船艇的多航态稳速控制方法和装置与流程

本申请属于船艇控制技术领域，特别是涉及一种船艇的多航态稳速控制方法和装置。

背景技术：

通常，船艇在执行测绘或跟踪拦截等任务时，需要保持以某个期望的速度值航行，也就是船艇具有对期望航速的稳速控制的需求。现有的运动控制技术主要是从航向偏差，以及通过位置偏差控制来进行航迹控制，以此实现船艇的速度控制。但是，在船艇处于过渡航态时，由于阻力-速度曲线的小曲率或非线性曲率，导致在过渡航态的航速区间内，难以实现对航速的稳定控制。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种船艇的多航态稳速控制方法和装置，以解决现有技术中难以实现过渡航态下的速度控制的问题。

本申请实施例的第一方面提供了一种船艇的多航态稳速控制方法，应用于安装有多种增阻减阻附件的船艇，所述方法包括：

获取所述船艇当前的期望速度；

基于所述期望速度，从预设的多种阻力-速度曲线中确定目标曲线，所述多种阻力-速度曲线通过对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行学习得到，在所述目标曲线中，所述期望速度属于所述目标曲线中的近似线性可控区间；

根据所述目标曲线，确定所述多种增阻减阻附件的目标参数组合；

按照所述目标参数组合，对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行调整，实现所述目标曲线的阻力参数，以控制所述期望速度位于所述目标曲线的近似线性可控区间上；

在所述近似线性可控区间上，采用闭环运动控制算法，根据速度偏差输入和推力的调整输出，实现对所述期望速度的稳速控制。

本申请实施例的第二方面提供了一种船艇的多航态稳速控制装置，包括船艇本身，以及安装于所述船艇上的增阻减阻附件系统、稳速控制系统、自动导航制导控制系统、动力系统和传感器系统；其中：

所述稳速控制系统，用于获取所述船艇当前的期望速度；基于所述期望速度，从预设的多种阻力-速度曲线中确定目标曲线；根据所述目标曲线，确定所述多种增阻减阻附件的目标参数组合；所述多种阻力-速度曲线通过对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行学习得到，在所述目标曲线中，所述期望速度属于所述目标曲线中的近似线性可控区间；

所述增阻减阻附件系统，用于按照所述目标参数组合，对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行调整，实现所述目标曲线的阻力参数，以控制所述期望速度位于所述目标曲线的近似线性可控区间上；

所述自动导航制导控制系统，用于在所述近似线性可控区间上，采用闭环运动控制算法，根据速度偏差输入和推力的调整输出，实现对所述期望速度的稳速控制。

本申请实施例的第三方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述第一方面所述的船艇的多航态稳速控制方法。

本申请实施例的第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述第一方面所述的船艇的多航态稳速控制方法。

本申请实施例的第五方面提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行前述第一方面所述的船艇的多航态稳速控制方法。

与现有技术相比，本申请实施例包括以下优点：

本申请实施例，通过获取船艇当前的期望速度，可以基于上述期望速度，从预设的多种阻力-速度曲线中确定目标曲线。由于在目标曲线中，上述期望速度属于该目标曲线中的线性速度区间，因此可以根据该目标曲线，确定多种增阻减阻附件的目标参数组合，从而按照目标参数组合，对多种增阻减阻附件的可控参数进行调整，可以控制期望速度位于目标曲线的近似线性可控区间上。采用上述方法，可以实现对过渡航态下船艇的稳速控制。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种船艇的多航态稳速控制系统的示意图；

图2是本申请实施例提供的另一种船艇的多航态稳速控制系统的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种船艇的多航态稳速控制方法的步骤流程示意图；

图4是本申请实施例提供的一种采用小波滤波算法对制导轨迹或阻力曲线进行分解重构的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种通过变推力实现周期稳速控制的示意图；

图6是本申请实施例的一种终端设备的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

为了便于理解，首先对船艇的多航态稳速控制的相关知识作一介绍。

1)高速船艇存在过渡航态的不稳定速度区间。

多航态是指船艇(尤其是高速船艇)，其航行过程分为排水航行态、过渡航态(半排水半滑行态)、滑行态三种航态。在排水航行态和滑行态条件下，航艇速度近似线性可控，过渡航态的速度则是非线性的，具有较大的不稳定性，其速度难以稳定控制。原因分析如下。

定义：

体积傅汝德速度参数

纵向阻力xh＝x(u)+xvvv²+xvrvr+xrrr²。

直航阻力x(u)＝x|u|u|u|u。

水动力系数

其中，υs为航速，为船体排水量，g为重力加速度，水密度ρ，船舶坐标系x轴上速度分量u，y轴上速度分量ν，转首角速度r。cr＝cw+cpv为剩余阻力系数，δc为粗糙度补粘系数。船体排水量船长lb，船的型宽b，尾吃水da，首吃水df，平均吃水dm。

船体湿面积湿面积系数cs，船的排水体积水线长lwl。格罗特(groot)取湿面积系数cs＝2.75计算湿面积s。

一个回归估算公式：

荷兰瓦根宁船池的一般民用船的湿面积计算公式

摩擦阻力系数可以由桑海公式计算

摩擦阻力系数也可以由国际船模试验水池会议(ittc)提出的公式计算

其中，雷诺数υ为水的运动粘性系数，lwl为水线长，υs为速度。

兴波阻力系数c和d为常数，λ为兴波波长。

其中，兴波长度mlb＝(n+q)λ，n为正整数，q为正分数，与傅汝德数和船型有关，按深水中平面兴波理论，波长与波速(即船速)平方成正比关系，所以兴波长度

由巴甫米尔近似公式计算粘压阻力系数其中am为船中横剖面面积，lr为船体后体长度，又称去流段长度，应满足

综上，直航阻力计算公式为：

可以看到，阻力与首尾吃水差、平均吃水、船长(水线长)、船宽、速度相关，其中粘压阻力与横剖面面积(吃水和船宽)、船体后体长度相关。流体水动力可以改变首尾吃水差(纵倾角度)、平均吃水(升力)、横剖面面积(纵倾和升力综合改变船宽和吃水)，加上速度的影响，从而改变直航阻力的系数，也就是阻力-速度曲线的曲率。

