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一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法及其系统

阅读：395发布：2021-02-25

IPRDB可以提供一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法及其系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法及其系统，涉及无人船控制领域，主要包括如下步骤：1)无人船携带传感器，从海面油膜获得传感数据，处理得到溢油模型参数和运动模型参数；2)根据两模型参数计算得到无人船运动学控制率；3)基于反馈线性化方法对无人船运动学控制率处理，获得无人船动力学控制率，进而得到无人船的搜寻数据，从而驱动无人船搜寻海面溢油源头；本发明具有实时性、自适应性和鲁棒性，实现无人船对广域海面溢油扩散源头的迅速随机追溯。，下面是一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法及其系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法，其特征在于，方法步骤包括：

1)无人船上设置有传感器、扩散-对流模块、无人船运动处理器、状态观测器、随机搜索策略模块和前驱动动力处理器，通过传感器检测溢油海面传感数据；基于传感数据，通过扩散-对流模块处理得到溢油模型参数，通过无人船运动处理器得到运动模型参数；

2)基于溢油模型参数和运动模型参数，所述无人船运动处理器获得无人船质心运动学模型，与扩散-对流模块的溢油羽锋处理模型相结合，得到状态观测器的状态方程和观测方程；将状态观测器与随机搜索策略模块联合处理，求得无人船运动学控制率；

3)前驱动动力处理器基于反馈线性化方法对无人船运动学控制率处理，获得无人船动力学控制率，进而得到无人船的搜寻数据，所述搜寻数据包括无人船推动力和运动方向，根据搜寻数据驱动无人船搜寻海面溢油源头。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤1)中，所述传感器包括360°随机摆动的搜索摇杆，所述传感数据包括油膜浓度和流场速度；所述溢油模型参数包括溢油浓度的梯度和散度。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

a.扩散-对流模块通过如下溢油羽锋处理模型处理：

其中，为溢油浓度，和为溢油浓度的梯度和散度；k和v分别表示扩散系数和流场速度矢量，为待测的参数向量；

b.无人船运动处理器通过如下无人船质心运动学处理模型处理：

其中，xr＝[xr1，xr2]T表示无人船质心位置，φ为其偏航角，η＝[η1，η2]T为无人船输入的运动学控制率。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，无人船状态观测器处理的状态方程和观测方程依次为：其中，G表示沿着溢油羽锋的法线方向的投影矩阵。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用随机搜索策略模块通过如下处理方法与状态观测器联合获得无人船运动学控制率，其中，u＝η，w为满足平均律的随机搜索项。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，状态观测器通过如下处理方法获得随机搜索项w，

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤3)中，前驱动动力处理器通过如下处理方法将无人船运动学控制率作反馈线性化处理，获得无人船动力学控制率，其中，表示无人船推动力，z表示无人船上除质心外参考点位置，表示参考点运动方程，参数E和F跟无人船质心与参考点的距离l和偏航角φ相关。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，前驱动动力处理器通过如下相关关系对参数E和F进行处理：并且，将计算所得到的运动无人船推动力无人船质心与参考点距离l和偏航角φ施加到无人船控制机构后驱动无人船自主搜索溢油源头。

9.一种采用如权利要求1-8中任一项所述海面溢油随机溯源跟踪控制方法的海面溢油随机溯源跟踪控制系统。

说明书全文

一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法及其系统

技术领域

[0001] 本发明涉及无人船控制领域，具体涉及一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法及其系统。

背景技术

[0002] 无人船技术是一种综合了计算机、控制论、结构学、信息和传感技术，以及人工智能、仿生学到等多学科而形成的高新技术。当前，对于无人船的研究十分活跃并被日益运用到广泛的技术领域当中。因其应用涉及海上的溢油监测，无人船技术越来越受到学术界和工业界的关注。

[0003] 现有海上溢油监测有三种方法：基于地图构建的方法，基于溢油行为的方法和基于控制的方法。传统基于控制的溯源跟踪控制方法多采用梯度上升的方法。然而，仅考虑梯度上升的溯源控制方法往往难以得到准确的模型参数。与此同时，单纯依赖梯度上升法，溯源过程中搜索范围有限，跟踪速度和精度也难以保证。尤其，对于大尺寸海域溢油追踪存在严重的模型误差。因此，亟需一种更为精准迅速的广域溢油源头追溯控制方法。

发明内容

[0004] 为解决上述现有技术的问题，利用扰动理论和平均原理，基于随机搜索策略，本发明提出一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法，实现无人船对广域海面溢油扩散源头的迅速随机追溯，具有实时性、自适应性和鲁棒性的特点。

[0005] 一种海面溢油的随机溯源跟踪控制方法，方法步骤包括：

[0006] 1)无人船上设置有传感器、扩散-对流模块、无人船运动处理器、状态观测器、随机搜索策略模块和前驱动动力处理器，通过传感器检测溢油海面传感数据；基于传感数据，通过扩散-对流模块处理得到溢油模型参数，通过无人船运动处理器得到运动模型参数；

[0007] 2)基于溢油模型参数和运动模型参数，所述无人船运动处理器获得无人船质心运动学模型，与扩散-对流模块的溢油羽锋处理模型相结合，得到状态观测器的状态方程和观测方程；将状态观测器与随机搜索策略模块联合处理，求得无人船运动学控制率；

[0008] 3)前驱动动力处理器基于反馈线性化方法对无人船运动学控制率处理，获得无人船动力学控制率，进而得到无人船的搜寻数据，所述搜寻数据包括无人船推动力和运动方向，根据搜寻数据驱动无人船搜寻海面溢油源头。

[0009] 在步骤1)中，所述传感器包括360°随机摆动的搜索摇杆，所述传感数据包括油膜浓度和流场速度；所述溢油模型参数包括溢油浓度的梯度和散度。

[0010] 更优选的，a.扩散-对流模块通过如下溢油羽锋处理模型处理：

[0011]

