一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向船舶動力定位控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及動力定位控制領域，具體涉及一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向動力定位控制方法。本發(fā)明包括：通過測量系統(tǒng)測量船舶的位置和艏向；利用卡爾曼濾波器濾除掉波浪的高頻干擾和量測傳感器在測量船舶位置和艏向過程中產生的測量噪聲，將得到的船舶真實的位置和艏向信息發(fā)送給系統(tǒng)PID控制器；基于環(huán)境最優(yōu)艏向動力定位控制器,用環(huán)境估計算法對外界環(huán)境干擾進行估計,并計算環(huán)境最優(yōu)艏向；將計算得到的最優(yōu)艏向發(fā)送給船舶PID控制器：控制器向推進器發(fā)送指令,將船舶移動到最優(yōu)艏向位置。此方法增強了尋優(yōu)的快速性，降低了計算量，而且大大提高了控制器的執(zhí)行效率，降低了推進器頻繁使用帶來的磨損。
【專利說明】一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向船舶動力定位控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及動力定位控制領域，具體涉及一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向動力定位控制方法。

【背景技術】
[0002]動力定位(Dynamic Posit1ning,簡稱DP),是一種可以不用錨系而自動保持海上浮動裝置的定位方法。
[0003]隨著人們在海洋中的工程作業(yè)活動日益增多，長期運行在海洋中的動力定位船舶或設備所消耗的能量與排放的廢氣不可忽視。近年來，學者提出多種以實現(xiàn)船舶節(jié)能減排為目的的船舶動力定位控制策略，包括綠色動力定位、環(huán)境最優(yōu)動力定位等，環(huán)境最優(yōu)動力定位又包括零側推控制與零艏搖轉矩控制等。Fossen.T.1針對海上作業(yè)系統(tǒng)提出了環(huán)境最優(yōu)位置控制的概念(Weather Optimal Posit1ning Control = W0PC)。環(huán)境最優(yōu)位置控制的控制目標是使海上作業(yè)系統(tǒng)根據(jù)海洋環(huán)境的變化自動調整艏向，以達到最佳艏搖角度值。該方法的最主要特點就是不需要任何環(huán)境力的測量裝置就能夠使船舶工作在最佳艏搖角度。基于鐘擺的思想，然后主要吸取Fossen.T.1提出的WOPC的概念，謝笑穎在他的碩士論文環(huán)境最優(yōu)區(qū)域動力定位控制方法研究中設計了最優(yōu)艏向控制器，但是在尋優(yōu)的快速性，穩(wěn)定性和尋優(yōu)的精度等方面還有很大欠缺而且在區(qū)域定位控制器的設計中，預測控制的計算量太大，很容易對控制的實時性產生影響。
[0004]本方法是一種基于環(huán)境估計的環(huán)境最優(yōu)動力定位，區(qū)別于W0PC、零側推控制與零艏搖轉矩控制等。目前國內外文獻中，未出現(xiàn)過采用本方法的環(huán)境最優(yōu)動力定位策略。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種實時計算環(huán)境最優(yōu)艏向，控制船舶實現(xiàn)環(huán)境最優(yōu)動力定位的方法。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0007](I)通過測量系統(tǒng)測量船舶的位置和艏向；
[0008](2)利用卡爾曼濾波器濾除掉波浪的高頻干擾和量測傳感器在測量船舶位置和艏向過程中產生的測量噪聲，將得到的船舶真實的位置和艏向信息發(fā)送給系統(tǒng)PID控制器；
[0009](3)基于環(huán)境最優(yōu)艏向動力定位控制器，用環(huán)境估計算法對外界環(huán)境干擾進行估計，并計算環(huán)境最優(yōu)艏向；
[0010](4)將計算得到的最優(yōu)艏向發(fā)送給船舶PID控制器:
[0011](5)控制器向推進器發(fā)送指令，將船舶移動到最優(yōu)艏向位置。
[0012]步驟⑶中環(huán)境估計算法為:

【權利要求】
1.一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向船舶動力定位控制方法，其特征在于: (1)通過測量系統(tǒng)測量船舶的位置和艏向； (2)利用卡爾曼濾波器濾除掉波浪的高頻干擾和量測傳感器在測量船舶位置和艏向過程中產生的測量噪聲，將得到的船舶真實的位置和艏向信息發(fā)送給系統(tǒng)PID控制器； (3)基于環(huán)境最優(yōu)艏向動力定位控制器，用環(huán)境估計算法對外界環(huán)境干擾進行估計，并計算環(huán)境最優(yōu)艏向； (4)將計算得到的最優(yōu)艏向發(fā)送給船舶PID控制器: (5)控制器向推進器發(fā)送指令，將船舶移動到最優(yōu)艏向位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向船舶動力定位控制方法，其特征在于:步驟(3)中環(huán)境估計算法為:
L.,為環(huán)境作用估計，分別是環(huán)境干擾的合力對船舶的縱向作用力、橫向作用力和艏搖力矩，K。是整定對稱常矩陣，β是中間輔助變量，M是系統(tǒng)慣性矩陣，V是船舶運動速度向量，
環(huán)境作用的估計偏差:= -^胃，τ _為實際環(huán)境干擾的合力，Tmv為估計環(huán)境干擾的合力，環(huán)境作用估計#_的微分為
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向船舶動力定位控制方法，其特征在于:步驟(3)環(huán)境最優(yōu)艏向為:
Ψ為船舶當前艏向，為環(huán)境最優(yōu)艏向，sigiUr.,,, >表示外界環(huán)境作用到船舶上的橫向力的正負號。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于環(huán)境估計的實時環(huán)境最優(yōu)艏向船舶動力定位控制方法，其特征在于:所述步驟(5)中，更新目標艏向時，船舶目標位置為(xd，yd)，并要求船舶時刻保持環(huán)境最優(yōu)艏向Ψ = Vtjpt,即船舶的目標位置姿態(tài)為Η = [xd, yd, ￥0pt]To
【文檔編號】G05B13/04GK104199464SQ201410406945
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月19日 優(yōu)先權日:2014年8月19日
【發(fā)明者】王元慧, 王修強, 董勝偉, 丁福光, 庹玉龍, 竇向會, 王成龍, 魏飛飛, 馮華, 陶順行 申請人:哈爾濱工程大學