船体阻力rt＝rf+rw+rpv。低速船兴波阻力成分较少，摩擦阻力约为70％～80％，粘压阻力占10％；高速船兴波阻力增加至40％～50％，摩擦阻力为50％，粘压阻力仅为5％左右。

排水航行状态：当时，此时航速较低，流体动力所占比例极小。船体基本上由静浮力支持，船体航态与静浮力变化不大，阻力问题可以认为与航态无关，因此纵向阻力xh＝xuuu²的水动力系数xuu主要由占比约80％的摩擦阻力影响，cf与速度υs的对数的2.6次方成反比，因此纵向阻力和纵向速度近似线性正比例关系，曲线曲率相对较大。这个航态的速度容易通过发动机或电机转速实现控制。

过渡航态：当时，随着航速增加，航态较静浮状态变化明显，船首上抬明显，船尾下沉，整个船体明显艉倾，在这种状态下，流体动力较排水航行状态增大，船的排水体积减小。在该速度范围内的各种船舶的阻力特性与航态关系密切。考虑水动力系数水动力系数xuu与湿面积s成正比关系。占比50％的摩擦阻力系数cf与速度υs的对数的2.6次方成反比。占比40％～50％兴波阻力系数cw与速度υs的4次方成正比。占比5％的粘压阻力系数cpv，与航态的湿面积s成反比关系，也就是跟速度成正比。因此在这个过渡航态中，随着速度的增加，航态导致的湿面积减少，摩擦阻力系数cf减少，兴波阻力系数cw增加，阻力到达一个阻力峰值(驼峰值)后，初段cf和湿面积s的减少影响大，后段cw的增加影响大，导致随着速度的增加，总阻力系数是先减少，再增加的过程。再考虑到阻力公式中的速度平方的正比关系，在过渡航态的阻力-速度曲线比较复杂，会出现一段曲率相对平缓的曲线，可能存在驼峰的形状。因此在过渡航态，难以通过控制动力输出来实现期望速度的控制目标。

滑行状态：当时，船速很高，船首、船尾吃水变化很大，且整个船体被托向水面“滑行”前进，处于这种航态的船称为滑行艇。滑行艇处在滑行阶段时，静浮力很小，艇体几乎完全由流体动力n来支持。在滑行态，随着速度的增加，航态导致的湿面积变化不大，占比50％的摩擦阻力系数cf按速度υs的对数的2.6次方减少，占比40％～50％兴波阻力系数cw按速度υs的4次方增加，因此纵向阻力xh＝xuuu²的阻力以兴波阻力的变化为主，近似正比例关系增加，曲线曲率相对较大，这个航态的速度容易通过发动机或电机转速实现控制。

2)特定的船艇作业任务需要期望航速的稳速控制。

如前所述，船艇在执行测绘或跟踪拦截等任务时，具有对期望航速的稳速控制的需求。例如，在民用的测绘、测量和勘测等作业任务中，船艇需要保持一定的合适航速，使得声呐等测量仪器不受速度的变化而影响测量结果。船艇在航行中需要接近、跟踪、拦截其他船艇时，也需要以期望速度保持航行，以达到在保持行动的同时又避免碰撞危险的目的。当船艇在以编队队形航行时，编队队形的保持需要各船艇以期望航速稳定航行。在搭载武器系统执行火力发射任务时，船艇也需要保持在某个航速，以此保证发射任务的成功。另外，船艇在执行避障避险等行为时，根据动态规划结果，如果能以期望的航速控制船艇航线，则容易实现满足时间和空间约束条件的轨迹跟踪功能。因此，随着船艇在更高精度航行需求任务上的应用，针对高速船艇的稳速控制，就显得十分必要。

3)现有技术没有解决过渡航态的船艇稳速控制问题。

传统的船艇航行运动控制，由航向控制和航迹控制实现。

航向控制包括航向保持和航向改变，采用线性化或非线性控制算法，通过舵角的输出控制来实现。运动控制器的控制舵角δ＝f(δψ，r)，输入数据包括航向误差δψ＝ψr-ψ和转艏速度r。

航迹控制方案可分为两种，直接控制(即综合控制)和间接控(即分离控制)。航迹控制通过控制舵角输出δ＝f(δψ，r，η)实现，输入数据包括航向误差δψ＝ψr-ψ和转艏速度r，及航迹偏差信息η。

航迹直接控制，是直接将舵角和航迹偏差相关联，通过直接对舵角进行控制来消除航迹偏差，进而将船舶控制在指定航迹带。航迹直接控制根据卫星导航gnss测量得到的船艇位置信息与设定航迹进行比较，计算出此时刻船艇偏离计划航迹的偏差，然后根据所计算得到的航迹偏差，作为控制器输入数据，航迹控制器根据该偏差值计算出舵角指令，从而对船艇航迹实现控制。航迹直接控制能对位置、方向、速度这些实际上耦合的变量进行综合考虑，控制性能优良，控制精度高。

航迹间接控制，是将航迹控制分解为航迹制导环、航向控制环和舵角控制环，把航迹控制问题转化为航向控制问题。航迹制导环采用制导算法，通过船位误差η(k)来计算出期望航向值ψr(k)给航向控制环。航向控制环采用控制算法，根据实际航向ψ(k)和期望航向值ψr(k)，通过航向偏差δψ(k)＝ψr(k)-ψ(k)计算出相应舵角δr(k)给舵角控制环。舵角控制环采用反馈控制算法驱动舵机使舵角检测值δ(k)与舵令δr(k)保持一致，完成航迹控制。

