一种适配全回转推进器的多模态自动操舵控制方法与流程

本发明属于船舶自动控制领域，尤其涉及一种适配全回转推进器的多模态自动操舵控制方法。

背景技术：

1、自动操舵仪是用于对船舶航向或航迹进行自动调节的重要航海设备。它通过采集航向、舵角等反馈信号，计算控制量并驱动推进器转舵，使船舶自动保持在给定航向或航线上航行。自动操舵仪能够减小速度损失、缩短航行时间、节约燃料，同时节省人力、减轻船员劳动强度。

2、全回转推进器是现代船舶推进技术的重要发展方向。与传统船舶推进方式不同，全回转推进器的螺旋桨轴线可在水平面内绕回转轴线360°旋转，集推进和转舵功能于一体，无需额外配置舵系。全回转推进器具有推进效率高、船舶回转直径小、操纵灵活等优势，可实现船舶原地掉头、横移等复杂操纵动作，被广泛应用于拖轮、工程船、科考船、港口作业船等各类特种船舶。

3、然而，现有自动操舵技术在适配全回转推进器时仍面临诸多挑战，具体表现为以下四个方面：

4、1）缺乏对全回转推进器特性的专门适配。传统自动操舵仪输出单一的舵角控制指令即可实现航向控制，而全回转推进器需要同时控制螺旋桨转速和回转角度两个变量，两者相互耦合、共同决定船舶的航向和航速。现有自动操舵仪无法直接将航向控制指令分解为全回转推进器所需的转速和回转角控制量，导致控制效果不佳；

5、2）控制参数无法自适应调整。船舶在不同航速、载重和海况条件下的操纵特性差异显著。现有自动操舵仪的控制参数多为出厂时固定设置或需人工试凑整定，当船舶运行状态或环境条件改变时，无法自动调整控制参数以保证最佳控制效果；

6、3）缺乏预测性控制能力。现有自动操舵仪多采用基于当前航向偏差的反馈控制，属于事后调节，在船舶惯性大、响应滞后的情况下，难以实现高精度的航向保持。

7、4）多操舵模式切换存在冲击和不连续性。船舶操舵通常配置自动、随动和应急状态下的越控三种模式。现有技术中，三种模式之间的切换多采用简单的开关切换或机械转换装置，切换过程中易产生控制量突变，导致推进器冲击和船舶姿态波动；

8、因此，怎样才能在全回转推进器双变量耦合特性与多变海况工况的联合约束下，通过自适应参数优化与模型预测补偿的协同作用实现航向控制指令的合理力矩分配及高精度保持，并保障多操舵模式切换的平滑无冲击，成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于，提供一种适配全回转推进器的多模态自动操舵控制方法，能够在全回转推进器双变量耦合特性与多变海况工况的联合约束下，通过自适应参数优化与模型预测补偿的协同作用实现航向控制指令的合理力矩分配及高精度保持，并保障多操舵模式切换的平滑无冲击。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：

3、一种适配全回转推进器的多模态自动操舵控制方法，包括以下步骤：

4、s1、获取船舶的nomoto一阶模型的参数，所述nomoto一阶模型描述艏摇角速度与等效舵角之间的动态关系；通过实船标定获取等效转换系数，所述等效转换系数为单位等效舵角产生的艏摇力矩；

5、s2、在每个控制周期内，获取船舶的当前航向角、当前航速、艏摇角速度、横摇角、以及推进器当前回转角度和当前转速；根据所述横摇角的统计特征辨识当前海况等级；根据所述海况等级和所述当前航速，通过增益调度计算当前控制周期的自适应pid控制参数，并确定管道宽度，所述管道宽度随海况等级升高而增大；

6、s3、根据目标航向与s2获取的当前航向角计算航向偏差；将所述航向偏差与s2确定的管道宽度进行比较，根据比较结果确定对所述航向偏差执行离散pid控制运算时所采用的控制增益，其中所述航向偏差处于管道宽度范围内时所采用的控制增益低于超出管道宽度时所采用的控制增益，并基于确定的控制增益对所述航向偏差执行离散pid控制运算，生成等效舵角指令；

7、s4、基于s1的nomoto一阶模型，以s2获取的艏摇角速度为初始条件，以s3生成的等效舵角指令为模型输入，求解预设步长内的艏摇角速度预测轨迹，并对所述艏摇角速度预测轨迹在预设步长内进行积分，将积分结果与s2获取的当前航向角叠加，得到预测航向角；由目标航向与所述预测航向角之差得到预测航向偏差；根据所述预测航向偏差生成超前补偿控制量，并将所述超前补偿控制量与s3生成的等效舵角指令叠加，得到最终等效舵角；

8、s5、根据s1的等效转换系数，将s4得到的最终等效舵角转换为所需艏摇力矩；根据s3的航向偏差与预设偏差阈值计算分级系数，所述分级系数用于表征航向偏差大小对回转角度控制与转速控制之间力矩分配权重的调节关系；基于所述分级系数确定力矩在回转角度控制通道与转速控制通道之间的分配比例；以s2获取的推进器当前回转角度及当前转速作为增量计算起点，按照所述分配比例，将所述所需艏摇力矩分解为推进器相对于当前状态的回转角度调整量和螺旋桨转速调整量；

