[发明专利]一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法

说明书

本发明提出一种考虑队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法，包括以下步骤：根据航路点信息和计划航速，规划逻辑制导虚拟小船的参考信号；通过视距变量和视角变量对视距和视角进行滤波；根据虚拟小船运动学模型，计算自适应虚拟小船的速度向量和速度自适应律；跟随船按照所述速度向量和速度自适应律航行。本发明解决了现有领航跟随编队控制不能直接执行队形伸缩任务的缺陷，能够有效避免参考轨迹在伸缩时呈折线状骤变而引起的跟踪误差增大，这对船舶编队执行避障、通过受限区域、战舰变换队形作战等船舶工程任务具有十分重大的意义。

技术领域

本发明涉及船舶控制工程与船舶自动化航行装备应用技术领域，具体的说是一种考虑航路点规划约束和队形伸缩的船舶编队自适应事件触发控制方法。

背景技术

近年来，在船舶运动控制领域中除了研究单船的路径跟踪外，船舶编队控制也得到越来越多的重视，这主要是由于多船编队在民用和军用领域都具有巨大的优势。船舶编队主要是指控制多艘船舶保持期望的队形在参考轨迹上航行，由于相对于单艘船舶而言具有更好的灵活性和容错性，并且能够在有限时间内执行高难度的任务，船舶编队控制已经被广泛地应用于海洋搜救作业、海洋资源勘察、多艘军舰协同作战、船舶远洋补给等多个方面。比如，在2014年3月8 日“马航MH370”飞机失事事件中，单船搜救不能快速有效地完成短时间内大范围搜救任务，这就需要多船编队进行海事搜救任务，从而提高搜救效率。另外，2018年1月6日，中国长江口附近发生的巴拿马籍油船“SANCHI”轮与中国香港散货船“CFCRYSTAL”轮的严重碰撞事故也体现出船舶编队开展搜救任务的重要性。

随着欠驱动船舶编队控制研究的发展，现有的船舶编队控制方法有领航跟随法、基于行为法、虚拟结构法和基于图论的方法等。其中，大多数研究学者青睐于领航跟随法和基于图论的方法。基于图论的方法又可以进一步分为集中式、分散式、分布式，该方法优点在于船-船之间均有信息通信，容错性强，缺点是实现难度大，编队转向不灵活。而领航跟随法操作简单、灵活、便于实践，并且能够根据需要调整领导船和跟随船之间的视距和视角实现整个编队队形的伸缩，缺点在于对领导船依赖过强。在本发明中采取的是领导跟随法，为了直观表达该方法，公式(1)(2)中定义领导船和跟随船的视距ρ和视角λ，其几何结构如图1所示。

其中，(x_L,y_L)为船体坐标下领导船的位置，(x,y)为跟随船的位置，ρ和λ分别表示领导船和跟随船之间的视距和视角。、

根据张显库2012年于科学出版社发表的《船舶运动简捷鲁棒自适应控制》 2012.可知，欠驱动船舶编队的运动学和动力学模型可分别由公式(3)(4)表示。

其中，η＝[x,y,ψ]^T为船舶在地理坐标系下的位置向量，v＝[u,v,r]^T为船舶速度向量，m_u,m_v,m_r为船舶模型不确定，f_u,f_v,f_r为未知函数，d_wu,d_wv,d_wr为时变环境干扰，τ_u,τ_r为系统输入。

在领航跟随结构中，领导船负责整个船舶编队路径跟踪参考轨迹，跟随船通过与领导船保持给定队形信息以形成期望队形。参考轨迹η_r可以根据跟随船与领导船之间的期望视距ρ_d和视角λ_d以及领导船的位置信息η_L获得，即：

η_r＝η_L+R(ψ)l (5)