滤波经验规划转筒帆船双层触发控制方法、装置及设备

本发明涉及船舶运动控制研究领域，具体涉及一种滤波经验规划转筒帆船双层触发控制方法、装置及设备。

背景技术：

1、随着航运领域对节能减排的需求加深，转筒帆船（rotor-assisted vessels，rav）因其高效的能源利用率而受到广泛关注。rav依靠马格努斯效应，在旋翼旋转时产生压力差，从而生成辅助风推力，是一种高效节能的推进方案。现有研究通过优化转筒布局已显著提升了气动性能，但在船舶航行中，转筒、船体与海洋扰动之间存在强烈的相互耦合，因此随机海洋干扰下的rav路径跟踪控制问题仍存在以下两方面问题：

2、首先，针对欠驱动无人船舶路径跟踪控制问题，传统的经验回放型自适应动态规划算法通常需要以持续激励（persistent of excitation，pe）作为网络参数收敛的前提条件。持续激励条件本质上要求系统运行全程的状态与控制信号具备足够的频谱丰富度，才能支撑评价网络对价值函数的拟合逐步收敛至全局最优解。这一硬性约束会导致系统状态和控制输入出现不必要的往复振荡，不仅会增加船舶推进系统的无效能耗与机械磨损，还会直接造成系统鲁棒性下降以及轨迹跟踪精度降低。

3、其次，现有事件触发条件大多采用基于瞬时状态的单层触发机制，仅依靠当前采样时刻的状态偏差与阈值的比对结果判断是否更新控制律。这类触发逻辑难以有效区分系统稳态偏差与短时海洋扰动引发的瞬时偏差。因此该类机制普遍存在错误触发和触发震荡等问题，针对瞬时海洋干扰的抵抗性较低，最终会导致船舶长时间航行的控制精度降低，执行器磨损的改善程度十分有限。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的在线学习收敛条件苛刻导致系统振荡以及事件触发机制阈值突变导致执行器频繁磨损的问题，本技术通过一种滤波经验规划转筒帆船双层触发控制方法、装置及设备，实现了在复杂海洋环境下兼顾高精度路径跟踪、在线学习稳定性与执行器保护的综合控制。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种滤波经验规划转筒帆船双层触发控制方法，包括以下步骤：

4、s1、构建转筒帆船三自由度实船运动模型，所述转筒帆船三自由度实船运动模型包括转筒帆辅助推力项、未知非线性动力学与海洋时变扰动项；

5、s2、根据航行任务设置航路点信息，基于l1的虚拟船舶制导原理构建虚拟船运动学数学模型，基于所述虚拟船运动学数学模型获取虚拟船的参考路径；

6、s3、基于转筒帆船三自由度实船运动模型获取船舶状态数据，基于船舶状态数据和参考路径确定路径跟踪误差；所述路径跟踪误差包括位置误差和艏向角误差，基于所述路径跟踪误差生成虚拟控制律；

7、s4、基于动态面控制对所述虚拟控制律进行滤波处理，生成动态面信号，并根据动态面信号计算获取动力学误差；

8、s5、通过评价网络逼近系统不确定项，所述评价网络的权重基于滤波累积型经验回放机制更新；基于更新后的评价网络和所述动力学误差通过自适应律在线估计执行器增益以生成初始控制策略；

9、s6、基于包含状态累积因子的双层动态积分事件触发条件，判断是否需要对所述初始控制策略进行更新，当满足所述触发条件时，更新并输出控制指令至执行机构，以控制所述船舶进行路径跟踪。

10、进一步地，所述三自由度实船运动模型如公式（1）所示：

11、               (1)

