一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法与流程

本发明属于船舶运动控制，尤其涉及一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法。

背景技术：

1、在海洋运输领域，中大型船舶的航行效率和安全性至关重要。操舵控制系统作为确保航行稳定性和响应性的关键组成部分，其设计和性能对船舶的整体表现有着决定性的影响。现有控制系统通常采用传统控制算法，这些算法在常规海况下可以提供稳定的航向控制。然而，面对复杂多变的海洋环境，也难以适应。船舶在航行中会受到各种自然条件，包括风速、波浪、海流，这些因素会影响船舶的动态响应，降低操舵控制的精确性与稳定性。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供针对中大型船舶航行操舵控制系统的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法。

2、一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，包括如下步骤：

3、s1.收集船舶的实时运动数据；

4、s2.对收集的实时运动数据进行傅里叶变换；

5、s3.通过傅里叶变换结果得到船舶运动响应主频率、海况响应主频率，为避免共振设计，确定初步船舶航向、初步航速；

6、s4.根据初步船舶航向、初步航速，设定初步的船体姿态；在初步的船体姿态下，设计自适应操舵控制算法，所述自适应操舵控制算法通过船舶的非线性动态和观测模型求得系统状态向量的估计值；

7、s5.通过系统状态向量的估计值及船体控制指令，得到舵角。

8、进一步的，船舶的实时运动数据包括船舶运动信息及海况信息。

9、进一步的，所述船舶运动信息包括通过传感器收集航速、航向、舵角。

10、进一步的，海况信息包括通过传感器收集风速、风向信号及通过卫星遥感技术获取波浪大小、方向。

11、进一步的，s2步骤包括如下操作：

12、对于一个连续时间信号，为收集的船舶的实时运动数据集合，连续傅里叶变换定义为：

13、

14、其中，是连续的频域数据，表示信号频谱，是角频率，单位是弧度每秒，是虚数单位，满足，

15、对于离散时间信号，其离散傅里叶变换定义为：

16、

17、其中，为离散的频域数据，为数据个数，k为数据时间间隔长度，,n表示数据序列，n=0…n-1。

18、进一步的，通过离散的频域数据，获得船舶运动响应主频率、海况响应主频率，为避免共振设计，从而通过船舶运动响应主频率、海况响应主频率，确定初步船舶航向、初步航速以及无迹卡尔曼滤波器中的过程噪声协方差和观测噪声协方差。

19、进一步的，设计自适应操舵控制算法的方法为：

20、s41.设计滤波器：

21、s411.建立船舶的非线性动态和观测模型；

22、s412.通过非线性动态和观测模型求得观测状态向量；

23、s413.通过观测状态向量计算预测的系统状态均值的估计值；

24、s42.通过滤波器，使用卡尔曼增益和观测数据更新状态估计，得到系统状态向量的估计值。

25、进一步的，s5步骤的方法为：

26、当前的系统状态向量的估计值中包括航向和航向角速度，设计控制器：

27、

28、其中为控制输入，其为舵角，为比例系数，为微分系数，为指令航向，为指令航向角速度。

29、进一步的，所述船体控制指令包括航向指令及航向角速度指令。

30、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

31、通过对船舶运动数据进行傅里叶变换，分析船舶运动特性，确定无迹卡尔曼滤波参数，实现各种海洋环境下滤波自适应，提高操舵控制效果。

32、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，船舶的实时运动数据包括船舶运动信息及海况信息。

3.根据权利要求2所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，所述船舶运动信息包括通过传感器收集航速、航向、舵角。

4.根据权利要求2所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，海况信息包括通过传感器收集风速、风向信号及通过卫星遥感技术获取波浪大小、方向。

5.根据权利要求1所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，s2步骤包括如下操作：

6.根据权利要求5所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，通过离散的频域数据，获得船舶运动响应主频率、海况响应主频率，为避免共振设计，从而通过船舶运动响应主频率、海况响应主频率，确定初步船舶航向、初步航速以及无迹卡尔曼滤波器中的过程噪声协方差和观测噪声协方差。

7.根据权利要求1所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，设计自适应操舵控制算法的方法为：

8.根据权利要求1所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，s5步骤的方法为：

9.根据权利要求1所述的一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，其特征在于，所述船体控制指令包括航向指令及航向角速度指令。

技术总结本发明属于船舶运动控制技术领域，尤其涉及一种自适应各种海洋环境的航行操舵控制方法，收集船舶的实时运动数据；对收集的实时运动数据进行傅里叶变换；通过傅里叶变换结果得到船舶运动响应主频率、海况响应主频率，为避免共振设计，确定初步船舶航向、初步航速；根据初步船舶航向、初步航速，设定初步的船体姿态；在初步的船体姿态下，设计自适应操舵控制算法，所述自适应操舵控制算法通过船舶的非线性动态和观测模型求得系统状态向量的估计值；通过系统状态向量的估计值及船体控制指令，得到舵角。该方法通过分析船舶运动信号，自动调整无迹卡尔曼滤波器参数实现对船舶状态滤波信号，达到各海洋环境下操舵自适应。技术研发人员：黄宇明,苏畅,沈东,廖益欣,张起赫,刘健,黄礼靖,余霖,卢辉,官根华受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/9