9、s6、将s5分解得到的回转角度控制量和螺旋桨转速控制量，经操舵模式切换处理后输出至执行机构，驱动全回转推进器执行转向和调速动作，并在下一控制周期返回s2形成闭环控制；所述操舵模式切换处理包括：在未发生模式切换时直接输出，在自动操舵模式与随动操舵模式之间切换时按指数衰减方式渐变过渡输出，在向应急越控模式切换时立即接管输出。

10、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

11、1.实现了全回转推进器双变量耦合下航向控制指令的合理力矩分配。与传统自动操舵仪仅输出单一舵角指令不同，本方法通过等效转换系数将最终等效舵角统一映射为艏摇力矩，并依据航向偏差大小动态计算分级系数，自适应调节回转角度通道与转速通道之间的力矩分配比例。相较于现有技术中固定分配或简单比例分配的方式，本方法能够在小偏差工况下以转速微调为主、大偏差工况下以回转角度调整为主，避免了不必要的频繁转舵，兼顾了响应速度与执行机构寿命。

12、2.实现了控制参数随海况与航速的自适应优化。现有技术中，自动操舵仪的pid参数多为出厂固定值或依赖人工经验整定，无法应对船舶工况变化。本方法通过横摇角统计特征在线辨识海况等级，并以此为调度变量实时计算当前周期的pid增益及管道宽度，使控制参数随海况恶化而自动趋于保守、随海况平稳而趋于灵敏，有效克服了固定参数在多变工况下保守则迟钝、激进则振荡的矛盾。

13、3.通过模型预测超前补偿显著提升了航向保持精度。现有自动操舵仪基于当前偏差进行反馈调节，本质上属于事后修正，在船舶惯性大、响应滞后时易产生超调与振荡。本方法基于nomoto一阶模型对艏摇角速度进行前向预测并积分得到预测航向角，据此生成超前补偿控制量叠加至等效舵角指令中，将控制作用从偏差已发生才响应，前移至偏差即将发生时即介入，有效抑制了大惯性船舶的航向超调，提升了稳态保持精度。

14、4。保障了多操舵模式切换的平滑无冲击。现有技术中自动、随动、应急越控三种模式间多采用硬切换，切换瞬间控制量突变易造成推进器冲击与船舶姿态波动。本方法针对自动与随动模式间的切换设计了指数衰减渐变过渡策略，使控制输出平滑收敛；针对应急越控则采用立即接管机制以确保安全优先级，兼顾了切换过程的平稳性与应急响应的即时性。

15、综上，本方法可以在全回转推进器双变量耦合特性与多变海况工况的联合约束下，通过自适应参数优化与模型预测补偿的协同作用实现航向控制指令的合理力矩分配及高精度保持，并保障多操舵模式切换的平滑无冲击。

16、优选地，s1中，所述nomoto一阶模型为：

17、；

18、其中，t为船舶操纵性时间常数；k为回转性指数；r为艏摇角速度；为等效舵角；

19、所述等效转换系数满足：

20、；

21、其中，为全回转推进器产生的艏摇力矩。

22、这样的设置，以简洁的一阶线性模型与等效转换系数构建了从控制指令到物理力矩的标准化映射通路，在保证实时性的同时为多环节协同控制奠定了可靠的模型基础。

23、优选地，s2中，所述根据所述横摇角的统计特征辨识当前海况等级，包括：

24、计算横摇角方差：

25、；

26、其中，为第i个横摇角采样值；为横摇角均值；n为采样点数；

27、当时，判定当前海况等级s = 1，代表平静海况；

28、当时，判定当前海况等级s = 2，代表中等海况；

29、当时，判定当前海况等级s = 3，代表恶劣海况；

30、其中，和分别为预设的第一标准差阈值和第二标准差阈值，且。

31、这样的设置，无需依赖外部气象传感器或复杂的波浪谱估计，仅利用船舶自身已有的横摇角信号即可实现在线、低算力消耗的海况辨识，为后续增益调度提供了可靠且易实现的工况判据。

32、优选地，s2中，所述通过增益调度计算当前控制周期的自适应pid控制参数，包括：

33、；

34、；

35、；

36、其中，、、为预设的基准pid控制参数；为海况修正因子；为航速修正因子；、、为当前控制周期的自适应pid控制参数。

37、这样的设置，相较于单一变量调度或查表法，以简洁的乘积结构同时兼顾了海况恶化时抑制振荡与航速变化时补偿操纵性差异的双重需求，且便于工程标定与在线实时计算。

38、优选地，所述海况修正因子在海况等级s = 1、s = 2、s = 3时分别取值为1.0、0.7和0.4；

39、所述航速修正因子为：

40、；

41、其中，为预设的参考航速；为当前航速。

42、这样的设置，海况修正因子随海况等级升高而阶梯式递减，使控制增益在恶劣海况下自动衰减以抑制波浪扰动引起的舵机频繁动作与航向振荡；航速修正因子采用单调递减有理函数形式，使高航速时增益自然降低以匹配船舶在高航速下操纵性灵敏、易超调的特性，低航速时增益回升以补偿舵效不足。

