多传感游艇航行姿态智能调控系统及方法与流程

本发明涉及航行姿态控制的，具体为多传感游艇航行姿态智能调控系统及方法。

背景技术：

1、在豪华游艇与高性能水面船舶领域，航行姿态的稳定性能直接决定船舶乘坐舒适性、航行安全性与燃油经济性；游艇作为典型的欠驱动水面船舶，通常仅依靠舵系统、减摇鳍、主推进器等有限执行机构，同时实现横摇、纵摇、艏摇三个自由度的姿态调控，系统本身存在强耦合动力学特性。随着航行航速、吃水状态与海洋环境的实时变化，水动力阻尼、附加质量等关键动力学参数呈现强时变非线性特征，进一步加剧了姿态控制的难度，对游艇姿态调控系统的环境适配性与控制精度提出了更高要求。目前，主流游艇航行姿态控制系统多基于线性定常水动力模型设计，采用传统反馈控制策略，配套单一惯性测量单元实现姿态感知。现有游艇航行姿态控制系统存在多方面不足：一是控制模型理想化，未充分考虑水动力参数随航速、海况的时变非线性特性，欠驱动系统多自由度耦合抑制效果差，高海况下控制精度衰减显著；二是传感体系单一，多源异构传感器缺乏统一时空基准，状态估计易受海面扰动干扰，难以精准感知环境扰动与自身姿态；三是以反馈控制为主，控制响应滞后于波浪、风场扰动，尤其在不规则波与工况突变场景下，补偿延迟导致姿态波动大；四是全航速域适配性差，低速与高速工况下控制性能波动大，模型自适应能力弱，不同船型、不同载荷状态下需重新调试参数，适配成本高、周期长。

2、公开号为cn121879361a、公开日期为2026.04.17的中国发明专利申请公开了一种适用于无人自航船的多源信息融合智能航行控制系统，通过设置数据采集模块，所述数据采集模块用于采集以自航船舶为原点的周围范围内的数据；数据处理模块，所述数据处理模块用于将数据采集模块采集的数据进行融合，绘制出以自航船舶为原点的实时地图数据，和姿态调整单元，所述姿态调整单元用于根据实时地图数据对自航船舶的航行姿态进行调整，通过数据处理模块和姿态调整单元实现了数据的云管边端计算，极大的降低了高精度的姿态控制对船舶自身算力的需求；然而以上技术方案不能解决航船横摇、纵摇、艏摇多自由度姿态控制耦合问题，降低了航船姿态控制的安全性。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、为解决上述现有游艇航行姿态控制系统存在多方面不足：一是控制模型理想化，未充分考虑水动力参数随航速、海况的时变非线性特性，欠驱动系统多自由度耦合抑制效果差，高海况下控制精度衰减显著；二是传感体系单一，多源异构传感器缺乏统一时空基准，状态估计易受海面扰动干扰，难以精准感知环境扰动与自身姿态；三是以反馈控制为主，控制响应滞后于波浪、风场扰动，尤其在不规则波与工况突变场景下，补偿延迟导致姿态波动大；四是全航速域适配性差，低速与高速工况下控制性能波动大，模型自适应能力弱，不同船型、不同载荷状态下需重新调试参数，适配成本高、周期长的问题，实现以上通过时变非线性水动力建模与多自由度解耦控制，结合多源传感融合状态估计，有效提升欠驱动游艇多自由度姿态控制精度；构建多维映射矩阵实现闭环自学习，引入工况前馈补偿机制，显著增强全航速域全海况下的游艇航行姿态稳定性与工况适配性的目的。

3、（二）技术方案

4、本发明通过以下技术方案予以实现：多传感游艇航行姿态智能调控方法，所述方法包括以下步骤：

5、s1、在梯度海况与航速工况下，采集游艇不同姿态运动下的时变水动力系数与姿态响应数据，建立水动力系数-姿态扰动基准数据库；结合欠驱动系统多自由度耦合特性，构建时变非线性水动力动力学模型，完成多源异构传感器的时空标定与同步校准；

6、s2、在典型稳态航行工况下，采集多传感器实时数据、姿态运动参数与执行器控制量数据，结合所述时变非线性水动力动力学模型，辨识传感特征-姿态状态-控制力矩的量化关联关系，构建传感-姿态-控制多维映射矩阵；

7、s3、在连续航行过程中，多源传感器在线实时采集游艇运动数据与环境扰动数据，进行多源融合状态估计，得到当前精准姿态参数与扰动特征参数，调用所述时变非线性水动力动力学模型与传感-姿态-控制多维映射矩阵，计算得到多自由度解耦控制力矩；