因此，已有的航迹控制，是以位置误差和航向误差来实现的，基本没有考虑航速的稳定控制问题。

对于采用航速控制的运动控制技术，是以速度偏差δv(k)＝vr-v为输入数据，发动机转速期望值输出nr(k)的方法进行的。

航速控制通过建立nr＝f(δv)模型，直接利用期望速度和实际速度的偏差，计算期望转速的算法实现稳速控制。

运动方程：

其中，μ，v，r分别为纵向速度、横向速度和转艏角速度。xh，xp，xr分别为x轴上的流体黏性水动力、螺旋桨推力和舵上流体动力。yh，yp，yr分别为y轴上的流体黏性水动力、螺旋桨推力和舵上流体动力。

xp＝tcosδ

yp＝tsinδ

其中，t为螺旋桨推力，ρ为水密度，dp为螺旋桨直径，kt为推力系数，j为进速系数，va为进速，n为转速，ωp为伴流系数，cb为方形系数，cp为菱形系数。

航速控制算法，对航速弘的控制，通过直接对发动机或电机的转速n的控制来实现。

在过渡航态中，随着速度增加，航态导致的湿面积s减少，摩擦阻力系数cf减少，兴波阻力系数cw增加。曲率kn的变化，是先随着s和cf快速减少，到达最小值后，然后随着cw快速上升的过程。这样会导致两类不好控制的阻力-速度曲线：存在驼峰形状的曲线，以及，存在缓坡爬升形状的曲线。

对于存在驼峰形状的曲线，当突破起滑的阻力峰值时，保持同样的动力输出甚至降低动力系统的输出，s和cf的减少也会与速度的增加共同相互作用，使得速度继续保持上升，在起滑效果比较好的滑行艇以及水翼艇上，该现象比较明显。

存在缓坡爬升形状的曲线，动力的最小粒度增减，会导致比较大幅度的速度增减，无法做到细粒度的速度稳定控制。

因此，当过渡航态中kn随着速度变化而呈不稳定的值时，直接利用速度计算期望转速的算法，是不可靠的。

4)本申请提供的技术方案可以解决过渡航态的船艇稳速控制问题。

考察转速-速度的曲率其主要受到湿面积s，摩擦阻力系数cf，兴波阻力系数cw，粘压阻力系数cpv，首尾吃水和平均吃水的影响，这些参数都与速度的幂函数成反比或正比的关系。

不同船型可以实现不同特性的阻力-速度曲线。对于高速船艇，如滑行艇和水翼艇，如果通过采用一定攻角的水下水翼来增加阻力系数，增加湿面积的方法，使得在低中速的区域，可以实现类似排水型船或圆舭艇的排水航态曲率曲线，从而实现稳速控制。对于低速船艇，如排水型艇和圆舭艇，如果通过水平翼和阻流板等配合使得阻力系数减少，湿面积减少，可以在高中速的区域，实现类似滑行艇的滑行态曲率曲线，从而实现稳速控制。

采用阻流板、压浪板、水翼等减阻附件可以实现不同的阻力-速度曲线。对于滑行艇等高速船艇，可以通过减阻附件改变曲率及过渡航态的不稳定航速区间。采用减阻附件进行减阻后，阻力峰值对应的排水航行态到过渡态时的速度值变化不大，只是阻力变小了，但过渡航态到滑行态时的速度值，也就是开始稳态滑行的速度值变化较大，也即是可以得到，减阻后的开始稳态滑行的速度值，比非减阻的开始稳态滑行的速度值要小很多。换言之，减阻后，过渡航态的速度区间相当于被压缩小了，提高了稳态滑行的速度区间。

对于高速船艇，既可以通过增阻来增大低、中航速的稳定区间，也可以通过减阻来扩大中、高航速的稳定区间，两种方法综合使用将可能实现整个低、中、高航速的稳定控制。因此，本申请实施例提供的改变阻力-速度曲率及过渡航态的不稳定航速区间的可行技术方案包括：

a.利用水下侧面水翼等附件可以增加湿面积和阻力系数从而提高阻力-速度曲率的技术方案；

b.利用阻流板、压浪板、水平翼等附件可以减少阻力系数从而降低阻力-速度曲率的技术方案。

基于上述技术方案，为了满足特定任务对船舶尤其是无人船艇的精准速度控制的需求，针对滑行艇等高速船艇存在的半排水半滑行航态时的不稳定过渡速度区间问题，提出了本申请实施例的核心构思在于：基于增阻和减阻附件改变过渡航态航速区间，实现滑行艇等高速船艇的实时性期望速度稳定控制，以及，基于小波滤波算法实现变推力控制的滑行艇等高速船艇的周期性期望速度稳定控制。

综上所述，由于已有的稳速控制方法，是通过控制动力输出变化实现的，这种控制方法无法解决在过渡航态时的不稳定航速区间的稳速控制问题。已有技术中，采用固定、可调、自动调整的减阻装置，是以减少阻力、改善快速性、提高稳性为目标的，也就是通过减阻装置实现纵倾角幅度的减少，让船舶保持比较平稳的航行姿态，以及通过减阻减低能耗来提高船舶的航行效率。这与本申请实施例提供的技术方案以某个期望速度的稳定控制为目标的作用及算法不同。此外，相较于已有技术，本申请实施例还提供了对增阻附件的设计和应用，以及多个减阻附件的设计和应用。

示例性地，针对滑行艇，参见图1和图2，是本申请实施例提供的船艇的多航态稳速控制装置的示意图，该控制装置包括多个系统，即：增阻减阻附件系统、稳速控制系统、自动导航制导控制系统、动力系统、传感器系统，以及滑行艇船舶本身。

