斷，其工作原理是:(設定一個偏差零帶％和偏差變化率零帶?。)
【權利要求】
1.一種基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)，包括九點控制器(3)、切換邏輯系統(tǒng)(4)、切換器(5)、導引系統(tǒng)(6)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)、位姿傳感器(8)、舵系統(tǒng)(9);其特征是: 所述九點控制器(3)包括切換邏輯系統(tǒng)(4)和切換器(5)，所述位姿傳感器采集船舶實際位置和艏向角，并將其傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對接收到的信息進行濾波和噪聲處理，得到船舶的位置和艏向等低頻運動信息；所述導引系統(tǒng)根據(jù)輸入的期望信息與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑可以得到船舶在各個時刻的期望位置及期望艏向；所述切換邏輯系統(tǒng)根據(jù)導引系統(tǒng)輸入的期望信息以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)提供的船舶低頻運動信息，進行判斷所屬工況，并向切換器發(fā)出指令，采取相應的控制策略驅動舵系統(tǒng)，調整船舶運動方向。
2.一種基于權利要求1所述的基于九點控制器的船舶航跡控制系統(tǒng)的控制方法，其特征是: (1)位姿傳感器(8)采集船舶實際位置和艏向角，并將其傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7); (2)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)對接收到的信息進行濾波和噪聲處理，得到船舶的位置和艏向等低頻運動信息； (3)導引系統(tǒng)(6)根據(jù)輸入的期望信息與船舶的初始位置，生成一條光滑的路徑，根據(jù)該路徑可以得到船舶在各個時刻的期望位置及期望艏向； (4)切換邏輯系統(tǒng)(4)根據(jù)導引系統(tǒng)(6)輸入的期望信息以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(7)提供的船舶低頻運動信息，進行判斷所屬工況，并向切換器(5)發(fā)出指令，采取相應的控制策略驅動舵系統(tǒng)(9)，調整船舶運動方向，實現(xiàn)對船舶航跡的精確控制。
【文檔編號】B63H25/04GK103754350SQ201410003231
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權日:2014年1月3日
【發(fā)明者】夏國清, 鄧維, 楊月 申請人:哈爾濱工程大學