8、s4、计算当前姿态参数相对于预设姿态阈值的姿态相对偏离度；当所述姿态相对偏离度超出动态自适应偏差阈值时，调用所述传感-姿态-控制多维映射矩阵，基于执行器约束优化分配各执行器的控制力矩补偿量，下发至航行执行机构进行闭环调控，并同步更新所述传感-姿态-控制多维映射矩阵与水动力模型参数；当所述姿态相对偏离度未超出动态自适应偏差阈值时，将当前检测与控制数据平滑更新至所述传感-姿态-控制多维映射矩阵中；

9、s5、当检测到游艇航行工况干预动作时，调用所述传感-姿态-控制多维映射矩阵与时变非线性水动力动力学模型，计算所述工况干预动作引起的预期姿态波动量，将所述预期姿态波动量转化为前馈补偿信号叠加至姿态控制系统中。

10、优选的，所述s1中建立水动力系数-姿态扰动基准数据库的具体步骤包括：

11、s101、覆盖零速锚泊、低速巡航、中速航行、高速航行全航速段，以及1级至5级典型海况，制备多组梯度工况试验样本；

12、s102、对所有样本进行动力学响应测试，记录各工况下横摇角、纵摇角、艏摇角的幅值与频率，以及对应控制力矩的响应特性；

13、s103、将工况参数、水动力系数、姿态响应参数、控制力矩参数进行结构化存储，形成水动力系数-姿态扰动基准数据库。

14、优选的，所述s1中构建时变非线性水动力动力学模型与多传感标定的具体步骤包括：

15、s11、设置梯度航速与梯度海况试验组，每组对应恒定航速与等级海况，对目标游艇进行拖曳水池试验与实海航行试验，同步采集不同航速、不同吃水、不同浪级下的水动力阻尼系数、附加质量系数与横摇、纵摇、艏摇三自由度姿态响应数据；

16、s12、基于试验数据辨识水动力系数的时变特性，拟合水动力系数随航速、吃水、海况的非线性变化规律，结合欠驱动系统执行器配置约束，建立横摇-纵摇-艏摇三自由度耦合动力学模型；

17、s13、对惯性测量单元、卫星定位单元、风速风向仪、浪高仪、舵角传感器、推进器转速传感器多源异构传感器进行时间同步标定与空间坐标配准，建立统一时空基准下的传感数据采集体系。

18、优选的，所述s2中构建传感-姿态-控制多维映射矩阵时，还融合欠驱动执行器约束优化步骤：

19、根据各执行器的最大输出力矩、响应带宽与作用自由度，建立执行器性能约束边界，结合各自由度的姿态控制优先级，求解多目标优化下的力矩分配权重，对所述传感-姿态-控制多维映射矩阵中的控制量基准值进行约束修正，再对应匹配姿态控制效果。

20、优选的，所述s3中计算多自由度解耦控制力矩的具体步骤包括：

21、s31、在当前控制周期内，通过多源传感器采集游艇角加速度、线加速度、位置航向、风速风向、浪高浪向、舵角、推力数据；

22、s32、对多源传感数据进行时空配准、噪声滤波与特征提取，通过扩展卡尔曼融合算法进行状态估计，得到横摇、纵摇、艏摇三自由度的实时姿态角、角速度与扰动力矩估计值；

23、s33、将实时姿态参数与扰动特征参数输入时变非线性水动力动力学模型，结合传感-姿态-控制多维映射矩阵，通过自适应解耦控制算法输出得到三自由度解耦控制力矩。

24、优选的，所述s4的具体步骤包括：

25、s41、以预设姿态稳定阈值为基准值，计算当前实时姿态参数与基准值的差值占基准值的比例，得到姿态相对偏离度；

26、s42、判断所述姿态相对偏离度是否大于动态自适应偏差阈值；若是，则执行s43；若否，则执行s44；

27、s43、根据所述传感-姿态-控制多维映射矩阵中各执行器的控制权重，优先调整高权重核心执行器输出，基于姿态相对偏离度数值与权重比例计算各执行器的控制力矩微调补偿量，下发至对应航行执行机构进行闭环调控，并同步更新所述传感-姿态-控制多维映射矩阵与水动力模型参数；

