[发明专利]动力定位船舶实现定位旋转的几何坐标变换导引控制方法

摘要

本发明公开了一种动力定位船舶实现定位旋转的几何坐标变换导引控制方法。该方法首先设定船舶的目标艏向和旋转中心的船体坐标，结合船舶运动的数学模型，通过引入几何坐标变换导引策略计算船舶定位旋转过程中期望的轨迹；然后计算船舶当前时刻的期望艏向和期望位置；最后依据当前时刻实际位置、艏向与期望位置、艏向的偏差，应用PID控制算法得到控制船舶纵移、横移和艏摇所需的力和力矩，使船舶到达期望的位置和艏向，实现船舶绕旋转中心的定位旋转。该方法不需要改变推力分配中心，可保证定位旋转系统为闭环控制回路，提高了控制精度，计算过程简单易行，适用于海洋工程作业。

主权项

1.一种动力定位船舶实现定位旋转功能的几何坐标变换导引控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)船舶进入定位旋转工作状态，并完成系统初始化；设定初始速度为[u₀,v₀,r₀]^Τ=[0,0,0]^Τ；所涉及的大地坐标系EO_EN描述为：选取海平面上任意一点为原点，以正东方向为横轴、正北方向为纵轴；船体坐标系YO_bX描述为：以船舶的几何中心为原点，以右舷方向为横轴、船艏方向为纵轴；(2)利用船舶运动模型进行定位解算，结合船体坐标系中设定的船舶目标艏向和旋转中心的船体坐标，获得船舶几何中心的期望运动轨迹；所涉及的动力定位船舶在大地坐标系和船体坐标系中的数学模型为：η·=Jv]]>Mv·+Dv+Cv=τ]]>式中，η表示船舶在大地坐标系中位置和艏向向量[n,e,ψ]^Τ；v表示船舶在船体坐标系中线速度和角速度向量[u,v,r]^Τ；τ为推进器产生的力和力矩向量[F_x,F_y,N_z]^Τ；J为从船体坐标到大地坐标的转换矩阵，J=cosψ-sinψ0sinψcosψ0001;]]>M为船舶惯性矩阵，M=m-Xu·000m-Yv·mxg-Yr·0mxg-Yr·Iz-Nr·,]]>m为船舶质量，I_z为转动惯量，x_g为船体坐标系中船舶质心纵向坐标，其他参数均为一阶水动力导数；D为船舶水动力阻尼项，D=-Xu000YvYr0NvNr;]]>C为船舶的科里奥利力和向心力矩阵；所述船舶几何中心的期望运动轨迹的大地坐标表达式：e_d=e_R-R·sin(ψ+ψ_add)n_d=n_R-R·cos(ψ+ψ_add)式中，ψ_add为船舶几何中心指向设定旋转中心的向量与船舶艏向的夹角；R为船舶几何中心的旋转半径，且有e_R,n_R表示船舶进入定位旋转功能时刻旋转中心的大地坐标，其表达式为：e_R=e₀+x₀·sin(ψ₀)+y₀·cos(ψ₀)n_R=n₀+x₀·cos(ψ₀)-y₀·sin(ψ₀)式中，n₀,e₀和ψ₀分别为动力定位船舶几何中心在大地坐标系中的位置和艏向；(y_o,x_o)表示旋转中心的船体坐标，并在定位旋转过程中保持不变；(3)计算当前时刻船舶的期望艏向；当前时刻船舶的期望艏向ψ(k)_d的表达式为：ψ(k)_d=ψ(k)+sgn·r_d·T_s；式中，ψ(k)为当前实际艏向；ψ_d为操作员设定的目标艏向；r_d为回转角速度；T_S为采样周期；sgn为一符号函数，由目标艏向和初始艏向之差决定；sgn的值获取方法为：首先对目标艏向和初始艏向的差值采用如下逻辑进行预处理：只要ψ_d-ψ₀>=180，ψ_d-ψ=ψ_d-ψ-360；只要ψ_d-ψ₀<180，ψ_d-ψ=ψ_d-ψ+360；然后通过ψ_d-ψ₀的符号来得到sgn的取值：sgn=1,ψd-ψ0>=0-1,ψd-ψ0<0;]]>在判定当前时刻船舶艏向ψ(k)基本达到目标艏向时，需要将ψ(k)_d当前期望艏向设定为目标艏向ψ_d，此时采用如下判断条件进行判定：当|ψ_d-ψ(k)|<=2·T_S·r_d时，ψ(k)_d=ψ_d；(4)根据船舶的期望运动轨迹以及当前时刻船舶的实际艏向ψ(k)，计算当前时刻船舶的期望位置；大地坐标系中船舶当前时刻的期望位置(e(k)_d,n(k)_d)计算方法如下：e(k)_d=e_R-R·sin(ψ(k)+ψ_add)n(k)_d=n_R-R·cos(ψ(k)+ψ_add)；(5)根据船舶当前时刻的实际位置和艏向以及期望位置和艏向,计算船体坐标系中的位置偏差和艏向偏差；船体坐标系中的横向位置偏差、纵向位置偏差和艏向偏差的表达式为：E(k)_x=E(k)_e·sin(ψ(k))+E(k)_n·cos(ψ(k))E(k)_y=E(k)_e·cos(ψ(k))-E(k)_n·sin(ψ(k))E(k)_b=E(k)_ψ式中，E(k)_e，E(k)_n，E(k)_ψ分别为大地坐标系中东向位置偏差、北向位置偏差和艏向偏差，其表达式为：E(k)_e=e(k)_d-e(k)E(k)_n=n(k)_d-n(k)E(k)_ψ=ψ(k)_d-ψ(k)(6)采用PID控制算法获得船舶定位旋转的控制力和力矩；动力定位船舶纵向控制力F(k)_x、横向控制力F(k)_y和控制力矩N(k)_z的表达式为：F(k)_x=K_{p_surge}·E(k)_x+K_{d_surge}·u+K_{i_surge}·S_surgeF(k)_y=K_{p_sway}·E(k)_y+K_{d_sway}·v+K_{i_sway}·S_swayN(k)_Z=K_{p_yaw}·E(k)_b+K_{d_yaw}·r+K_{i_yaw}·S_yaw式中，K_{p_surge}、K_{i_surge}和K_{d_surge}为船舶纵向力的PID控制参数，S_surge表示对纵向偏差的积分；K_{p_sway}、K_{i_sway}和K_{d_sway}为船舶横向力的PID控制参数，S_sway表示对横向偏差的积分；K_{p_yaw}、K_{i_yaw}和K_{d_yaw}为船舶转艏力矩的PID控制参数，S_yaw表示对艏向偏差的积分；u,v,r是通过船舶数学模型解算得到的船舶速度向量；(7)将控制力和力矩反馈给动力定位船舶的数学模型，解算下一时刻船舶的实际位置和艏向，然后由当前时刻更新到下一时刻；(8)重复执行步骤（2）～（7），直至船舶到达目标位置和艏向，输出结果，实现定位旋转。