43、优选地，s2中，所述管道宽度w(s)根据海况等级s确定：

44、当s = 1时，管道宽度w(s) = ；

45、当s = 2时，管道宽度w(s) = ；

46、当s = 3时，管道宽度w(s) = ；

47、其中，、、为预设的对应海况等级的管道宽度阈值，且 <  < 。

48、这样的设置，以海况驱动的分级管道宽度调节机制，使航向保持控制的容差边界与实际海况相匹配，兼顾了恶劣海况下的精确跟踪与平静海况下的鲁棒性与设备保护。

49、优选地，s4中，所述求解预设步长内的艏摇角速度预测轨迹，并对所述艏摇角速度预测轨迹在预设步长内进行积分，包括：

50、假设等效舵角保持恒定，对nomoto一阶模型进行离散化求解，得到预测步长为tp时的艏摇角速度预测值：

51、；

52、其中，为当前艏摇角速度；tp为预测步长；t为船舶操纵性时间常数；为回转性指数；δeq(k)为当前等效舵角；

53、对艏摇角速度预测值进行积分，并于当前航向角叠加，得到预测航向角：

54、；

55、所述预测航向偏差为：

56、；

57、其中，为目标航向；

58、所述超前补偿控制量为：

59、；

60、其中，为预测补偿增益系数；

61、所述最终等效舵角为：

62、；

63、其中，为s3生成的等效舵角指令。

64、这样的设置，将预测航向与目标航向的偏差经增益放大后作为超前补偿量叠加至反馈舵角指令上，使控制器能够提前感知船舶惯性滞后带来的航向偏离趋势并主动施加修正，有效缓解了大惯性船舶航向控制中因响应迟滞导致的超调与振荡问题，且全程采用闭式解析解而非滚动优化，计算负担极低，满足实时嵌入式部署需求。

65、优选地，s5中，所述根据s3的航向偏差与预设偏差阈值计算分级系数，包括：

66、当时，= 1；

67、当时，；

68、当时， = 0。

69、其中，λ(eψ)为分级系数；为航向偏差；为预设大偏差阈值，为预设小偏差阈值，且 < 。

70、这样的设置，以双阈值分段线性分级系数实现了控制强度的连续、无冲击分级调节，将小偏差时的平稳保持与大偏差时的快速纠偏有机统一，兼顾了稳态精度、动态响应与舵机保护。

71、优选地，s5中，所述将所述所需艏摇力矩分解为推进器相对于当前状态的回转角度调整量和螺旋桨转速调整量，包括：

72、所述所需艏摇力矩为：

73、；

74、其中，为s4得到的最终等效舵角；为等效转换系数；

75、所述回转角度调整量为：

76、；

77、其中，为当前回转角度；为单步最大回转角变化量；为小偏差下的回转角增益；为符号函数；

78、所述螺旋桨转速调整量为：

79、；

80、其中，为当前转速；为航速保持补偿项；为转向转速补偿项；

81、δnspeed = kv·(vref - v(k))；

82、δnturn = kn·|αcmd(k) - α(k)|·v(k)；

83、其中，kv为航速补偿系数；vref为目标航速；v(k)为当前航速；kn为转向补偿系数；

84、当|eψ| < θdeadzone时判断航向偏差进入稳态，启用回转角归零控制：

85、αcmd(k) = α(k)·(1 - kreturn·δt)；

86、其中，θdeadzone为预设的死区阈值；kreturn为回转角衰减系数；δt为控制周期。

87、这样的设置，将所需艏摇力矩解耦为回转角度与螺旋桨转速两类执行机构的调整量，并通过前述分级系数在回转角控制中实现大偏差时按最大步长快速纠偏、小偏差时按比例精细调节的平滑过渡；转速指令同时叠加航速保持补偿项与转向能耗补偿项，使转向过程中因回转角变化引起的推力损失得到主动补偿以维持航速稳定；并在航向偏差进入死区后启用回转角指数衰减归零机制，使推进器自动回正以消除稳态下的寄生阻力与能耗。

88、优选地，s6中，所述操舵模式切换处理，包括：

89、在自动操舵模式与随动操舵模式之间切换时，按照以下指数衰减函数对控制量进行渐变过渡：

90、；

91、其中，为切换起始时刻的控制量；为目标模式的控制量；为预设的过渡时间常数；t为切换后经过的时间；

92、当时，判定切换完成；其中， 为预设的切换完成阈值；

93、在向应急越控操舵模式切换时，立即中断正在进行的渐变过渡，直接输出应急越控操舵模式的控制量；

94、从应急越控操舵模式切换至自动操舵模式或随动操舵模式时，经操作员确认解除后再执行切换。

95、这样的设置，以常态平滑过渡 + 应急瞬时直通 + 退出人工确认的分层切换策略，在操纵舒适性、应急响应速度与人机安全闭环之间取得了最优平衡。