船舶軌跡跟蹤屬於廣義上的船舶動力定位，具體來說，是船舶在規定的時間內通過軌跡跟蹤系統的控制到達原本設定的位置上。具有高性能的軌跡跟蹤能力的控制器是水面船舶所需要的。設計水面船舶的控制器是富有挑戰性的，動力學模型的不確定性、強大的海洋擾動、模型的欠驅動性、運動學上的不完全約束，這些是設計者在設計水面船舶軌跡跟蹤控制器時必須要處理的問題。目前國際上對該問題從理論到試驗方面都做了大量的研究，在理論分析、數值計算及實驗驗證等方面取得較為豐碩的成果。
基本介紹
- 中文名：船舶軌跡跟蹤控制
- 外文名：Trajectory tracking control of ships
- 領域：船舶運動控制
- 專業：海洋工程
- 套用：航海、搜救等
- 作用：使得船舶按設定路線運動
名詞解釋,研究發展,全驅動船舶的軌跡跟蹤,欠驅動船舶的軌跡跟蹤,未來研究熱點,
名詞解釋
從上世紀六七十年代起，動力定位系統（DPS）的研究和套用已成為海洋工程領域中的重要課題。DPS 是一個很複雜的系統，主要有位置測量和感測器系統、控制系統、推力系統和動力系統4 個子系統。挖泥船、拖曳船、鋪管船和風電安裝船等海洋工程工作船在各自作業時需要保持在一定的位置上，或者要按預先設定的軌跡精確地移動。具備動力定位能力的船舶在全方位上都會有足夠的推進力來進行準確的定位和位置跟蹤。
船舶軌跡跟蹤屬於廣義上的船舶動力定位，跟動力定位一樣，其跟蹤成本不隨水深而增加。研究軌跡跟蹤目的就是希望船舶或者平台能夠按照操縱者的意願或者設定的軌跡路線運動，從而能實現安全性和效益最大化。軌跡跟蹤更具體來說是船舶在規定的時間內，到達原本設定的位置上。
具有高性能的軌跡跟蹤能力的控制器是水面船舶所需要的。設計水面船舶的控制器是富有挑戰性的，動力學模型的不確定性、強大的海洋擾動、模型的欠驅動性、運動學上的不完全約束，這些是設計者在設計水面船舶軌跡跟蹤控制器時必須要處理的問題。目前國際上對該問題從理論到試驗方面都做了大量的研究，在理論分析、數值計算及實驗驗證等方面取得較為豐碩的成果。其中挪威和美國總體上處於領先水平，國內對此領域的探索還處於理論研究和數值計算的起步階段，尚待展開深入全面的研究。
研究發展
常規水面船舶一般分為全驅動船舶與欠驅動船舶。全驅動船舶主要指其控制系統位形空間的
維數與系統控制輸入向量張成空間的維數相同，即針對不同的位形狀態，均有與之相對應的控制器對其進行控制，以實現一一對應的控制關係的船舶。挖泥船、拖曳船和鋪管船等船型是典型的全驅動船舶。欠驅動船舶的控制輸入維數少於船舶自由度，即船舶控制系統可通過較少的控制輸入來確定維數較多的位形空間，具有本質非線性、非完整特性、外界干擾和模型不確定性等特徵，其控制問題解決較有難度。
無約束的船舶具有6 個自由度的運動特徵，具有DP 系統的船舶，只需考慮控制水平面3 個自由度的運動，縱盪、橫盪、艏搖。利用位置參考系統得到船舶目前的位置和艏向角，帶有控制系統的計算機根據位置信息與目標軌跡的差距以及船舶周圍的環境干擾力來計算船舶所需推力和艏向角，向推力系統發出信號，使船舶在推力系統產生的推力作用下向目標軌跡航行。動力定位需要的是定在一個相對固定的位置點上，而軌跡跟蹤的定位目標是與時間有關的一系列移動點。對於具有動力定位能力的船舶，實現軌跡跟蹤的關鍵在於控制系統。
全驅動船舶的軌跡跟蹤
鑒於船舶運動方程的非線性，一些學者利用反步法和李雅普諾夫理論解決DP 問題。挪威的Husa 等研究非線性路徑點跟蹤，設定的軌跡是既有直線也有圓弧線，基於反步法設計一種平穩的非線性控制律，避免了直線和圓弧的轉折問題，通過積分計算來補償船舶所受到的低頻風流和一階波浪力。
除了在理論分析和數值計算的方法對船舶軌跡跟蹤進行研究，而模型試驗及實船套用也已實現。挪威的Michiel Wondergem提出了只考慮位置和航向的輸出反饋跟蹤控制，還提出了觀測器-控制器組合。考慮了包括科氏力、向心力和非線性阻尼在內的船舶完整動力學，得到半局一致穩定閉環系統。除了理論分析及數值仿真，還對全驅動船模CyberShip II進行模型試驗，從模型試驗的過程和結果更能反映模型能夠基本實現軌跡跟蹤。
欠驅動船舶的軌跡跟蹤
軌跡跟蹤研究早期，Walsh 對非完整性系統進行了研究，在期望軌跡周圍將非線性系統簡化成一個隨時間步長時變的線性化系統，隨後用一個線性控制律就可以穩定控制，得出的結果跟期望軌跡非常接近。然而一些學者指出運用線性化、線性控制理論或者典型的非線性如前饋線性化是用來解決狀態穩定問題。Reyhanogh指出一個不連續的前饋控制律有可能在確定的假設原始值下為期望平衡點提供指數收斂。
Pettersen 等發現無論是通過連續狀態反饋還是非連續狀態反饋都無法使欠驅動船舶達到漸近定，但有局部明顯漸進和短時間局部可控，提出的連續周期時變反饋控制律可以使期望平衡點指數收斂，並用數值仿真的方法實現；Pettersen 和Nijmeijer提出一種基於積分反步法和平均方法相結合的反饋控制律，同時跟蹤控制船的位置和艏向，並且提供全局指數實用穩定性，數值仿真結果顯示該控制律是可行的。同年12 月，根據前面提出的控制律，將不考慮漂移的鏈式形式系統的跟蹤控制完善為考慮漂移船舶的跟蹤控制器，同時，還證明了理想軌跡的半全局指數穩定性。1999 年，基於非線性船舶模型的全狀態跟蹤控制器可以同時控制位置變數和航向角，也希望能對任意參考軌跡小範圍內提供全局指數實用穩定性，但是當時沒有實現指數穩定。2001 年，基於所有狀態變數對前饋是有用的假設下，得到狀態跟蹤控制器，在不那么嚴格限制控制參數的情況下能得到指數穩定，並且對一艘1：70 的船模Cybership I 進行軌跡跟蹤試驗。隨後，他們繼續提出一種控制艏搖扭矩來實現Way-point跟蹤控制方法，同時，利用級聯方法得到一種全狀態反饋控制律，保證船舶艏向和航向誤差能夠實現全局鎮定。
未來研究熱點
今後的研究熱點及進一步的擴展主要集中在幾個方面:
( 1) 深入完善理論基礎，找到表達準確、易於實現的運動模型或者使運動模型實現的處理方法。
( 2) 研究使軌跡跟蹤更精準的控制方法，同時也能保持船舶處於穩定狀態。
( 3) 在理論分析和數值仿真的基礎上，從模型試驗的方法進行研究。
( 4) 無論是數值仿真還是模型實現，目前的目標軌跡都是簡單的軌跡線，可以嘗試實現較複雜的軌跡。