28、s44、保持当前控制参数不变，利用预设的指数平滑公式将当前传感数据、姿态参数及控制量数据平滑更新至所述传感-姿态-控制多维映射矩阵中。

29、优选的，所述s43中在下发控制力矩微调补偿量之前，还包括执行器边界校验步骤：

30、s431、读取叠加控制力矩微调补偿量后的目标执行器输出值；

31、s432、判断所述目标执行器输出值是否落在预设的执行器允许输出区间内；若超出区间上限，则强制将控制力矩微调补偿量截断至区间上限对应的输出值；若低于区间下限，则强制将控制力矩微调补偿量截断至区间下限对应的输出值。

32、优选的，所述s5中的工况干预动作包括航速突变动作，具体步骤包括：

33、s51、通过船舶动力控制系统实时监测主机油门调节信号与航速设定指令；

34、s52、从所述传感-姿态-控制多维映射矩阵中提取对应目标航速的水动力特性系数，计算航速变化带来的预期纵摇角变化量与横摇阻尼变化量，作为预期姿态波动量；

35、s53、根据所述预期姿态波动量生成对应的前馈补偿信号，提前调整减摇鳍攻角与舵角，抵消航速突变带来的姿态波动。

36、优选的，所述s5中的工况干预动作还包括转向机动动作；

37、当检测到游艇转向指令时，根据转向角速度与目标舵角，计算转向离心力带来的预期横倾力矩与艏摇耦合力矩；将所述预期力矩代入所述传感-姿态-控制多维映射矩阵，得到预期姿态波动量，并生成对应的减摇鳍与侧推器前馈补偿信号下发至姿态控制系统。

38、多传感游艇航行姿态智能调控系统，用于实现所述多传感游艇航行姿态智能调控方法；所述系统包括：

39、游艇多源数据采集与预处理模块，用于采集水池试验与实船航行中的水动力数据、多源传感数据、姿态响应数据与执行器控制数据，并执行特征提取与噪声过滤，支撑水动力系数-姿态扰动基准数据库与时变非线性水动力动力学模型的构建；

40、姿态动力学基准模型与多维映射矩阵管理模块，用于构建、存储与动态更新水动力系数-姿态扰动基准数据库、时变非线性水动力动力学模型及传感-姿态-控制多维映射矩阵；

41、多自由度姿态解算与闭环调控模块，用于实时解算游艇多自由度姿态参数与姿态相对偏离度，并基于传感-姿态-控制多维映射矩阵执行控制力矩优化分配与闭环控制；

42、航行工况前馈补偿与执行驱动模块，用于监测游艇的工况干预动作，生成前馈补偿信号，并联合航行执行机构完成最终的姿态调控输出。

43、（三）有益效果

44、本发明提供了多传感游艇航行姿态智能调控系统及方法。具备以下有益效果：

45、一、通过构建水动力系数-姿态扰动基准数据库与时变非线性水动力动力学模型，奠定了精准控制的动力学基础；通过梯度工况试验辨识水动力系数的时变非线性规律，建立横摇-纵摇-艏摇三自由度耦合动力学模型，突破了传统线性定常模型的适配局限，可准确表征不同航速、不同海况下的游艇运动特性；同时完成多源异构传感器的时空标定与同步校准，构建传感-姿态-控制多维映射矩阵并融合执行器约束优化，实现了传感特征、姿态状态与控制力矩的量化关联，为后续在线游艇航行姿态控制提供了可靠的映射依据与约束边界。

46、二、通过多源传感融合与多自由度解耦控制算法，实现了高精度的实时姿态调控；采用扩展卡尔曼融合算法完成多源数据的状态估计，有效降低单一传感器的测量噪声与环境干扰，精准输出三自由度姿态参数与扰动力矩估计值；结合时变非线性动力学模型与多维映射矩阵，通过自适应解耦控制算法输出解耦控制力矩，有效抑制多自由度运动间的耦合干扰；同时基于姿态偏离度触发闭环调控，结合执行器边界校验保障控制安全，并通过平滑更新机制实现模型的在线自适应迭代，显著提升了游艇稳态航行工况下的姿态控制精度与系统鲁棒性。

47、三、通过工况前馈补偿机制，大幅提升了工况突变场景下的姿态稳定性；针对航行中航速突变、转向机动等典型工况干预动作，利用多维映射矩阵与时变水动力模型提前计算工况变动带来的预期姿态波动量，在工况执行的同一周期内将预期波动转化为前馈信号主动补偿至控制系统，提前化解工况变动带来的姿态冲击，解决了游艇航行姿态传统反馈控制的滞后性问题，保障了全航行过程中的游艇航行姿态控制平稳性。