[0012] 其中，为溢油浓度，和为溢油浓度的梯度和散度；k和v分别表示扩散系数和流场速度矢量，为待测的参数向量；

[0013] b.无人船运动处理器通过如下无人船质心运动学处理模型处理：

[0014]

[0015] 其中，xr＝[xr1，xr2]T表示无人船质心位置，φ为其偏航角，η＝[η1，η2]T为无人船输入的运动学控制率。

[0016] 优选的，无人船状态观测器处理的状态方程和观测方程依次为：

[0017]

[0018]

[0019] 其中，G表示沿着溢油羽锋的法线方向的投影矩阵。

[0020] 进一步，利用随机搜索策略模块通过如下处理方法与状态观测器联合获得无人船运动学控制率，

[0021]

[0022] 其中，u＝η，w为满足平均律的随机搜索项。

[0023] 优选的，状态观测器通过如下处理方法获得随机搜索项w，

[0024]

[0025] 进一步，在步骤3)中，前驱动动力处理器通过如下处理方法将无人船运动学控制率作反馈线性化处理，获得无人船动力学控制率，

[0026]

[0027] 其中，τ′表示无人船推动力，z表示无人船上除质心外参考点位置，表示参考点运动方程，参数E和F跟无人船质心与参考点的距离l和偏航角φ相关。

[0028] 优选的，前驱动动力处理器通过如下相关关系对参数E和F进行处理：

[0029]

[0030] 并且，将计算所得到的运动无人船推动力τ＇、无人船质心与参考点距离l和偏航角φ施加到无人船控制机构后驱动无人船自主搜索溢油源头。

[0031] 同时，本发明还提供一种采用上述海面溢油随机溯源跟踪控制方法的海面溢油随机溯源跟踪控制系统。

[0032] 本发明综合技术方案及综合效果包括：

[0033] 本发明对于大尺寸海域的基于无人船的溢油溯源跟踪控制，具有实时性、自适应性和鲁棒性，利用扰动理论和平均原理，进行运动控制率建模和反馈线性化处理，能在实现无人船对广域溢油源头的随机搜索和快速追溯，显著提高溯源效率和控制精度。

附图说明

[0034] 图1为本发明海面溢油的随机溯源跟踪控制方法流程框图。

[0035] 图2为本发明海面溢油的随机溯源跟踪控制方法实施例中无人船对广域海面溢油源头随机搜索的跟踪控制平面坐标系示意图。

具体实施方式

[0036] 一种海面溢油的随机溯源跟踪控制系统及其跟踪控制方法，如图1所示，方法步骤包括：

[0037] 1)无人船上设置有传感器、扩散-对流模块、无人船运动处理器、状态观测器、随机搜索策略模块和前驱动动力处理器，通过传感器检测溢油海面传感数据；基于传感数据，通过扩散-对流模块处理得到溢油模型参数，通过无人船运动处理器得到运动模型参数；

[0038] 2)基于溢油模型参数和运动模型参数，所述无人船运动处理器获得无人船质心运动学模型，与扩散-对流模块的溢油羽锋处理模型相结合，得到状态观测器的状态方程和观测方程；将状态观测器与随机搜索策略模块联合处理，求得无人船运动学控制率；

[0039] 3)前驱动动力处理器基于反馈线性化方法对无人船运动学控制率处理，获得无人船动力学控制率，进而得到无人船的搜寻数据，所述搜寻数据包括无人船推动力和运动方向，根据搜寻数据驱动无人船搜寻海面溢油源头。

[0040] 在步骤1)中，所述传感数据包括油膜浓度和流场速度；所述溢油模型参数包括溢油浓度的梯度和散度。

[0041] 图2示出了实现本发明的无人船，其为一个携带油膜浓度和海流速度传感器的运动速度及运动方向可控的无人船，传感器设有360°随机摆动的搜索摇杆。

[0042] a.扩散-对流模块通过如下溢油羽锋处理模型处理：

[0043]

[0044] 其中，为溢油浓度，和为溢油浓度的梯度和散度；k和v分别表示扩散系数和流场速度矢量，为待测的参数向量；

[0045] b.无人船运动处理器通过如下无人船质心运动学处理模型处理：

[0046]

[0047] 其中，xr＝[xr1，xr2]T表示无人船质心位置，φ为其偏航角，η＝[η1，η2]T为无人船输入的运动学控制率。

[0048] 无人船的动力学模型表示为其中，参数M，C，R和D均为无人船机械结构相关固定参数。无人船状态观测器处理的状态方程和观测方程依次为：

[0049]

[0050]

[0051] 其中，G表示沿着溢油羽锋的法线方向的投影矩阵。

[0052] 利用随机搜索策略模块通过如下处理方法与状态观测器联合获得无人船运动学控制率，

[0053]

[0054] 其中，u＝η，w为满足平均律的随机搜索项。

[0055] 状态观测器通过如下处理方法获得随机搜索项w，

[0056]

[0057] 在步骤3)中，前驱动动力处理器通过如下处理方法将无人船运动学控制率作反馈线性化处理，获得无人船动力学控制率，

[0058]

[0059] 其中，τ′表示无人船推动力，z表示无人船上除质心外参考点位置，表示参考点运动方程，参数E和F跟无人船质心与参考点的距离l和偏航角φ相关。

[0060] 前驱动动力处理器通过如下相关关系对参数E和F进行处理：

[0061]

[0062] 并且，将计算所得到的运动无人船推动力τ′、无人船质心与参考点距离l和偏航角φ施加到无人船控制机构后驱动无人船自主搜索溢油源头。

[0063] 虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征能被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式能适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。

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