1.增阻减阻附件系统

增阻减阻附件系统由水翼、阻流板、压浪板等减阻附件的一种或多种组合的增阻减阻执行机构，以及阻力调整控制模块、阻力调整装置效果评估模块组成。

增阻减阻附件组合组成的增阻减阻执行机构，由阻力调整控制模块来调整控制，根据指令可以调整水翼的攻角和水平位移、阻流板的深度、压浪板的长度和角度，从而实现耦合的不同减阻效果，可以实现完全最大阻力、无减阻、最大减阻比例以及中间不同增阻减阻比例的控制效果。

阻力调整控制模块，根据自动导航制导控制的期望航速的控制要求，根据稳速控制模块的优选曲线参数，根据增减阻装置效果评估的最优参数，自动生成最优增阻减阻附件组合参数输出，通过对增阻减阻执行机构发送不同的减阻指令输出，并利用传感器的反馈实现增阻减阻执行机构的反馈控制，实现对船舶的阻力系数的改变，从而实现过渡航态的不稳定速度空间。

阻力调整装置效果评估模块，能够根据各个增阻减阻装置的不同组合增阻减阻输入和实际减阻效果，在线动态估计更新每个增阻减阻装置的减阻最优配置参数和权值参数。增阻减阻装置效果评估模块，计算不同减阻附件的增阻减阻响应速度、响应比例，转化为每个增阻减阻装置的最优配置参数和权值参数，作为增阻减阻装置自动调整控制模块的决策依据，使得增阻减阻装置自动调整控制模块可以实施最快速、最有效的控制。

2.稳速控制系统

稳速控制系统由稳速控制模块(阻力曲线决策)、稳速辨识模块(阻力曲线学习辨识)组成。

稳速辨识模块，根据当前和历史的动力输出-速度数据，通过曲线拟合算法估计阻力-速度曲线，以及估计过渡航态的不稳定速度区间。通过不同增阻减阻控制输出数据，实现对不同组合的增阻减阻装置的不同组合控制输出量条件下，拟合评估船舶在不同减阻条件下的航速-阻力曲线，得到增阻减阻装置干预下的阻力曲线集合以及对应的不稳定速度区间集合。

稳速控制模块，根据自动导航制导控制系统的航速输出，判断航速在不同阻力曲线中的区间范围，通过决策算法选择最优的航速-阻力曲线，使得所需要稳定控制的期望速度，远离航速-阻力曲线中过渡航态的不稳定航速区间范围，而使其属于排水态或滑行态的近似线性的速度区间范围，从而实现特定期望航速的稳定控制目标。

3.自动导航制导控制系统

自动导航制导控制系统，由导航规划、轨迹优化制导、运动控制模块组成，实现船舶自动驾驶功能。根据环境和任务，以及传感器数据，实时规划航路；根据航路、任务目标、船艇性能确定制导轨迹和制导律；根据制导指令和控制模型计算轨迹跟踪或镇定控制等运动控制的指令输出，将运动控制的速度和航向指令发送给推进系统、稳速控制系统，从而实现船艇的自动航行和任务自动执行。

4.动力系统

动力系统，由方向舵系统和推进系统组成。方向舵系统实现船艇的转向功能，推进系统实现船艇的前进功能。

5.传感器系统

传感器系统包括卫星导航系统(gnss)、惯性导航系统(imu)等。卫星导航系统可以获取船艇的航行位置、速度数据；惯性导航系统可以获取船艇的航向、横摇角度、纵倾角度、角速度、加速度等数据。传感器数据作为自动导航制导控制系统、稳速控制系统、减阻控制系统的输入。

6.船舶

船舶是高速船艇实体，上述所有子系统均安装在船舶上，增阻减阻附件系统、稳速控制系统、自动导航制导控制系统以及动力系统对船舶实施作用，船舶的状态信息由传感器测量获取。

下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。

参照图3，示出了本申请实施例提供的一种船艇的多航态稳速控制方法的步骤流程示意图，该方法可以应用于安装有多种增阻减阻附件的船艇中，该方法具体可以包括如下步骤：

s301、获取所述船艇当前的期望速度。

在本申请实施例中，船艇当前的期望速度可以是指待实现的船艇航行速度，该期望速度可以是在任一航态下的速度。例如，排水航行态、滑行态，或者，过渡航态。

通常，对于排水航行态或滑行态，可以通过控制动力输出来实现期望速度的控制目标；而对于过渡航态，则难以通过上述方式实现船艇的稳速控制。因此，本申请实施例主要用于过渡航态下的稳速控制。

需要说明的是，本申请实施例所介绍的稳速控制方法可以应用于前述实施例中安装有多航态稳速控制装置的船艇。即，本方法适用于安装有前述实施例中增阻减阻附件系统、稳速控制系统、自动导航制导控制系统、动力系统，以及传感器系统的船艇。上述船艇可以是任意类型的船舶或舰艇，本申请实施例对此不作限定。

s302、基于所述期望速度，从预设的多种阻力-速度曲线中确定目标曲线，所述多种阻力-速度曲线通过对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行学习得到，在所述目标曲线中，所述期望速度属于所述目标曲线中的近似线性可控区间。

在本申请实施例中，针对任一类型的船艇，可以通过在该类型的船艇上安装多种增阻减阻附件，然后对多种增阻减阻附件在不同配置条件下的可控参数进行学习，得到多种阻力-速度曲线，从而便于依据学习得到的阻力-速度曲线，实现对船艇在过渡航态下的稳速控制。

在本申请实施例中，多种增阻减阻附件可以包括水翼、阻流板，和/或压浪板。其中，水翼可以实现增阻或减阻效果，而阻流板和压浪板则可以实现减阻效果。

在具体实现中，对多种增阻减阻附件的可控参数进行学习得到多种阻力-速度曲线，可以按照如下步骤进行：

首先，对多种增阻减阻附件进行组合，得到多种增阻减阻附件组合，其中，每种增阻减阻附件组合包括上述多种增阻减阻附件中的至少一种，每种增阻减阻附件分别具有多种可控参数。示例性地，每种增阻减阻附件组合可以包括水翼增阻附件、水翼减阻附件、阻流板减阻附件、和/或压浪板减阻附件中的一种或多种。

