CN107741744B - 一种海洋观测平台的最优艏向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种海洋观测平台的最优艏向控制方法。一：输入海洋观测平台的期望位置[x_d y_d]；二：将海洋观测平台的位置信息的导数

作为扩张状态观测器的输入，判断海流力方向β_e所属象限；三：根据步骤二得到的海流力方向象限进行圆心的选择；四：控制海洋观测平台绕所选圆心p_ρ以半径ρ运动之最优艏向位置，且要保证在运动过程中海洋观测平台的艏向始终正对所选圆心p_ρ。本发明的最优艏向控制方法可以使海上观测平台的动力定位可以使用尽量少的推进器，使观测平台以最小转艏角达到最优艏向，使控制更加简单高效且节约能源。

Description

一种海洋观测平台的最优艏向控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种海洋观测平台的控制方法，具体地说是一种纵横向对称的海洋观测平台的控制方法。

背景技术

随着海洋开发的深度和广度的扩大，深海观测技术的发展迅猛，海洋观测平台应运而生，在一些作业任务中，观测平台需要定点悬停，就要用到动力定位技术。动力定位技术的控制策略需要参考具体观测平台的具体特征而定，针对一些纵横方向和推进器布置方面完全对称的海洋观测平台而言，可以选择最优艏向，然后选择尽可能少的推进器来抵抗海流的干扰作用，这样便于控制且可以减少能源的消耗。同时在使海洋观测平台到达最优艏向的过程中，也需要设计一定的控制方法，使其以最小的转艏角度达到最优艏向。

Fossen对于动力定位***最优艏向的定义，以及其发展阶段的总结，提出了一种在未知扰动情况下的艏向自动调整。该方法的最主要特点就是不需要任何环境力的测量装置能够使船舶工作在最佳艏摇角度下，而这点对于海上作业***来说是很重要的，因为我们不可能准确计算得到环境作用力的大小和方向。但是可以采用扩张状态观测器(ESO)来获取未知海流的方向象限，然后再根据具体的海洋观测平台的几何对称特点选择合适的圆心，这样就可以使其转艏角度最小而达到最优艏向，节约了时间和能源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使控制更加简单，高效且节约能源的海洋观测平台的最优艏向控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：输入海洋观测平台的期望位置[x_d y_d]；

步骤二：将海洋观测平台的位置信息的导数

作为扩张状态观测器的输入，判断海流力方向β_e所属象限；

步骤三：根据步骤二得到的海流力方向象限进行圆心的选择；

步骤四：控制海洋观测平台绕所选圆心p_ρ以半径ρ运动之最优艏向位置，且要保证在运动过程中海洋观测平台的艏向始终正对所选圆心p_ρ。

本发明还可以包括：

1、所述进行圆心的选择的具体选择依据为：

(1)当海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出相同时，当海流力方向β_e∈[-9090]时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(-ρ,0)；

当海洋观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下取为:

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈[-90 90]

w＝[-1 0 0]^TF_e＝Φ₂F_e,β_e∈其他；

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₂为方向向量，F_e海流力大小。

(2)当海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出不同时，当海流力方向β_e∈[-900]时最优圆心取为p_ρ＝(0,ρ),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(ρ，0)；

当海洋观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下取为:

w＝[0 1 0]^TF_e＝Φ₃F_e,β_e∈[-90 0]

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈其他。

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₃为方向向量，F_e海流力大小。

2、所述扩张状态观测器为离散形式的扩张状态观测器，表示为：

式中，h为积分步长，β₀₁，β₀₂和β₀₃为增益系数，δ为可调参数，b为补偿因子，z₃(t)为估计的扰动，fal(e,α,δ)为幂次函数表示成下面形式：

3、所述判断海流力方向β_e所属象限的具体规则为：

4、步骤四具体包括：取控制目标为：P_d＝[x_d y_d ψ_d]^T＝[0 0 0]^T,误差取为：e＝P-P_d；其中P_d为期望位置，P为海洋观测平台实际位置，e为海洋观测平台实际位置和期望位置的偏差。因为只考虑水平面，故只考虑期望纵向位置x_d、期望横向位置y_d和期望艏向位置ψ_d。

构建解耦S面控制器，在纵向、横向和艏摇三个方向上各建立一个S面控制器，S面控制器表示如下：

f＝Ku

其中，k_p和k_d为控制参数，e和

为控制输入表示偏差和偏差变化率，u为控制输出，f是每个自由度需要的力或力矩，K为推进***可以提供的最大力或者力矩。

本发明提供了一种纵横向对称的海洋观测平台的艏向控制方法。观测平台在作业时候有时需要定点悬停，在复杂的海流环境下，实现定点悬停需要用到动力定位技术，针对本发明所述的纵横向和推进器布置完全对称的海洋观测平台，在进行动力定位时候，可以选择最优艏向来抵抗海流的干扰作用，同时在达到最优艏向的过程中可以选择最小的转艏角度。

