【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及船舶控制航海，尤其涉及一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法。
技術(shù)介紹
1、在現(xiàn)代海洋工程和自動控制領(lǐng)域，船舶的安全性和效率問題受到了廣泛關(guān)注。特別是在復雜的海洋環(huán)境中，船舶受到海浪、風速、海流等多種因素的影響，這些因素的不確定性給船舶的航行安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。可達集作為評估系統(tǒng)安全性的重要工具，其在機器人、無人車、飛行器控制等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著成果。然而，專門針對真實海浪干擾下船舶可達域的研究相對較少，這在很大程度上限制了船舶受干擾情況下可達域的可視性和船舶在復雜海洋環(huán)境中的航行安全性。
2、可達集的建模和仿真是理解和預(yù)測系統(tǒng)行為的關(guān)鍵。隨著不同情境下可達集計算方法的提出，能夠更深入地了解系統(tǒng)的動態(tài)特性和潛在風險。通過構(gòu)造lyapunov函數(shù)，研究者們能夠為系統(tǒng)可達集提供一個近似的橢球描述，這為評估系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性提供了一種有效手段。進一步地，有文獻將可達集視為hamilton-jacobi偏微分方程粘性解的零水平集，利用水平集方法求解該方程，可以得到系統(tǒng)在特定時間內(nèi)的可達集近似，這對于預(yù)測系統(tǒng)未來狀態(tài)具有重要意義。在線性系統(tǒng)的研究中，外部和內(nèi)部橢球估計方法被用來精細化地研究可達集，這種方法通過逐步逼近真實可達邊界，為系統(tǒng)分析提供了一種實用的工具。此外，離散系統(tǒng)的可達集理論也被用來生成連續(xù)系統(tǒng)的可達集，這為處理實際問題中的采樣和離散化問題提供了理論支持。
3、盡管在衛(wèi)星和航天器的可達域研究中已經(jīng)取得了一定的進展，但針對真實海浪干擾下的船舶可達域研究仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。海浪的不確定性和
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本專利技術(shù)公開了一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，具體包括如下步驟：
2、基于實際海況選取真實海浪干擾信息；
3、構(gòu)建目標船舶的運動學方程，并將真實海浪干擾信息加入該運動學方程中形成干擾船舶運行模型；
4、將干擾船舶運行模型離散化，從而確定干擾船舶的狀態(tài)和控制受限的離散運動模型，其中離散運動模型包括多個離散點；
5、構(gòu)造包含所有離散點的多面體，并在多面體上放置外部參考點；
6、在構(gòu)造的多面體上進行投影計算，確定可達集的邊界點；
7、連接可達集邊界點從而獲取船舶加入波浪干擾后的實時可達集合。
8、進一步的，對于構(gòu)造的多面體中的每一個參考點，沿著邊界面法向量的方向進行投影操作，將其投影到整個可達集中，從而找出與該參考點對應(yīng)的可達集邊界點。
9、進一步的，所述干擾船舶運行模型為：
10、
11、其中u、v、r分別表示縱向、橫向和轉(zhuǎn)艏角速度，為船舶系統(tǒng)慣性矩陣，為水動力阻尼系數(shù)，矩陣τwave＝[τwaveu,τwavev,τwaver]t為外界環(huán)境干擾。
12、進一步的，根據(jù)干擾船舶的狀態(tài)約束、控制約束及運動特性獲取干擾船舶的狀態(tài)和控制受限的離散運動模型如下：
13、
14、
15、其中，k表示時間步長，δt是時間步長的大小，uk,vk,ψk,rk是在第k步的值，τu,k、τwaven,k、τwavev,k、τr,k、τwaver,k是在第k步的外部力矩；
16、假設(shè)從初始條件(t0；x0)出發(fā)，在tn時刻的可達集定義如下：
17、
18、tn為終止時間，表示系統(tǒng)達到可達集的最終時刻；t0為初始時間，表示系統(tǒng)開始的時間；x0為初始狀態(tài)，表示系統(tǒng)在初始時的狀態(tài)向量；y為可達集中的某個狀態(tài)向量；rn為n維實數(shù)空間；為在船舶系統(tǒng)從初始狀態(tài)經(jīng)過控制到達終止狀態(tài)的過程中施加的控制輸入。
19、進一步的，構(gòu)造包含所有離散點的多面體，并在多面體上放置外部參考點時：
20、s41：假定系統(tǒng)的初始條件(t0,x0)已知，在tn時刻狀態(tài)變量的第j個分量的最小和最大值通過控制限制得到：
21、
22、其中j∈1,2,…,n.
23、s42：將上述兩個函數(shù)值分別記作和令：
24、
25、s43：對于離散系統(tǒng)可達集中的任何一點均有由此構(gòu)造多面體：
26、
27、其中顯然
28、s44：設(shè)多面體s的表面由4個面f1、f2、f3、f4組成，對于每個面fi，均通過其頂點的不同線性組合得到在面上分布的一組參考點，設(shè)面fi有p個頂點v1,...,vp，則fi上的一個參考點pij表示為：
29、
30、其中決定了參考點在多面體面上的具體位置，通過調(diào)整權(quán)重值，生成面上任意位置的點，vm是定義每個面的頂點，決定了多面體的幾何形狀，pij為面上的一個參考點。
31、由于采用了上述技術(shù)方案，本專利技術(shù)提供的一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，該方法通過綜合考慮海浪特性和船舶特性等多種因素，具有較強的實時響應(yīng)能力和高保真度。通過結(jié)合分析海浪特性、船舶自身特性以及船舶與海浪之間的相互作用，能夠動態(tài)顯示船舶的可達域，從而在真實海浪環(huán)境中的干擾控制范圍內(nèi)具有廣泛的應(yīng)用前景。
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1.一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特征在于包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特征在于：對于構(gòu)造的多面體中的每一個參考點，沿著邊界面法向量的方向進行投影操作，將其投影到整個可達集中，從而找出與該參考點對應(yīng)的可達集邊界點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特征在于：所述干擾船舶運行模型為：
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特征在于：根據(jù)干擾船舶的狀態(tài)約束、控制約束及運動特性獲取干擾船舶的狀態(tài)和控制受限的離散運動模型如下：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特征在于：構(gòu)造包含所有離散點的多面體，并在多面體上放置外部參考點時：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特征在于包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特征在于：對于構(gòu)造的多面體中的每一個參考點，沿著邊界面法向量的方向進行投影操作，將其投影到整個可達集中，從而找出與該參考點對應(yīng)的可達集邊界點。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于波浪干擾的實時可達域設(shè)定方法，其特...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：慕東東，賀小檬，尹銘揚，范云生，林永偉，
申請(專利權(quán))人：大連海事大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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