12、其中，表示转筒帆船在惯性坐标系中的平面位置，表示转筒帆船在惯性坐标系中的艏向角，表示转筒帆船在附体坐标系中的前进速度、横漂速度和艏摇角速度，、和表示正惯性质量系数，、和表示转筒帆船在前进、横漂和艏摇自由度上的模型不确定项，、和表示在前进、横漂和艏摇方向的海洋环境扰动，螺旋桨推力满足，其中为螺旋桨转速，艏摇力矩定义为，其中为舵角，系数和表示系统执行器的增益函数，表示转筒帆辅助推力；

13、所述转筒帆辅助推力根据公式（2）计算：

14、                (2)

15、其中，表示空气密度，和分别表示视风速度和视风向，表示转筒帆的最大投影面积，分别表示转筒帆的升力和阻力系数。

16、进一步地，所述虚拟船运动学数学模型如公式（3）所示：

17、                         (3)

18、其中，和分别表示虚拟船的位置和艏向角，为虚拟船的前进速度，表示虚拟船的艏摇角速度；

19、基于所述虚拟船运动学数学模型获取虚拟船的参考路径，包括：

20、根据航路点信息，采用直线段和圆弧段形式对各个相邻航路点进行平滑连接，生成参考路径；其中，直线段和圆弧段均根据相邻航路点间的转向角确定；

21、将虚拟船相对于实船的方位角作为制导率，如公式（4）所示：

22、    (4)

23、式中，为虚拟船的位置坐标，为实船的位置坐标，为符号函数；

24、根据参考路径所属的区间类型即直线段或圆弧段，采用虚拟船与航路点之间连接线的垂直距离作为判据，当为正时，生成一个垂直于前进速度的侧向速度：

25、对于直线段而言，所述侧向速度根据公式（5）确定：

26、   （5）

27、式中，为虚拟船的前进速度，表示虚拟船当前位置与期望轨迹上参考点之间的前视距离，表示虚拟船速度矢量与连线之间的夹角，其中，表示虚拟船的期望艏向角，为与轴之间的夹角，其中表示航海坐标系中的横轴；

28、对于圆弧段，所述侧向速度根据公式（6）确定：

29、          （6）

30、

31、其中，表示第个航路点的圆弧段的虚拟船前进速度，表示第个航路点的圆弧段时虚拟船前进速度与连线之间的夹角，为圆弧半径。

32、进一步地，基于所述路径跟踪误差生成虚拟控制律，包括：

33、根据公式（7）构建计位置误差和艏向误差的虚拟控制律：

34、

35、     (7)

36、其中，为位置误差，为艏向角误差和为正设计参数，为超调常量，表示制导率。

37、进一步地，基于动态面控制对所述虚拟控制律进行滤波处理，生成动态面信号，并根据动态面信号计算获取动力学误差，包括：

38、根据公式（8）进行动态面控制：

39、

40、                (8)

41、其中，为大于零的滤波时间常数，表示前进和艏摇自由度上的动态面信号；

42、定义前进和艏摇自由度上的动力学误差为和。

43、进一步地，通过评价网络逼近系统不确定项，所述评价网络的权重基于滤波累积型经验回放机制更新；基于更新后的评价网络和所述动力学误差通过自适应律在线估计执行器增益以生成初始控制策略，包括：

44、根据公式（9）对所述前进和艏摇自由度上的动力学误差进行求导：

45、

46、                  (9)

47、式中，和表示综合的不确定项，通过公式（10）进行评论网络的在线逼近：

48、              (10)

49、式中，分别表示前进和艏摇自由度上的评论网络权重，表示对应的高斯函数，、表示逼近误差，分别表示前进和艏摇自由度上的评论网络权重的估计；

50、构造前进和艏摇自由度上的自适应函数和的估计值和用于补偿执行器增益中的固有不确定性，进而根据公式（11）给出执行器控制律，并根据公式（12）给出相应的自适应律为式：

51、

52、             (11)

53、

54、             (12）

55、式中，为正的设计参数，为综合推力，表示为，表示高斯函数的偏导数，表示螺旋桨转速。

56、进一步地，根据公式（13）给出评论网络的权重更新律：

57、

58、                (13)

