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原文传递异质船舶编队过闸协同控制方法研究

论文题名：	异质船舶编队过闸协同控制方法研究
关键词：	船舶编队;船闸水域;船舶操纵性;模型预测控制;船舶运动建模
摘要：	船闸是内河航运基础性控制节点，开展船舶编队航行控制是实现提高船闸水域通航安全性和效率的重要手段。针对船闸水域船舶编队航行具有的区域受限、间距紧密、操纵困难等特点，本文重点研究了考虑操纵性异质的船舶编队过闸航行控制问题，设计了适用于船闸水域的船舶编队航行上层集中控制和下层运动控制器，提出了基于模型预测控制的船舶编队航行控制方法，并在仿真环境下进行了验证。　　主要研究工作和成果如下：　　（1）针对船舶过闸运动问题进行建模，将运动学、动力学及期望轨迹特征依托于惯性坐标系、随体坐标系及SF坐标系进行了描述。对比现有的各种船舶运动模型的基础上，选取Fossen水动力模型作为仿真对象。针对纵向航速控制问题又对其进一步解耦，得到直航运动模型，针对编队协同问题，对其进行间距、方位角建模，得到船闸水域船舶编队模型，为后续控制研究提供条件。　　（2）针对船舶纵向入闸的航速协同控制问题，采用速度-时间法和速度-位移法两种方法设定参考速度，完成单船停船动作MPC控制器设计，并在领航船按照上述两种方法完成停船的前提下，加入跟随船运动，设计三船协同停船运动MPC控制器，最后仿真验证了停船协同控制的有效性。通过用设计的经济、平顺及航行效率指标对两种参考速度设定方法进行对比，速度-位移法有更好的经济性，但速度-时间法通航效率有显著优势。　　（3）利用船舶模型对船舶操纵性的各种影响因素进行了验证，验证结果表明，制动力极限、制动力增量和船舶装载量均会对船舶刹停距离产生影响，其中，船舶装载量产生的影响最为显著；回转力矩对船舶航速有着显著影响，回转力矩越大，回转降速越多；而回转力矩极限会对船舶回转直径产生影响，是否全驱动对回转直径的影响不大。基于以上验证提出异质性指标，用于在控制器中体现个体船舶操纵性差异。　　（4）选取三峡船闸作为研究场景，建立场景模型，划定四个阶段的任务设定，根据是不同阶段的任务需求设计各阶段的控制参考量，并设置任务切换选项。从设计随操纵性变化的动态船间距参考值以及目标函数中对操纵性指标差值进行最优化求解两方面体现操纵性异质，设计了考虑操纵性异质的传播编队协同过闸控制器，仿真验证了控制器对船舶过闸航行控制的有效性。　　船闸水域内船舶航行工况复杂，采用编队过闸策略能够有效提供船舶航行效率及安全性。在船闸内航行时，船舶的个体操纵性异质对于船舶编队航行有着重要影响，在过闸任务的整体规划中加入有关操纵性异质的设计，能够在编队队形及船舶间距方面更好地保证编队航行的安全性，对于过闸航行研究有着重要意义。
作者：	雷超凡
专业：	交通运输工程
导师：	初秀民;柳晨光
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022