本发明的技术方案的特点体现在：

1、将整个控制过程分为两个阶段：

(1)定位观测阶段：建立包含扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)的观测平台动力定位***(目标取为：[x_d y_d ψ_d]^T＝[0 0 0]^T),根据ESO输出的扰动信息(只参考其方向)判断出海流方向所属象限。

(2)最优艏向控制阶段：根据获得的海流方向象限选定合适的圆心，在选定圆心后根据FOSSEN建立的最优艏向控制策略，引入S面控制器，建立观测平台艏向控制***，使平台以最小转艏角到达最优艏向。

2、所述定位观测阶段，主要是为了判断海流扰动的象限，具有如下特征：

将“扩张状态观测器”(Extended State Observer,ESO)引入控制器设计中，用于观测还流扰动。离散形式的扩张状态观测器可以表示成以下形式：

式中，z₁(k)、z₂(k)、z₃(k)分别为被观测***的估计状态量、***的状态速度和加速度，y(k)为***的状态量，e为***的状态量偏差，h为积分步长，β₀₁，β₀₂和β₀₃为增益系数，α₀₁、α₀₂和δ为可调参数，b为补偿因子，其中fal(e,α,δ)为幂次函数，可以表示成下面形式：

根据ESO输出结果进行海流力方向象限判断，具体规则如下：

3、当ESO判断出未知扰动海流力的方向象限后，根据所述的定位观测阶段获得的海流力方向象限判断结果进行最优作用圆心的选择，然后绕所选圆心运动到达最优艏向位置，(最优圆心指的是使观测平台以最小转艏角度达到最优艏向所做圆周运动的圆心)。在进行最优圆心选择时候分为两种情况，即分为海上观测平台推进器正车和倒车输出相同和不同两种情况：

(1)当所述海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出相同时，则有：

此时，当海流力方向β_e∈[-90 90]时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(-ρ,0)。

那么当观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下可取为:

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈[-90 90]

w＝[-1 0 0]^TF_e＝Φ₂F_e,β_e∈其他

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₂为方向向量，F_e海流力大小。

(2)当所述海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出不同时，则有：

此时，当海流力方向β_e∈[-90 0]时最优圆心取为p_ρ＝(0,ρ),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0)。

那么当观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下可取为:

w＝[0 1 0]^TF_e＝Φ₃F_e,β_e∈[-90 0]

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈其他

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₃为方向向量，F_e海流力大小。

4、当选择了最优圆心之后，需要控制所述的海洋观测平台绕所选圆心运动到最有艏向位置，同时在运动的过程中，需要保持平台的艏向始终正对圆心，具体内容如下：

取控制目标为P_d＝[x_d y_d ψ_d]^T＝[0 0 0]^T,误差取为：e＝P-P_d；其中P_d为期望位置，P为海洋观测平台实际位置，e为海洋观测平台实际位置和期望位置的偏差。因为只考虑水平面，故只考虑期望纵向位置x_d、期望横向位置y_d和期望艏向位置ψ_d。

由于S控制器工程实用性更强，参数调整更加方便。构建解耦S面控制器，在纵向、横向和艏摇三个方向上各建立一个S面控制器，S面控制器可表示如下：

f＝Ku

其中，k_p和k_d为控制参数，e和

为控制输入，分别表示偏差和偏差变化率，u为控制输出，f是每个自由度需要的力或力矩，K为推进***可以提供的最大力或者力矩。

本发明主要是设计一种适用于纵横方向完全对称的海洋观测平台的动力定位***中的最优艏向控制方法，该方法可以使所述海洋观测平台在未知海流扰动情况下达到动力定位***定义的最优艏向，同时在达到最优艏向的过程中选择合适的圆心使其转艏角度最小，达到节约能源和高效的目的。