然后，通过调整每种增阻减阻附件的可控参数，分别测试在多种推进动力值的条件下每种增阻减阻附件组合对应的速度值数据。示例性地，对于每种增阻减阻附件组合，可以给定一个推进动力值，测试不同的可控参数条件下，该增阻减阻组合附件对应的速度值数据；再通过变更推进动力值，重复上述步骤，得到多种推进动力值的条件下每种增阻减阻附件组合对应的速度值数据。其中，水翼增阻附件的可控参数可以包括水翼的伸出角度和伸出长度，水翼减阻附件的可控参数可以包括水翼的攻角和水平位移，阻流板减阻附件的可控参数可以包括阻流板的深度，压浪板减阻附件的可控参数可以包括压浪板的长度和角度。

对于测试得到的速度值数据和推进动力值，可以根据速度值数据及其对应的推进动力值，计算每种增阻减阻附件组合对应的阻力数据，从而能够基于速度值数据和阻力数据，拟合得到多种阻力-速度曲线。

在本申请实施例中，拟合阻力-速度曲线可以根据实际需要，采用恰当的曲线拟合算法，如贝塞尔bezier曲线算法、b样条曲线算法，圆锥曲线拟合算法，小波多尺度函数拟合算法等等，本申请实施例对此不作限定。

对于学习得到的多种阻力-速度曲线，可以应用在过渡航态的稳速控制过程中。在实际的稳速控制时，可以基于期望速度，从上述多种阻力-速度曲线中确定一目标曲线，该目标曲线可以是与期望速度匹配的最优曲线。

在具体实现中，可以首先根据每种阻力-速度曲线，确定每种增阻减阻附件组合对应的过渡航态下的不稳定速度区间集合，该不稳定速度区间集合包括不稳定速度区间上界和不稳定速度区间下界；然后，根据期望速度，与上述不稳定速度区间上界及不稳定速度区间下界的大小关系，从多种阻力-速度曲线中确定目标曲线，使得所需要稳定控制的期望速度，远离阻力-速度曲线中过渡航态的不稳定航速区间范围，而是属于排水态或滑行态的近似线性的速度区间范围。

s303、根据所述目标曲线，确定所述多种增阻减阻附件的目标参数组合。

由于目标曲线是满足所需要稳定控制的期望速度的最优曲线，因此，该目标曲线所对应的增阻减阻附件组合可以认为是实现期望速度的最优的目标组合，该目标组合所对应的参数即是能够实现上述稳速控制的目标参数。

在本申请实施例中，首先可以针对期望速度，确定目标曲线中与该期望速度对应的目标推进动力值和目标阻力；然后根据目标推进动力值和目标阻力，从多种增阻减阻附件组合中确定目标组合，该目标组合中的每种增阻减阻附件的可控参数构成目标组合的目标参数组合。

s304、按照所述目标参数组合，对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行调整，实现所述目标曲线的阻力参数，以控制所述期望速度位于所述目标曲线的近似线性可控区间上。

在本申请实施例中，在确定出最优的增阻减阻附件组合及其参数后，可以通过调整各种增阻减阻附件的可控参数为上述目标参数组合中的参数，实现目标曲线的阻力参数，从而控制期望速度可以位于目标曲线的近似线性可控区间上，实现对船艇在过渡航态下的稳速控制。

在本申请实施例中，在按照目标参数组合，对多种增阻减阻附件的可控参数进行调整之后，还可以实时采集船艇的当前速度，并计算当前速度与期望速度之间的速度偏差；以便根据速度偏差和目标曲线，调整目标推进动力值，使船艇重新保持以期望速度航行，以实现期望速度的闭环控制。

s305、在所述近似线性可控阻力-速度区间上，采用闭环运动控制算法，根据速度偏差输入和推力的调整输出，实现对所述期望速度的稳速控制。在本申请实施例中，对于预先学习得到的阻力-速度曲线，如果在搜索所有的阻力-速度曲线后，判断航速无法通过增阻减阻变更匹配某一条目标曲线的方式实现，还可以根据多种阻力-速度曲线，采用变推力的算法实现周期性地对船艇的航行速度进行控制。

在具体实现中，根据阻力-速度曲线，通过周期性变推力的输出对船艇的航行速度进行控制，以实现控制时间周期内逼近期望速度的运动控制目标，可以按照如下方式进行：

首先，在获取自动导航制导控制系统输出的制导轨迹后，可以采用预设的小波分解算法对制导轨迹进行分解，以过滤制导轨迹中的高频部分，以满足动力系统的控制频率约束条件；然后，采用预设的小波重构算法对制导轨迹中的频率滤波后的部分进行拟合处理，生成动力系统可控的期望速度序列；再依据可控的期望速度序列，从多种阻力-速度曲线中确定第一曲线，该第一曲线为多种阻力-速度曲线中与期望速度序列匹配度最高的曲线；对该第一曲线，利用小波算法进行分解，根据发动机转速的控制幅度的最小粒度，过滤第一曲线中幅值过低的小波成分。拟合第一曲线中幅值滤波后的部分，得到第二曲线；根据第二曲线中阻力和速度的对应关系、阻力和推力的对应关系、以及推力和转速的对应关系，计算可控的期望速度序列对应的可用的转速-速度序列；根据转速-速度序列，采用最优组合算法生成期望转速序列，使得一个控制周期内期望转速的序列作用下，满足平均速度逼近所述期望速度，并且在一个控制周期内总的转速调整变化量是最小的优化控制目标。

