一种基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法与流程

1.本发明涉及随机干扰与非线性船舶航向控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法。


背景技术：

2.船舶航向系统控制不但对能源成本和船员的劳动强度起作用，且对船舶的航行安全方面也起着重要的作用。由于船舶的载况、航速变化，船舶模型不确定性以及船舶控制器能力有限等船舶自身特性会引起船舶运动带有强非线性和输入舵角饱和的问题。此外，海上航行不可避免会受到复杂海况带来的不可预测的多种随机噪声叠加的影响(如风，洋流，潮汐等)，这也会对船舶航向控制造成困难。总之，智能船舶航向控制的发展对模型描述的准确度，系统控制的精度提出更高的要求。这使得智能船舶航向控制的研究存在巨大难点。
3.广义模糊双曲正切模型将传统模糊模型的结构辨识问题简化为确定对应的广义模糊变量个数问题，辨识的复杂性大大降低，辨识参数个数较少。广义模糊双曲正切模型与其他模糊模型相比，广义模糊双曲正切模型更加适合于非线性船舶航向控制系统，只要知道船舶航向角，航向角的变化速率与输入舵角之间的关系便可得到相应的逼近模型。
4.考虑船舶的海上航行受到的环境干扰是多种多样且复杂多变(如，风，浪，潮汐)，这些复杂干扰夹杂在一起无法单一的忽视与考虑且不可预知，均带有强随机性。复杂噪声存在导致航向系统控制器无法精准设计。