附图说明

图1、海洋观测平台受海流干扰力示意图。

图2、控制器结构图。

图3a-图3b、平衡状态海流干扰力在随体坐标系下示意图。

图4a-图4b、推进器正车和倒车输出相同达到最优艏向最小转艏角度。

图5a-图5b、推进器正车和倒车输出不同达到最优艏向最小转艏角度。

图6、最优艏向控制示意图。

图7、海洋观测平台的最优艏向控制方法流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

1、首先参照附图1介绍所述的最优艏向定义：

(1)假设海流是定常无旋的，那么可认为在海流干扰下的扰动力为：

w＝[w_u,w_v,w_r]^T＝[w_u,w_v,0]^T

(2)定常流扰动力F_c在不同流向时对海洋观测平台在随体坐标系下的作用力：

式中：β_e表示流扰动在固定坐标系下的角度，ψ表示当前艏向角。

则其总力可以表示为：

F_w＝F_c|cos(β_e-ψ)|+F_c|sin(β_e-ψ)|

由上式可知，当β_e＝ψ时流扰动对平台的总作用力最小。则对于观测平台来说，环境最优艏向即为海流扰动力的方向。

2、设计控制策略，具体的控制器结构如附图2所示，将整个控制过程分为两个阶段：

(1)定位观测阶段：建立包含扩张状态观测器(Extended State Observer，ESO)的观测平台动力定位***(目标取为：[x_d y_d ψ_d]^T＝[0 0 0]^T),根据ESO输出的扰动信息(只参考其方向)判断出海流方向所属象限。

(2)最优艏向控制阶段：根据获得的海流方向象限选定合适的圆心，在选定圆心后根据FOSSEN建立的最优艏向控制策略，引入S面控制器，建立观测平台艏向控制***，使平台以最小转艏角到达最优艏向。

3、定位观测阶段，主要是为了判断海流扰动的象限，具体特征如下：

将“扩张状态观测器”(Extended State Observer,ESO)引入控制器设计中，用于观测还流扰动。离散形式的扩张状态观测器可以表示成以下形式：

式中，z₁(k)、z₂(k)、z₃(k)分别为被观测***的估计状态量、***的状态速度和加速度，y(k)为***的状态量，e为***的状态量偏差，h为积分步长，β₀₁，β₀₂和β₀₃为增益系数，α₀₁、α₀₂和δ为可调参数，b为补偿因子，其中fal(e,α,δ)为幂次函数，可以表示成下面形式：

根据ESO输出结果进行海流力方向象限判断，具体规则如下：

4、对于海流方向象限判断完成后，就需要选择最优圆心，使所述海洋观测平台绕所选圆心到达最优艏向位置，具体选择最优圆心的原则如下：

在进行最优圆心选择时候分为两种情况，即分为海上观测平台推进器正车和倒车输出相同和不同两种情况：

(1)当所述海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出相同时，则有：

此时，当海流力方向β_e∈[-90 90]时最优圆心取为p_ρ＝(ρ，0),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(-ρ,0)。

如附图4a-图4b所示为在不同海流力干扰下不考虑推进器布置(即：只考虑圆心A)和考虑推进器布置(同时考虑圆心A和圆心B)时海洋观测平台运动到最优艏向所转过的最小转艏角度(初始状态平台艏向ψ＝0)。从图可以看出当β_e∈[-9090]时将圆心取为p_ρ＝(-ρ,0)可大幅较小观测平台到达最优艏向的转艏角度从而提高效率。

那么当观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下可取为:

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈[-90 90]

w＝[-1 0 0]^TF_e＝Φ₂F_e,β_e∈其他

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₂为方向向量，F_e海流力大小。

(2)当所述海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出不同时，则有：

此时，当海流力方向β_e∈[-90 0]时最优圆心取为p_ρ＝(0,ρ),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0)。

如附图5a-图5b所示为在不同海流力干扰下不考虑推进器布置(即：只考虑圆心A)和考虑推进器布置(同时考虑圆心A和圆心C)时海洋观测平台运动到最优艏向所转过的最小转艏角度(初始状态平台艏向ψ＝0)。从图可以看出当β_e∈[-900]时将圆心取为p_ρ＝(0,ρ)可大幅较小观测平台到达最优艏向的转艏角度从而提高效率。

那么当观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下可取为:

w＝[0 1 0]^TF_e＝Φ₃F_e,β_e∈[-90 0]

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈其他

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₃为方向向量，F_e海流力大小。

5、当选择了最优圆心后，就控制海洋观测平台绕最优圆心运动到最优艏向位置，且在运动的过程中，需要保持平台的艏向始终正对圆心，具体特征如下：

取控制目标为：P_d＝[x_d y_d ψ_d]^T＝[0 0 0]^T,误差取为：e＝P-P_d；其中P_d为期望位置，P为海洋观测平台实际位置，e为海洋观测平台实际位置和期望位置的偏差。因为只考虑水平面，故只考虑期望纵向位置x_d、期望横向位置y_d和期望艏向位置ψ_d。

