[发明专利]一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法

权利要求书

1.一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，其特征在于，具体的实现步骤为：

步骤1.根据任务需求和相应的操作模式在旋转中心设置模块中设置船舶的旋转中心点，将旋转中心点在船体坐标系下的位置(x_c,y_c)传给变旋转中心的三自由度运动数学模块、推力分配模块、运动状态转换模块；

步骤2.由设置的旋转中心，计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵；根据船体中心点的运动状态，计算出旋转中心点的运动状态；

步骤3.将旋转中心点的运动状态输入到三自由度运动控制器模块，该模块根据设定的操作模式，选择对应的控制器，根据运动状态的位置偏差、艏向偏差和三自由度速度偏差计算出期望纵向推力、横向推力和转艏力矩；

步骤4.将控制器产生的期望合力指令输入到变旋转中心的推力分配模块，计算每个推进器的相对位置坐标，计算新的推进器位置布置矩阵，最后根据推力分配优化模型采用序列二次规划算法或粒子群算法进行求解，得到每个推进器的期望推力和期望回转方位角；

推力分配优化模型为：

s.t.:s＝τ-B(α)f (a)

f_min≤f≤f_max (b)

Δf_min≤f-f₀≤Δf_max (c)

α_min≤α≤α_max (d)

Δα_min≤α-α₀≤Δα_max (e)

-∞≤s≤∞ (f)

该推力分配优化模型考虑到了功率最优，降低分配误差，考虑了推进器的回转禁止域，回转速度以及推进器推力响应能力，以及避免全回转推进器之间的奇异性；目标函数中第一项为降低功率消耗，第二项为降低分配误差，第三项为控制全回转推进器回转速度，最后一项为避免全回转推进器进入奇点位置；在约束条件中，条件(a)为等式约束，条件(b)为推力极值限制，条件(c)为推力响应限制，条件(d)为全回转推进器回转可行域，条件(e)为全回转推进器回转速度限制；τ＝[X_T Y_T N_T]^T为期望推力；f为推进器的推力；s为推力分配的误差；α为全回转推进器回转角；W、Q、Ω为权值矩阵；ρ、ε为常数；B(α)为推进器布置矩阵；

步骤5.将每个推进器的期望推力和期望回转方位角输入到推进器响应模块，输出期望推力到变旋转中心的推力合成模块；推力合成模块将每个推进器实际输出的推力合成到旋转中心处，形成合力τ_c；

步骤6.将合力τ_c输入到变旋转中心的三自由度船舶运动数学模型中，计算船舶在旋转中心点处的加速度和船舶旋转中心处的三自由度速度υ_c；

步骤7.将旋转中心处的速度υ_c输入到旋转中心和船体中心运动状态转换模块，计算船中心点的运动状态向量υ；计算船舶在北东坐标系下的位置和姿态向量η；计算船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量η_c；此时完成仿真系统的一个工作循环；

步骤8.循环执行步骤3到步骤7，若在仿真过程中多次切换了旋转中心坐标，则每次切换后的从步骤1开始，然后重复执行步骤3至步骤7。