專利名稱：一種船舶動力定位參數(shù)自適應觀測器的在線調(diào)整方法
技術領域：
本發(fā)明涉及動力定位控制領域，具體涉及一種動力定位系統(tǒng)中的觀測器的在線調(diào)整方法。
背景技術：
觀測器設計是船舶動力定位系統(tǒng)需要考慮的重要問題。船舶動力定位系統(tǒng)利用狀態(tài)觀測器或濾波器從含有噪聲的位置和艏向測量值中重構低頻運動部分，其功能在于確保推進器系統(tǒng)只對慢變干擾力進行抵抗，而將一階波浪力引起的高頻振蕩運動排除在反饋控制回路之外，從而降低機械結構磨損。在生產(chǎn)實踐中，要求動力定位系統(tǒng)能夠保證船舶在多種不同的海洋環(huán)境和速度范圍內(nèi)良好的運行，滿足不同任務目標要求，并具有充分的可靠性和經(jīng)濟性，擴大船舶在海洋 中的可操作天氣范圍，延長船舶在海洋中的可運行時間。目前大多數(shù)動力定位船舶只可工作在確定的海況條件下，而現(xiàn)實中，需要動力定位船可以在不同海洋環(huán)境中工作。針對這種變化海況情況，需要為船舶動力系統(tǒng)設計一種適應海況變化的自適應觀測器。目前為止針對船舶動力系統(tǒng)已經(jīng)存在很多種觀測器設計方法，如卡爾曼濾波和非線性無源觀測器等，這些觀測器都是在假設了解海況情況下對高頻進行濾波的，也就是假設知道海浪的峰值頻率，而現(xiàn)實中峰值頻率是不斷緩慢變化的。所以當海況變化時，如何自動的調(diào)整觀測器的參數(shù)是目前需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高動力定位控制系統(tǒng)的可靠性和船舶的定位精度，使動力定位船在變化海況情況下更好的工作的船舶動力定位參數(shù)自適應觀測器的在線調(diào)整方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明包括如下步驟(I)測量船舶的位置，將數(shù)據(jù)轉化到統(tǒng)一的坐標系下；(2)通過觀測器或濾波器濾掉高頻干擾；(3)利用AR譜估計模型對船舶運動響應數(shù)據(jù)進行AR譜估計，AR譜估計模型為
「 ，pD = ^I、七—
I + ^ Ok e
k=l其中Pxx為功率譜密度函數(shù)，p為AR模型的階數(shù)，ak為AR模型預測誤差系數(shù)，<為前向預測誤差功率，e為指數(shù)函數(shù)，j為虛數(shù)，w為采樣頻率。(4)選取頻譜曲線的峰值點，解算出對應的峰值頻率，對三個自由度上的峰值頻率取均值得到最終的峰值頻率《p，并把獲得的峰值頻率發(fā)送給觀測器進行參數(shù)K1和K2的在線更新；
(5)通過自適應觀測器濾掉高頻信息，得到船舶位置衍P速度，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給動力定位系統(tǒng)。AR 譜估計包括相關函數(shù)法、周期圖法、最大熵法、最大似然估計法、超分辨率法和類似算法。采用最終預測誤差準則對AR模型階數(shù)進行選擇。本發(fā)明的有益效果在于采用AR模型法對船舶三自由度運動數(shù)據(jù)進行在線譜估計，對獲得譜曲線進行分析得到峰值頻率并對觀測器進行在線更新，該方法可以保證觀測器可以實時的獲得變化海況的峰值頻率，提高船舶在變海況下的作業(yè)精度。


圖I為參數(shù)自適應觀測器在線調(diào)整流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。本發(fā)明提出的非線性參數(shù)自適應觀測器模型如下
i=Ai+Kj tj = R(ij/V)v + h TIb = -Tb1^KJ
Mv = -Dv + Rr {\ffy)b + T+ Rt (y/y )K4y
y = [^ + cjJ其中n = [X, y, V]T是北東坐標系下的船舶位置，j)為觀測器輸出的位置，R(￥)為旋轉矩陣