。如图4所示，是采用小波滤波算法对制导轨迹或阻力曲线进行分解重构的示意图。

在本申请实施例中，可以按照期望转速序列控制船艇的推进动力值，以实现周期性地对船艇的航行速度进行控制，从而实现在一个制导时间周期内对船艇的特定航速稳定控制目标。

需要说明的是，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

为了便于理解，下面结合具体的示例，对本申请实施例提供的航艇的多航态稳速控制方法进行介绍。本方法可以包括如下步骤：

步骤一、稳速控制装置的安装。

在高速艇上安装多航态稳速控制装置。该装置包括多个系统，即：增阻减阻附件系统、稳速控制系统、自动导航制导控制系统、动力系统、传感器系统，以及高速艇船舶本身。增阻减阻附件系统由水翼、阻流板、压浪板等增阻减阻附件的一种或多种组合所构成的增阻减阻执行机构，阻力调整控制模块、阻力调整装置效果评估模块组成。对于多航态稳速控制装置的具体介绍，可以参见前述实施例中的详细介绍，对此不再赘述。

步骤二、稳速控制学习辨识。

稳速控制学习辨识功能可以通过学习，得到在不同增阻减阻附件配置条件下的阻力-速度曲线，上述学习过程的输入是历史和实时的动力输出-速度测量数据，输出是阻力-速度曲线集合f＝{fi＝<pc，i，fi>|i∈n}，及相应的过渡航态不稳定速度区间集合v＝{[vlower，i，vupper，i]|i∈n}。

稳速控制学习辨识的具体步骤为：

1)系统根据配置的增阻减阻附件组合以及各个增阻减阻附件的可控参数组合，设定不同的测试推进动力值。增阻减阻附件组合包括水翼、阻流板、压浪板等增阻减阻附件的一种或多种组合。水翼增阻附件的可控参数包括水翼的伸出角度和伸出长度；水翼减阻附件的可控参数包括水翼的攻角和水平位移；阻流板减阻附件的可控参数包括阻流板的深度。压浪板的可控参数包括压浪板的长度和角度。设增阻减阻组合参数集合为{pc，i＝<aθ，i，al，i，bh，i，cθ，i，cl，i>|i∈n}，其中，aθ，i为水翼增阻减阻攻角参数，al，i为水翼增阻伸出长度或减阻水平位移参数，bh，i为阻流板减阻深度参数，cθ，i为压浪板减阻角度参数，cl，i为压浪板减阻长度参数。

2)根据不同推进动力值发送指令给动力系统，然后依次发送阻力调整组合指令给增阻减阻附件系统，测试不同增阻减阻指令组合条件下的速度情况。记录测试推进系统输入数据{nr，k|k∈n}和测量到的速度值数据{vk|k∈n}，根据转速和速度计算实际推力来估算阻力数据

3)根据相同动力不同减阻效果下的数据，利用系统辨识算法拟合阻力-速度曲线集合f＝{fi＝<pc，i，fi>|i∈n}，及相应的过渡航态不稳定速度区间集合v＝{vi＝<pc，i，vlower，i，vupper，i>|i∈n}。

曲线拟合算法可以包括贝塞尔bezier曲线算法、b样条曲线算法，圆锥曲线拟合算法，小波多尺度函数拟合算法等。采用圆锥曲线拟合时，根据排水航行态、过渡航态、滑行态三个航态的速度区间，可以分为三段进行分段拟合。fi为拟合的曲线，可以分别由贝塞尔bezier曲线参数、b样条曲线参数，圆锥曲线参数，小波多尺度函数参数表示。

过渡航态速度区间参数计算方法可以表示为：

其中，ε1和ε2是超参数，是一个比较小的小数值，根据发动机或电机的可控制的最小粒度增量δn确定，用于判断曲线导数较小或曲线斜率较小的区间，该区间即为不稳定航速区间。其中，min(fi(v)＞fi(vlower，i))保证了速度上界所在的阻力大于阻力驼峰值(也就是下界速度值的阻力位置)。

4)根据相同速度下不同的动力输出，计算不同增阻减阻组合的增阻减阻效果，根据增阻减阻效果评估计算增阻减阻附件组合的最优的目标参数组合。

速度采样序列为{vi|i∈n}，根据历史数据计算增阻减阻效果元组{＜vi，rdt，i，pc，i＞|i∈n}。

全局最优组合参数pc，prefer使得不稳定过渡航速区间尽量分离，也就是交集最小，或无交集。其中，(vlower，i是在减阻组合pc，i条件下得到的阻力-速度曲线的不稳定航速区间的下界。

特定减阻要求的最优组合参数pc，prefer(rdt)，使得在需要的减阻条件下，减阻附件的执行效率是最高的。其中是在减阻组合pc，i下的减阻阻力的变化律，其时间积分为实现的减阻阻力结果。

步骤三、基于增阻减阻附件改变过渡航态航速区间，实现船艇的实时性期望速度稳定控制。

基于增阻减阻附件的稳速控制算法功能可以是：根据自动导航制导控制系统的航速输出，判断航速在不同阻力-速度曲线中的区间范围，通过决策算法选择最优的阻力-速度曲线，使得所需要稳定控制的速度，尽量避免属于在阻力-速度曲线的不稳定航速区间范围，而是属于近似线性的速度区间范围，从而实现特定航速的稳定控制目标。

基于增阻减阻附件的稳速控制算法具体包括：

1)自动导航制导控制系统输出船艇的期望速度μr和航向ψr。

2)稳速控制模块根据期望速度μr，计算最优的阻力-速度曲线fi：

3)根据fi＝<pc，i，fi>对应的pc，i＝<aθ，i，al，i，bh，i，cθ，i，cl，i>，发送增阻减阻附件组合的目标参数组合到增阻减阻附件系统，自动调整控制模块，将各个增阻减阻附件的可控参数调整至上述参数。

