基于四象限流体动力学的集装箱船动态轨迹跟踪与自主靠泊控制 陈晨伟（Chen-Wei Chen）、 尹家豪（Jiahao Yin）、 卢家林（Jialin Lu）、 陈沉吟（Chin-Yin Chen）、 严宁民（Ningmin Yan） 馮卓（Zhuo Feng）

《Journal of Marine Science and Engineering》：Dynamic Trajectory Tracking and Autonomous Berthing Control of a Container Ship Based on Four-Quadrant Hydrodynamics Chen-Wei Chen, Jiahao Yin, Jialin Lu, Chin-Yin Chen, Ningmin Yan and Zhuo Feng

　　

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摘要

ofil class="html-p"> 为了应对大型船舶在受限水域停靠作业过程中遇到的强非线性流体动力耦合和复杂操控挑战，本文提出了一种高精度自主停靠控制系统，该系统结合了四象限螺旋桨的流体动力学特性。基于改进的数学操控组（MMG）框架，建立了三自由度（3-DOF）动态模型，以准确捕捉螺旋桨在所有四个象限内的瞬态推力和 torque 变化。该系统采用了具有非线性衰减接受半径的动态视线（LOS）引导机制，并与 PD/PI 控制器紧密耦合，以协调和调节舵角及螺旋桨转速。数值求解器经过严格验证，其与 S-175 集装箱船的转向测试数据对比后，关键参数的误差均控制在 15% 以内。随后，在洋山港的环境条件下，对新型 B-573 集装箱船进行了全条件路径规划及停靠仿真，模拟了不同强度水平（0 至 1.5 米/秒）和多种流速方向的稳态水流干扰。定量评估表明，在 1.0 米/秒的极具挑战性的水流条件下，动态修正机制有效将全局平均绝对误差（MAE）控制在 85.50 米以内，相比瞬态峰值降低了 62%。此外，基于累积横向误差的参数敏感性分析显示，当基础流体动力学参数发生变化时，所提出的系统能够将轨迹误差的波动抑制在非常低的水平，从而证明了该系统的控制鲁棒性。在终端停靠阶段，船舶在 588 秒内从初始速度 6.4 米/秒顺利完成极值减速至完全停止，同时将最大后退转速限制在 ?2 转/秒，并顺利通过螺旋桨的四个象限。实验结果证实，所提出的自动导航框架在复杂的海洋环境中具有相当的工程可行性。 "