59、其中，为正设计参数，满足式(14)，

60、

61、          (14)

62、式中，，，，为滤波信号，由式(15)表示：

63、

64、

65、(15)

66、式中，，，，。

67、进一步地，基于包含状态累积因子的双层动态积分事件触发条件，对所述初始控制策略进行触发评估，响应于满足所述触发条件，更新并输出控制指令至执行机构，以控制所述船舶进行路径跟踪，包括：

68、引入状态累积因子根据式(16)-式(18)实现所述双层动态积分事件触发：

69、

70、               (16)

71、触发条件为

72、

73、              (17)

74、状态累计因子，和动态积分项，表示为

75、

76、

77、

78、       (18)

79、式中，表示正设计参数，为系统输出误差和，和表示输入误差，和为时刻和时的螺旋桨转速和舵角，和为时刻和时的螺旋桨转速和舵角。

80、本发明还公开了一种滤波经验规划转筒帆船双层触发控制装置，用于实现上述任意一项所述的方法，包括：

81、运动模型构建单元，其用于构建转筒帆船三自由度实船运动模型，所述转筒帆船三自由度实船运动模型包括转筒帆辅助推力、未知非线性动力学与海洋时变扰动；

82、参考路径获取单元，其用于根据航行任务设置航路点信息，基于l1的虚拟船舶制导原理构建虚拟船运动学数学模型，基于所述虚拟船运动学数学模型获取虚拟船的参考路径；

83、虚拟控制律生成单元，其用于基于转筒帆船三自由度实船运动模型获取船舶状态数据，基于船舶状态数据和参考路径确定路径跟踪误差；所述路径跟踪误差包括位置误差和艏向角误差，基于所述路径跟踪误差生成虚拟控制律；

84、动力学误差获取单元，其用于基于动态面控制对所述虚拟控制律进行滤波处理，生成动态面信号，并根据动态面信号计算获取动力学误差；

85、控制策略生成单元，其用于通过评价网络逼近系统不确定项，所述评价网络的权重基于滤波累积型经验回放机制更新；基于更新后的评价网络和所述动力学误差通过自适应律在线估计执行器增益以生成控制策略；

86、路径跟踪单元，其用于基于包含状态累积因子的双层动态积分事件触发条件，对所述控制策略进行触发评估，响应于满足所述触发条件，更新并输出控制指令至执行机构，以控制所述船舶进行路径跟踪。

87、本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的一种滤波经验规划转筒帆船双层触发控制方法的步骤。

88、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

89、1、本发明针对rav路径跟踪问题，提出了一种滤波经验规划转筒帆船双层触发控制方法。该方法首先通过构建转筒帆船三自由度实船运动模型和基于l1虚拟船制导原理的虚拟船运动学数学模型获取参考路径，进而确定包含位置误差和艏向角误差的路径跟踪误差并生成虚拟控制律；随后基于动态面控制对虚拟控制律进行滤波处理以生成动力学误差，并通过评价网络逼近系统不确定项，其中评价网络的权重基于滤波累积型经验回放机制更新，有效将瞬时信号转换为累积信号，缓解在线学习中严格的持续激励条件；同时基于更新后的评价网络和动力学误差通过自适应律在线估计执行器增益以生成初始控制策略，最终基于包含状态累积因子的双层动态积分事件触发条件对初始控制策略进行触发评估，在满足触发条件时更新并输出控制指令。由此，本发明能够在复杂海洋环境下兼顾高精度路径跟踪、在线学习稳定性与执行器保护，显著提升船舶运行的稳定性与鲁棒性。

90、2、本发明提出一种双层动态积分事件触发机制，实现控制指令的平滑触发，有效解决执行器频繁动作带来的机械疲劳问题，同时增强系统的抗干扰能力，最终实现16.56%的能耗降低，更适配实际海洋航行场景的工程应用需求。