4)增阻减阻附件系统自动调整控制模块根据pc，i执行增阻减阻，使得期望速度μr工作于较易控制的阻力-速度曲线上。

5)自动导航制导控制系统，根据阻力-速度曲线，以及反馈控制的速度偏差，调整动力系统的输出nr，从而实现期望速度μr的闭环稳定控制。

步骤四、基于小波滤波算法实现变推力控制的船艇周期性期望速度稳定控制。

变推力控制的稳速控制算法原理，可以根据自动导航制导控制系统的航速输出，通过搜索所有的阻力曲线，若判断航速无法通过增阻减阻变更阻力曲线的方法实现，因此可以采用变推力的算法实现周期性的期望速度控制。

首先，可以利用小波分解算法对制导轨迹进行分解，根据发动机控制频率过滤制导轨迹中的高频部分，并利用小波重构算法生成期望速度序列。然后，根据期望速度值序列，选择一条相对最优的阻力曲线，利用小波函数拟合不稳定的阻力-速度曲线中的不稳定速度区间，根据发动机的控制幅度的最小粒度，同样采用小波滤波对阻力-速度曲线进行分解和重构，得到发动机可以使用的转速值序列。最后，根据速度值序列和转速值序列，通过最优组合算法，实现发动机的变推力控制输出，从而实现在一个制导时间周期内对船艇的特定航速稳定控制目标。

结合图5，是本申请实施例提供的通过变推力实现周期稳速控制的示意图，变推力控制的稳速控制算法具体包括：

1)设定多分辨分析{sj|j∈z}。

尺度函数φ(x)＝∑kpkφ(2x-k)，sj由{φjk(x)＝2^j/2φ(2^jx-k)|k∈z}张成。

小波函数sj的正交补wj由{ψjk(x)＝2^j/2ψ(2^jx-k)|k∈z}张成。则得到级联的正交分解：

函数f∈l²(r)是连续的，存在fj∈sj逼近f。

其中，

2)自动导航制导控制系统根据制导律和多分辨分析{sj|j∈z}，对一个制导时间周期t内的制导轨迹，利用小波分解算法对制导轨迹进行分解，根据发动机控制频率过滤制导轨迹中的高频部分，然后利用小波重构算法生成期望速度序列，输出船艇在一个时间周期t内的期望速度序列{μr，i}和航向序列{ψr，i}，i∈[1，2^k]。设发动机转速的调整控制响应频率为fu(hz)，则选择例如，fu＝20hz，可以设定t＝1秒，k＝4。

3)稳速控制模块根据期望平均速度计算最优的阻力-速度曲线fi：

对于没有安装增阻减阻附件的船艇，阻力-速度曲线只有一条。

4)根据多分辨分析{sj|j∈z}对阻力-速度曲线进行小波分解，比如以harr小波分解。对选择的阻力-速度曲线，利用小波分解算法对该曲线进行分解，根据发动机的控制幅度的最小粒度，比如δn，过滤阻力-速度曲线中幅值过低的小波成分，然后利用小波重构算法生成可用的转速-速度序列{<ni，vi>|i∈n}。

5)根据期望的速度序列{μr，i}，转速-速度序列{<ni，vi>|i∈n}，采用最优组合算法得到期望转速序列{nr，i}，优化函数：

6)根据期望转速序列{nr，i}，对发动机或电机进行闭环控制，实现所需的动力输出。

7)经过制导时间周期t内，上述算法的变推力输出，最终实现的约束优化目标，从而实现了t时间内的期望速度的稳定控制需求。

如前所述，本申请实施例提供了一种船艇的多航态稳速控制装置，包括船艇本身，以及安装于所述船艇上的增阻减阻附件系统、稳速控制系统、自动导航制导控制系统、动力系统和传感器系统。该装置的作用是减少船艇在过渡航态(半排水半滑行态)导致不稳定航速控制的问题，能够解决滑行艇等高速船艇在期望速度的稳定控制问题。

传统的速度控制，是通过对动力系统(比如发动机及变速箱，电机及驱动器)的输出进行闭环控制，从而实现期望速度的控制。但由于滑行艇存在半滑行的过渡航速区间，在这个速度区间中动力输出和速度是难以控制的非线性曲线关系，只通过动力系统输出的控制没法实现期望速度的稳定控制。所以，本申请实施例提出了增加增阻附件、减阻附件的稳速控制装置，利用增阻附件、减阻附件实现不稳定航速区间的迁移，使得期望航速处于排水态或滑行态速度区间，从而实现期望航速的稳定控制目标。

本申请实施例提供的用于稳速控制的增阻减阻附件系统，包括增阻附件组合装置、减阻附件组合装置、阻力调整控制模块、阻力调整装置效果评估模块。该增阻减阻附件系统的功能可以用于改变阻力系数，调整不稳定航速区间。区别于已有技术中，减阻附件的功能仅仅是用于降低阻力提高航行能效比，或用于降低纵倾角度提高航行稳性。

本申请实施例提供的增阻附件组合，由安装在艇体水线以下的侧面水翼组成，可以根据增阻需求控制伸出角度和长度。减阻附件组合，由水翼、阻流板、压浪板等减阻附件的一种或多种组合，实现船艇稳速控制。增阻减阻附件组合的功能，是利用增阻减阻附件改变船舶的阻力系数。不同的阻力系数得到不同的阻力-速度曲线，不同的阻力-速度曲线形成不同的非稳定航速区间，该增阻减阻附件组合使得期望航速在非稳定航速区间范围之外，从而实现对期望航速的稳速控制。

本申请实施例提供的阻力调整控制模块，包括自动调整硬件和软件。阻力调整控制模块的功能，是根据所期望的过渡航态速度区间，生成最优的增阻减阻附件配置指令，并通过闭环控制实施增阻减阻附件的增阻减阻效果实施。区别于已有技术中的减阻自动调整装置，只是通过闭环控制实现减阻附件的执行以实现姿态稳定、减阻节能的效果。