由于S控制器工程实用性更强，参数调整更加方便。构建解耦S面控制器，在纵向、横向和艏摇三个方向上各建立一个S面控制器，S面控制器可表示如下：

f＝Ku

其中，k_p和k_d为控制参数，e和

为控制输入，分别表示偏差和偏差变化率，u为控制输出，f是每个自由度需要的力或力矩，K为推进***可以提供的最大力或者力矩。

6、所述的一种海洋观测平台的最优艏向控制方法的具体流程可参照权利说明书附图7，具体特征如下：

步骤一：给出海洋观测平台的期望位置[x_d y_d]；

步骤二：将海洋观测平台的位置信息的导数

作为扩张状态观测器的输入，判断海流力方向β_e所属象限；

步骤三：根据上述海流力方向象限进行圆心的选择，具体的选择依据如下：

(1)当所述海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出相同时，当海流力方向β_e∈[-90 90]时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(-ρ,0)。

(2)当所述海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出不同时，当海流力方向β_e∈[-90 0]时最优圆心取为p_ρ＝(0,ρ),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0)。

步骤四：控制所述海洋观测平台绕所选圆心p_ρ以半径ρ运动之最优艏向位置，且要保证在运动过程中海洋观测平台的艏向始终正对所选圆心p_ρ。

本发明主要是提出一种在考虑回转体海洋观测平台推进器布置情况下的环境最优艏向控制方法，而最优位置的实现可参照Fossen的相关方法。

Claims (4)

1.一种海洋观测平台的最优艏向控制方法，其特征是：

步骤一：输入海洋观测平台的期望位置[x_d y_d]；

步骤二：将海洋观测平台的位置信息的导数

作为扩张状态观测器的输入，判断海流力方向β_e所属象限；

步骤三：根据步骤二得到的海流力方向象限进行圆心的选择，具体选择依据为：

(1)当海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出相同时，当海流力方向β_e∈[-90 90]时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(-ρ,0)；

当海洋观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下取为:

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈[-90 90]

w＝[-1 0 0]^TF_e＝Φ₂F_e,β_e∈其他；

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₂为方向向量，F_e海流力大小；

(2)当海洋观测平台所用推进器正车和倒车输出不同时，当海流力方向β_e∈[-90 0]时最优圆心取为p_ρ＝(0,ρ),当海流力方向β_e∈其他时最优圆心取为p_ρ＝(ρ,0)；

当海洋观测平台在到达平衡状态时，海流干扰力在随体坐标系下取为:

w＝[0 1 0]^TF_e＝Φ₃F_e,β_e∈[-90 0]

w＝[1 0 0]^TF_e＝Φ₁F_e,β_e∈其他；

其中w为海流干扰力，Φ₁为方向向量，Φ₃为方向向量，F_e海流力大小；

步骤四：控制海洋观测平台绕所选圆心p_ρ以半径ρ运动之最优艏向位置，且要保证在运动过程中海洋观测平台的艏向始终正对所选圆心p_ρ。

2.根据权利要求1所述的海洋观测平台的最优艏向控制方法，其特征是所述扩张状态观测器为离散形式的扩张状态观测器，表示为：

式中，z₁(k)、z₂(k)、z₃(k)分别为被观测***的估计状态量、***的状态速度和加速度，y(k)为***的状态量，e为***的状态量偏差，h为积分步长，β₀₁，β₀₂和β₀₃为增益系数，α₀₁、α₀₂和δ为可调参数，b为补偿因子，fal(e,α,δ)为幂次函数表示成下面形式：

3.根据权利要求2所述的海洋观测平台的最优艏向控制方法，其特征是所述判断海流力方向β_e所属象限的具体规则为：

定常流扰动力F_c在不同流向时对海洋观测平台在随体坐标系下的作用力：

式中：ψ表示当前艏向角。

4.根据权利要求3所述的海洋观测平台的最优艏向控制方法，其特征是步骤四具体包括：取控制目标为：P_d＝[x_d y_d ψ_d]^T＝[0 0 0]^T,误差取为：e＝P-P_d；其中P_d为期望位置，P为海洋观测平台实际位置，e为海洋观测平台实际位置和期望位置的偏差；因为只考虑水平面，故只考虑期望纵向位置x_d、期望横向位置y_d和期望艏向位置ψ_d；

构建解耦S面控制器，在纵向、横向和艏摇三个方向上各建立一个S面控制器，S面控制器表示如下：

f＝Ku

其中，k_p和k_d为控制参数，

为偏差变化率，u为控制输出，f是每个自由度需要的力或力矩，K为推进***可以提供的最大力或者力矩。

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