技术实现要素：

5.根据上述提出的技术问题，提供一种基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法。本发明能够有效对船舶海上航向进行安全，精准控制。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法，包括：
8.s1、结合船舶航向系统运动特性与外界随机干扰，建立存在复杂噪声的船舶航向系统运动模型；
9.s2、将船舶实际艏向角度与期望艏向角的差值作为输入，利用广义模糊双曲模型对所述舶航向系统运动模型中的非线性函数进行逼近，得到带有复杂噪声的智能模糊船舶航向控制模型；
10.s3、对船舶舵角输入限制进行补偿；
11.s4、设计用于容纳噪声的非线性船舶航向控制器。
12.进一步地，所述步骤s1的实现过程如下：
13.s11、获取电子海图与ais数据；
14.s12、根据获取的电子海图与ais数据，建立考虑复杂噪声干扰下的船舶航向系统运动模型，如下：
[0015][0016]
其中，x1为船舶航向，x2为船舶航向变化速度，k为船舶的回转性指数(每秒)，t为船舶的跟从性指数(秒),u为船舶舵角输入，存在输入限制；y表示系统输出；表示满足利普希兹条件的未知非线性项，是的非线性函数，近似表示为：为船舶非线性系数；p(x2)为符合满足利普希兹条件的函数；ξ代表航向环境中的随机干扰，满足如下条件n是个大于零的常数。
[0017]
进一步地，所述步骤s2的具体实现过程如下：
[0018]
s21、利用广义模糊双曲模型对输入变量进行线性变换，从而得到广义输入变量，如下：
[0019]
x＝[x1(t),x2(t),...,x
n
(t)]
t
[0020]
其中，x
i
＝x
z
‑
d
zj
，x
i
的个数为w
i
为将x
z
线性变换的个数，d
zj
为x
z
线性变换点；
[0021]
s22、利用广义模糊双曲模型对船舶航向控制模型中的非线性项进行逼近，得到如下描述：
[0022][0023][0024]
其中，为广义模糊双曲模型逼近误差，为最优参数向量，g
i
为根据广义模糊双曲正切模型所得逼近项；
[0025]
s23、得到基于广义模糊双曲模型且带有复杂噪声的智能模糊船舶航向控制模型，如下：
[0026][0027]
进一步地，所述步骤s3的具体实现过程如下：
[0028]
s31、输入限制的船舶舵角u，
‑
u
m
≤u≤u
m
，其中，
‑
u
m
和u
m
分别表示根据船舶海上航
行已知输入舵角u的最小值和最大值；
[0029]
s32、对输入限制的船舶舵角u进行饱和限制，得到输入值，如下：
[0030][0031]
其中，v表示整个系统要设计的控制输入。
[0032]
进一步地，所述步骤s4的具体实现过程如下：
[0033]
s41、基于所述智能模糊船舶航向控制模型，考虑经过饱和限制的船舶舵角，设计模糊自适应更新率，如下：
[0034][0035]
其中，z2表示误差变量，z2＝x2‑
α2，α2为设计的虚拟控制率，γ，ρ为大于零的设计参数；
[0036]
s42、结合设计的模糊自适应更新率，设计用于容纳噪声的非线性船舶航向控制器，如下：
[0037][0038]
其中，z1，z2为误差变量，e为辅助设计系统引入的补偿变量，θ为模糊自适应更新率，为根据广义模糊双曲正切模型逼近所得状态相关正切函数矩阵，c2为，p为外界环境变化引起的干扰函数，为虚拟控制率的导数，k2， c2为相关设计参数。
[0039]
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法。
[0040]
本发明还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法。
[0041]
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0042]
1、本发明提供的基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法，通过结合船舶航向系统运动特性与外界随机干扰，建立存在复杂噪声的船舶航向系统运动模型，并利用广义模糊双曲模型对所述舶航向系统运动模型中的非线性函数进行逼近，设计带有复杂噪声的智能模糊船舶航向控制模型；再对船舶舵角输入限制进行补偿，进而设计用于容纳噪声的非线性船舶航向控制器，该种方法能够有效对船舶海上航向进行安全，精准控制。
[0043]
2、本发明提供的基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法，由于广义模糊双曲模型具有较少的识别参数，因此可以简化传统船舶模糊模型的复杂度。广义模糊双曲模型gfhm更加适合于处理船舶这种所知变量不易测得且有限的多变量非线性系统。
[0044]
基于上述理由本发明可在随机干扰与非线性船舶航向控制等领域广泛推广。
附图说明
[0045]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0046]
图1为本发明方法流程图。
[0047]
图2为本发明实施例提供的带有复杂噪声的智能模糊船舶航向控制模型示意图。
[0048]
图3为本发明实施例提供的非线性船舶航向控制器示意图。
[0049]
图4为本发明实施例提供的船舶航向历时曲线。
[0050]
图5为本发明实施例提供的船舶航向跟踪误差历时曲线。
[0051]
图6为本发明实施例提供的船舶舵角历时曲线。
[0052]
图7为本发明实施例提供的船舶转首角速度历时曲线。
具体实施方式
[0053]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0054]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0055]
如图1所示，本发明提供了一种基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法，包括：
[0056]
s1、结合船舶航向系统运动特性与外界随机干扰，建立存在复杂噪声的船舶航向系统运动模型；
[0057]
s2、将船舶实际艏向角度与期望艏向角的差值作为输入，利用广义模糊双曲模型对所述舶航向系统运动模型中的非线性函数进行逼近，得到带有复杂噪声的智能模糊船舶航向控制模型；
[0058]
s3、对船舶舵角输入限制进行补偿；
[0059]
s4、设计用于容纳噪声的非线性船舶航向控制器。
[0060]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s1的实现过程如下：
[0061]
s11、获取电子海图与ais数据；本实施例中，通过数据采集单元来获取电子海图与ais数据，其中，数据采集单元包括卫星定位系统与船载gps及船载ais。
[0062]
s12、根据获取的电子海图与ais数据，建立考虑复杂噪声干扰下的船舶航向系统
运动模型，如下：
[0063][0064]
其中，x1为船舶航向，x2为船舶航向变化速度，k为船舶的回转性指数(每秒)，t为船舶的跟从性指数(秒),u为船舶舵角输入，存在输入限制；y表示系统输出；表示满足利普希兹条件的未知非线性项，是的非线性函数，近似表示为：为船舶非线性系数；p(x2)为符合满足利普希兹条件的函数；ξ代表航向环境中的随机干扰，满足如下条件n是个大于零的常数。在本实施例中，考虑复杂噪声干扰包括考虑实际航行环境下存在的复杂噪声干扰，如风，浪，流，潮汐等。
[0065]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s2的具体实现过程如下：
[0066]
s21、利用广义模糊双曲模型对输入变量进行线性变换，从而得到广义输入变量，如下：
[0067]
x＝[x1(t),x2(t),...,x
n
(t)]
t
[0068]
其中，x
i
＝x
z
‑
d
zj
，x
i
的个数为w
i
为将x
z
线性变换的个数，d
zj
为x
z
线性变换点；在本实施例中，采集船舶罗经设备中船舶实际艏向角度与期望艏向角差值作为输入。
[0069]
s22、利用广义模糊双曲模型对船舶航向控制模型中的非线性项进行逼近，得到如下描述：
[0070][0071][0072]
其中，为广义模糊双曲模型逼近误差，为最优参数向量，g
i
为根据广义模糊双曲正切模型所得逼近项；
[0073]
s23、如图2所示，得到基于广义模糊双曲模型且带有复杂噪声的智能模糊船舶航向控制模型，如下：
[0074]
[0075]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s3的具体实现过程如下：
[0076]
s31、输入限制的船舶舵角u，
‑
u
m
≤u≤u
m
，其中，
‑
u
m
和u
m
分别表示根据船舶海上航行已知输入舵角u的最小值和最大值(船舶舵角最大幅度一般为35
°
)；
[0077]
s32、对输入限制的船舶舵角u进行饱和限制，得到输入值，如下：
[0078][0079]
其中，v表示整个系统要设计的控制输入。在本实施例中，还包括另一种实施方式，将经过饱和限制得到输入值与“中间控制器”的输出进行比较，把比较的误差信号“反馈”到辅助补偿模块，从而循环地对船舶舵角输入限制进行补偿。
[0080]
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤s4的具体实现过程如下：
[0081]
s41、基于所述智能模糊船舶航向控制模型，考虑经过饱和限制的船舶舵角，设计模糊自适应更新率，如下：
[0082][0083]
其中，z2表示误差变量，z2＝x2‑
α2，α2为设计的虚拟控制率，γ，ρ为大于零的设计参数；
[0084]
s42、结合设计的模糊自适应更新率，如图3所示，设计用于容纳噪声的非线性船舶航向控制器，如下：
[0085][0086]
其中，z1，z2为误差变量，e为辅助设计系统引入的补偿变量，θ为模糊自适应更新率，为根据广义模糊双曲正切模型逼近所得状态相关正切函数矩阵，c2为，p为外界环境变化引起的干扰函数，为虚拟控制率的导数，k2， c2为相关设计参数。
[0087]
为了验证本发明方法的有效性，进行了仿真实验，实验结果如图4
‑
7所示，仿真结果表明，该算法可以有效地控制船舶航向。
[0088]
本技术实施例还公开了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法。
[0089]
本技术实施例还公开了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述基于广义模糊双曲模型控制存在复杂噪声的船舶航向系统的方法。
[0090]
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
[0091]
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0092]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之
间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0093]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0094]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0095]
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、只读存储器(rom，read
‑
only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0096]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。