cos // -smi// 0R{y/、= sin V/ cosy/ 0 ；
0 0 IT = [Tx, Ty, T Jt是控制器輸入向量；Tb G R3x3是偏差時間常數(shù)的對角矩陣，偏差b G R3xi表示未建模的環(huán)境力和力矩；質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣D定義如下
_m-Xu 00 I [-X 0 0 _M= 0 m-Yv mxG-Yr ,D= 0 -Yr -Yr
0 mxG — N- I2 - Ni.0 -Nv -Nr其中XuU'ddA’Nj Iz為水動力參數(shù)，m為剛體質(zhì)量，為剛體重心在X方向的坐標；I = [xw，yw, ￥w, uw, vw, rwJT為在縱蕩、橫蕩和艏搖3個自由度上的高頻作用產(chǎn)生的位置和速度向量；Aw’=diag\-(o2ol -0)；2 - ]’A；2 =diag[-2ql(x)ol -I^2Cao2 -2 ] ,Cw= [O3X3 I3X3];相對阻尼系數(shù) € i 的取值范圍為
; COtji被設置為等于波譜的峰值頻率《p，峰值頻率可通過對縱蕩、橫蕩、和艏搖進行譜分析得到= 為估計誤差；dia^lt.k^kA
權利要求
1.一種船舶動力定位參數(shù)自適應觀測器的在線調(diào)整方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)測量船舶的位置，將數(shù)據(jù)轉化到統(tǒng)一的坐標系下； (2)通過觀測器或濾波器濾掉高頻干擾； (3)利用AR譜估計模型對船舶運動響應數(shù)據(jù)進行AR譜估計，AR譜估計模型為 /P- 1+T^ak ^jw 其中Pxx為功率譜密度函數(shù)，P為AR模型的階數(shù)，ak為AR模型預測誤差系數(shù)，σ=為前向預測誤差功率，e為指數(shù)函數(shù)，j為虛數(shù)，w為采樣頻率。
(4)選取頻譜曲線的峰值點，解算出對應的峰值頻率，對三個自由度上的峰值頻率取均值得到最終的峰值頻率ωρ，并把獲得的峰值頻率發(fā)送給觀測器進行參數(shù)K1和K2的在線更新； (5)通過自適應觀測器濾掉高頻信息，得到船舶位置4和速度 ,并把數(shù)據(jù)發(fā)送給動力定位系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種船舶動力定位參數(shù)自適應觀測器的在線調(diào)整方法，其特征在于，所述的AR譜估計包括相關函數(shù)法、周期圖法、最大熵法、最大似然估計法、超分辨率法和類似算法。
3.根據(jù)權利要求I所述的一種船舶動力定位參數(shù)自適應觀測器的在線調(diào)整方法，其特征在于采用最終預測誤差準則對所述的AR模型階數(shù)進行選擇。
全文摘要
本發(fā)明涉及動力定位控制領域，具體涉及一種動力定位系統(tǒng)中的觀測器的在線調(diào)整方法。本發(fā)明包括如下步驟(1)測量船舶的位置，將數(shù)據(jù)轉化到統(tǒng)一的坐標系下；(2)通過觀測器或濾波器濾掉高頻干擾；(3)利用AR譜估計模型對船舶運動響應數(shù)據(jù)進行AR譜估計。(4)選取頻譜曲線的峰值點，解算出對應的峰值頻率，對三個自由度上的峰值頻率取均值得到最終的峰值頻率ωp，并把獲得的峰值頻率發(fā)送給觀測器進行參數(shù)K1和K2的在線更新；(5)通過自適應觀測器濾掉高頻信息，得到船舶位置和速度并把數(shù)據(jù)發(fā)送給動力定位系統(tǒng)。該方法可以保證觀測器可以實時的獲得變化海況的峰值頻率，提高船舶在變海況下的作業(yè)精度。
文檔編號G05B13/04GK102854798SQ20121033427
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月11日 優(yōu)先權日2012年9月11日
發(fā)明者林孝工, 謝業(yè)海, 徐樹生 申請人:哈爾濱工程大學