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考虑航速约束的船舶编队乘潮航行控制OA

Navigation control for ship formations considering speed constraints during tide riding

中文摘要英文摘要

为研究船舶编队在乘潮条件下安全高效航行的问题,本文提出一种考虑航速约束的分布式编队乘潮航行控制方法.采用领导-跟随结构设计基于分布式模型预测控制的编队控制器,并确定航速约束、队形保持以及安全间距保持3个控制目标.构建考虑下沉量的最大航速约束与考虑乘潮历时要求的最小乘潮航速约束,作为控制器的约束条件.使用船舶纵向安全间距模型计算编队成员期望位置,并通过位置误差模型实现编队队形与安全间距保持.以长江口北槽航道为仿真场景,分析正常航行与减速让行2种航行状态下,有无航速约束的控制效果.结果表明:无论是否存在航速约束,控制器均能在不同航行状态下有效跟踪期望轨迹;在正常航行情景下,编队成员能够安全航行,在有航速约束的减速让行情景中,编队成员实际吃水与最大安全吃水比率最大值分别为99.1%、97.5%、85.1%,而无航速约束的比率为101.4%、100%、85%.本文方法能根据水深变化动态调整航速,并满足船舶编队航行安全间距需求.

In order to study the safe and efficient navigation of ship formations during tide-assisted navigation,a distrib-uted formation control method with speed constraints is proposed.A leader-follower structure is adopted to design a dis-tributed model predictive control-based controller,with speed constraints,formation keeping,and safe inter-ship dis-tance maintenance as control objectives.The maximum speed constraint considering ship squat and the minimum tide-assisted speed constraint considering tidal duration requirements are incorporated into the controller.A longitudinal safety distance model is used to calculate the desired positions of formation members,and a position error model is ap-plied to maintain formation geometry and safe spacing.Simulations in the north channel of the Yangtze River estuary un-der normal navigation and deceleration-for-yielding scenarios show that the controller can effectively track the desired tra-jectory with or without speed constraints.In the deceleration-for-yielding scenario with speed constraints,the maximum ratios of actual draft to maximum safe draft are 99.1%,97.5%,and 85.1%,compared with 101.4%,100%,and 85%without speed constraints.The proposed method dynamically adjusts ship speed according to water depth variations while satisfying safety distance requirements.

吴兵;林子豪;苏鑫;吴方烈;张文芬

武汉理工大学 水路交通控制全国重点实验室,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 智能交通系统研究中心,湖北 武汉 430063武汉理工大学 水路交通控制全国重点实验室,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 智能交通系统研究中心,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 交通与物流工程学院,湖北 武汉 430063武汉理工大学 水路交通控制全国重点实验室,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 智能交通系统研究中心,湖北 武汉 430063武汉理工大学 水路交通控制全国重点实验室,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 国家水运安全工程技术研究中心,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 智能交通系统研究中心,湖北 武汉 430063||武汉理工大学 交通与物流工程学院,湖北 武汉 430063武汉纺织大学 管理学院,湖北 武汉 430200

交通工程

编队控制轨迹跟踪乘潮航行模型预测控制分布式控制器航速约束安全间距领导-跟随

formation controltrajectory trackingtidal navigationmodel predictive controldistributed control-lerspeed constraintssafety distanceleader-follower

《哈尔滨工程大学学报》 2026 (3)

630-642,13

国家重点研发计划(2023YFB4301802)国家自然科学基金项目(52272422)湖北省科技厅项目(2024CSA093).

10.11990/jheu.202412021

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