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一种无人帆船的虚拟锚泊方法 

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申请/专利权人:中国海洋大学;青岛海研电子有限公司

摘要:本发明属于无人帆船锚泊技术领域,公开了一种无人帆船的虚拟锚泊方法。该方法收集当前海域的风速风向数据和水文数据;使用定位系统确定无人帆船的初始位置;根据实时风速风向数据,执行舵动作逻辑,进行虚拟锚泊;通过模糊控制算法实时调整舵操作,使无人帆船沿预定路径航行;持续监控无人帆船的位置信息,调整模糊控制算法,以维持高精度锚泊。本发明通过精确控制舵的操作,实现在较大风速风向下的高精度锚泊。优化的控制算法减少了不必要的能耗,提高了能源利用效率。避免了传统锚泊方式中的物理损耗,降低了维护成本。能够适应多种海况,包括4级海风的恶劣工况。

主权项:1.一种无人帆船的虚拟锚泊方法,其特征在于,该方法包括:S1,数据收集:无人帆船在启动前,收集当前海域的风速风向数据和水文数据;S2,初始定位:使用定位系统确定无人帆船的初始位置;S3,舵操作:根据实时风速风向数据,执行舵动作逻辑,进行虚拟锚泊;S4,通过模糊控制算法实时调整舵操作,确保无人帆船通过模糊控制算法进行虚拟锚泊;持续监控无人帆船的初始位置信息,调整模糊控制算法调整舵角,以维持锚泊;在步骤S3中,根据实时风速风向数据,执行舵动作逻辑,进行虚拟锚泊,包括:根据获取的多维度扰动集合的到航向角,以航向角和位置信息为输入变量,通过对比知识库进行的模糊推理集,输出反模糊化得清晰输出参数,再反馈不断调整计算出舵角操作角度,通过MISO进行多输入-单输出舵角控制实现操作角度,实现虚拟锚泊;实现虚拟锚泊,包括:步骤301,采集数据计算成为输入量;步骤302,模糊控制器设计:设计模糊控制器,定义输入变量的模糊集合,构建模糊规则知识库,并实现模糊推理系统;步骤303,舵机的执行机构根据模糊控制的输出调整舵角,以响应风浪变化并维持帆船在虚拟锚泊点的稳定位置;在步骤301中,采集数据计算成为输入量,包括:1采集在航向上的速度:漂移物的初始位置为S0,经过一定时间Δt后漂移到新的位置S,根据拉格朗日粒子追踪法得: 式中,S为漂移的新位置,S0为漂移物的初始位置,t0为初始时间,t为时间,Vt为当前时刻的速度,Δα为漂移系数;波浪漂流力表述为: 式中,FW为波浪漂流力,ρ为海水密度,g为重力加速度,D为漂流物体的尺寸,Cw为波浪漂流力的作用系数,HW为波高;结合风、浪、流参数后,小船的速度表示为:Vl=Vw+Ve+Vc式中,Vl为小船的综合速度,Vw为由风力作用产生的速度分量,风力系数是离子漂移速率与风速的比值,取值为0.05-0.5;Ve为由波浪漂流力产生的速度分量,浪系数取值为0.8-1;Vc为由潮流和环流作用产生的速度分量,流系数取值为1-1.1;2根据初始时间位置信息x1,y1和一定时间Δt后位置信息x2,y2,在笛卡尔坐标系下得出航向角表达式为: 式中,为航向角;3位置距离的表达式为: 式中,s为位置距离;在步骤302中,模糊控制器设计,包括:i模糊语言变量输入量位置距离s的隶属度函数,从0到5000米划分为5个模糊集;ii将航向角度a从0到360度划分为5个模糊集,输入量均采用三角形隶属度函数;输入量航向角度隶属度:按每45度切分360度;iii将航向速度v从0到1.5ms划分为5个模糊集;iv输出量k:从-35度到0度和0到35度米划分为5个模糊集;v控制算法,通过编写程序实现模糊控制算法,该程序在无人双体帆船的控制系统中运行;vi获得模糊关系矩阵R;在步骤303中,舵机的执行机构根据模糊控制的输出调整舵角,以响应风浪变化并维持帆船在虚拟锚泊点的稳定位置,包括:设计模糊控制系统进行模糊推理,实现舵机的执行机构根据模糊控制的输出调整舵角,模糊控制系统包括定义模糊集合、构建知识库、确定偏差e和偏差变化率ec的论域、确定语言值和隶属函数、建立模糊控制规则;所述定义模糊集合包括,对于输入参数航向角和位置距离,以及输出参数舵角,定义相应的模糊子集;所述构建知识库包括:隶属度函数、尺度变换因子和模糊空间的分级数;隶属度函数为每个模糊子集定义隶属度函数,使用高斯函数、三角形函数或梯形函数;尺度变换因子用于调整输入变量的尺度,与模糊子集的范围相匹配;模糊空间的分级数用于定义每个输入和输出变量的模糊子集的数量;确定偏差e和偏差变化率ec的论域,包括:偏差e和偏差变化率ec用于表示当前状态与期望状态之间的差异及其变化;所述模糊控制规则包括:如果A是VS并且P是VN,则R是VH;如果A是S并且P是N,则R是H;如果A是M并且P是M,则R是M;如果A是L并且P是F,则R是L;如果A是VL并且P是VF,则R是N。

全文数据:

权利要求:

百度查询: 中国海洋大学 青岛海研电子有限公司 一种无人帆船的虚拟锚泊方法

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