本申请实施例提供的阻力调整装置评估模块，包含评估硬件和软件。阻力调整装置评估模块的功能，是评估不同增阻减阻附件的增阻减阻效果，是已有技术还缺乏的部件功能。阻力调整装置评估模块，能够根据各个增阻减阻附件的不同组合配置和实际增阻减阻效果，计算不同增阻减阻附件的增阻减阻响应速度、响应比例，然后在线动态估计更新每个增阻减阻附件的增阻减阻最优配置参数和权值参数，使得增阻减阻附件自动调整控制模块可以实施最快速、最有效的控制。

本申请实施例提供的稳速控制系统，包括稳速控制模块(阻力曲线决策)、稳速辨识模块(阻力曲线学习辨识)。稳速控制系统是通过改变过渡航态不稳定速度区间为技术手段的控制系统，区别于已有技术中，仅仅通过动力系统的输出调节为技术手段。

本申请实施例提供的稳速辨识模块(阻力-速度曲线学习辨识模块)，其功能是通过实时的动力输出和速度测量，通过系统辨识算法拟合评估船舶的阻力-速度曲线，并得出过渡航态的不稳定速度区间参数。区别于已有的技术中，一种仅仅是通过流体动力学仿真计算阻力-速度曲线，另一种仅仅是根据拖曳试验数据拟合计算计算阻力-速度曲线。

本申请实施例提供的稳速控制模块，其功能是根据输入的期望航速参数，从已辨识的阻力-速度曲线中选择合适过渡航态不稳定速度区间，使得期望航速在所选择的阻力-速度曲线中容易实现近似线性的控制。

本申请实施例在设计基于变推力控制的滑行艇稳速控制时，考虑到如下几种情况：

1)存在没有安装增阻减阻附件的船艇情况。

2)安装了增阻减阻附件的船艇，存在增阻减阻附件失效或降效的情况。

3)安装了增阻减阻附件的船艇，其最大阻力、无减阻和最大减阻的曲线分别所形成的过渡航速区间，存在交叉重叠的区间情况。

那么，根据本申请前述设计的稳速控制方法，并不能完全解决船艇的稳速控制问题。因此，本申请实施例还设计了基于变推力控制的滑行艇稳速控制方法，利用小波函数拟合不稳定的阻力-速度曲线中的不稳定速度区间，根据发动机的最大控制调整幅度，通过小波滤波算法对拟合的小波函数进行过滤.如图4所示，利用滤波后的小波函数作为发动机的输入，实现发动机的变推力控制输出，通过在一个周期内变推力的叠加效果，可以实现平均速度与期望速度的逼近，从而实现周期性期望速度目标的稳定控制效果。区别于已有技术中，变推力控制只是用于减少海豚跳的风险，并没有用于期望速度的稳定控制。

参照图6，示出了本申请一个实施例的一种终端设备的示意图。如图6所示，本实施例的终端设备600包括：处理器610、存储器620以及存储在所述存储器620中并可在所述处理器610上运行的计算机程序621。所述处理器610执行所述计算机程序621时实现上述航艇的多航态稳速控制方法各个实施例中的步骤，例如图3所示的步骤s301至s304。或者，所述处理器610执行所述计算机程序621时实现上述各实施例中各模块/单元的功能。

示例性的，所述计算机程序621可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器620中，并由所述处理器610执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段可以用于描述所述计算机程序621在所述终端设备600中的执行过程。

所述终端设备600可包括，但不仅限于，处理器610、存储器620。本领域技术人员可以理解，图6仅仅是终端设备600的一种示例，并不构成对终端设备600的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备600还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器610可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器620可以是所述终端设备600的内部存储单元，例如终端设备600的硬盘或内存。所述存储器620也可以是所述终端设备600的外部存储设备，例如所述终端设备600上配备的插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard，smc)，安全数字(securedigital，sd)卡，闪存卡(flashcard)等等。进一步地，所述存储器620还可以既包括所述终端设备600的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器620用于存储所述计算机程序621以及所述终端设备600所需的其他程序和数据。所述存储器620还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本申请实施例还提供了一种船艇的多航态稳速控制装置，包括船艇本身，以及安装于所述船艇上的增阻减阻附件系统、稳速控制系统、自动导航制导控制系统、动力系统和传感器系统；其中：

所述稳速控制系统，用于获取所述船艇当前的期望速度；基于所述期望速度，从预设的多种阻力-速度曲线中确定目标曲线；根据所述目标曲线，确定所述多种增阻减阻附件的目标参数组合；所述多种阻力-速度曲线通过对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行学习得到，在所述目标曲线中，所述期望速度属于所述目标曲线中的近似线性可控区间；

所述增阻减阻附件系统，用于按照所述目标参数组合，对所述多种增阻减阻附件的可控参数进行调整，实现所述目标曲线的阻力参数，以控制所述期望速度位于所述目标曲线的近似线性可控区间上；

所述自动导航制导控制系统，用于计算所述期望速度，所述自动导航制导控制系统由导航规划、轨迹优化制导、运动控制模块组成，实现船舶自动驾驶功能，根据环境和任务，以及传感器数据，实时规划航路，根据航路、任务目标、船艇性能确定制导轨迹和制导律，根据制导指令和控制模型计算轨迹跟踪或镇定控制等运动控制的指令输出，将运动控制的速度和航向指令发送给所述的稳速控制系统，从而实现船艇的自动航行和任务自动执行。

由于上述船艇的多航态稳速控制装置与前述实施例中介绍的船艇的多航态稳速控制装置基本类似，相关细节可以参见前述实施例中的描述，在此不再赘述。

本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述各个实施例所述的船艇的多航态稳速控制方法。

本申请实施例还提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行前述各个实施例所述的船艇的多航态稳速控制方法。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。