一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法
【專利摘要】本發明涉及動力定位控制領域，具體涉及一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法。本發明包括：通過船上安裝的傳感器系統來測量船舶的位置和艏向；利用卡爾曼濾波器濾除掉波浪干擾中的高頻部分和測量傳感器在測量船舶位置和艏向過程中產生的測量噪聲，將得到的滿足精度要求的船舶的位置和艏向信息發送給狀態反饋控制器；在無風靜水的海洋環境下，根據具體設計的控制器的不同調節相應的參數；根據環境估計算法對作用在船舶上的外界環境干擾力進行估計；將控制器得出的控制力與估計出的環境干擾力相減得出船舶推進器推力及轉矩，從而控制船舶運動。本發明所設計的船舶運動控制方法，在不同海況下船舶運動控制器無需切換控制器算法及其參數。
【專利說明】
一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及動力定位控制領域，具體涉及一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法。

【背景技術】
[0002]對海洋進行充分地探索和研究，進行合理而有效的資源開采，對人類社會的發展起著不可估量的作用。隨著海洋資源開采不斷向深海推進，現如今的一些海上作業平臺，比如浮式生產儲油輪、海洋鉆井平臺等，雖然仍可以完成油氣開采、鋪管鋪纜、海洋地質勘探等，但綜合考慮效果均不理想。在此背景下，船舶動力定位系統(Dynamic Posit1ningSystem，簡稱DPS)應運而生。近年來，動力定位系統對獲取海洋資源的主導權起著關鍵性的作用。船舶動力定位系統是一種通過推進系統產生推力以抵抗外界的環境干擾(風、波浪和海流)，從而動態控制船舶定位在某確定的位置或按照一定的預設航線航行的技術。
[0003]海洋環境變化多端，運動過程中船舶要抵抗不同的環境外力。而控制不同環境合外力影響下的船舶運動，需要調整不同的控制器參數，所以在變化不定的海洋環境中，為保證船舶運動的控制精度不是一件易事。目前，較為先進的控制方法是混雜控制，但是船舶運動控制器需要根據海況的變化自動切換控制算法及其相應參數，比較復雜。本專利中所設計的船舶運動控制方法，在不同海況下船舶運動控制器無需切換控制器算法及其參數。目前國內外文獻中，尚未出現過采用本方法的船舶運動控制器。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種在海況變化時可以使船舶運動控制器不必調整控制算法參數，而使船舶保持運動精度的基于環境估計的船舶運動補償控制方法。
[0005]本發明的目的是這樣實現的:
[0006]步驟1:通過船上安裝的傳感器系統來測量船舶的位置和艏向；
[0007]步驟2:利用卡爾曼濾波器濾除掉波浪干擾中的高頻部分和測量傳感器在測量船舶位置和艏向過程中產生的測量噪聲，將得到的滿足精度要求的船舶的位置和艏向信息發送給狀態反饋控制器；
[0008]步驟3:在無風靜水的海洋環境下，根據具體設計的控制器的不同調節相應的參數；
[0009]步驟4:根據環境估計算法對作用在船舶上的外界環境干擾力進行估計；
[0010]步驟5:將控制器得出的控制力與估計出的環境干擾力相減得出船舶推進器推力及轉矩，從而控制船舶運動。
[0011]環境干擾力為:
[0012]Tm {?) = β+Κ^Μν
[0013]式中，fenv=[f?nA-,ft?n,.,r,?uV]r為環境作用估計，分別對應環境干擾對船舶的縱向、橫向合力和艏向合力矩，K。是一個設定的整定對稱常矩陣，β是中間輔助變量:
[0014]β = -Κ0β - K,(-D(V)V-μ + τ+ Κ!ΛΜν)
[0015]環境作用的估計偏差:
[0016]Tenv =Tenv -Tmv
[0017]τ _對應實際的環境干擾對船舶的作用，對應估計出的環境干擾對船舶的作用的微分為:
^env= β+Κ^Μ ^
—-Κ、、β — Ktt(—D(v)v — μ + τ + K11Mv) + KuMM 丨{—D(y)v — μ+τ + Tenv)
= -KJB+KMv-r )
[0018]0 envJ
=Ki^Tcm-{β +KnMv))

= K0(Jenv-^env)

= K0Tenv
[0019]Tenv = iem.— Tmv = Tenv — K0Tenv




O
[0020]控制器計算出的控制力減去估計出的環境力，得出船舶推進器推力及轉矩，控制方法中的控制器采用任何可以應用于船舶運動控制的控制算法。
[0021 ] 控制算法為PID算法:
[0022]PID控制器為:
[0023]u = Κρηε + K, ? η-- + Kv 也
J dl
[0024]Kp,K1和Kd為PID算法中的比例系數；Πe為船舶期望目標位置姿態nd和實際位置姿態n之間的偏差，即ne = nd-n, n = [χ,y, ψ]τ，分別對應船舶實際北東位置和艏向角；nd = [xd, yd, vd]T，對應船舶期望北東位置和艏向角，船舶推進器輸出推力與力矩為:
[0025]T = U- Tmv


O
[0026]本發明的有益效果在于:
[0027]本發明所設計的船舶運動控制方法，在不同海況下船舶運動控制器無需切換控制器算法及其參數。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發明方法流程圖；
[0029]圖2為本發明系統結構方框圖。

【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
[0031]基于環境估計的船舶運動補償控制方法，
[0032]步驟1:通過船上安裝的傳感器系統來測量船舶的位置和艏向；
[0033]步驟2:利用卡爾曼濾波器濾除掉波浪干擾中的高頻部分和測量傳感器在測量船舶位置和艏向過程中產生的測量噪聲，將得到的滿足精度要求的船舶的位置和艏向信息發送給狀態反饋控制器；
[0034]步驟3:在無風靜水的海洋環境下，根據具體設計的控制器的不同調節相應的參數。
[0035]步驟4:根據環境估計算法對作用在船舶上的外界環境干擾力進行估計。
[0036]步驟5:將控制器得出的控制力與估計出的環境干擾力相減得出船舶推進器推力及轉矩，從而控制船舶運動。
[0037]步驟2中，卡爾曼濾波器采用強跟蹤擴展卡爾曼濾波。
[0038]步驟3中，控制器采用應用最普遍的PID控制器。
[0039]步驟4中，估計出的環境外力由以下公式計算獲得:
[0040]τ.ιη(() =/J+K0Mv
[0041]式中，?_=mv]r為環境作用估計，分別對應環境干擾對船舶的縱向、
橫向合力和艏向合力矩。K。是一個設定的整定對稱常矩陣，β是一個中間輔助變量，可由以下公式計算得到:
[0042]β = -Κ{)β - K(){-D{v)v -μ + τ + KttMv)
[0043]附圖1是基于環境估計的船舶運動補償控制流程圖，描述了船舶運動控制器的處理過程。
[0044]本發明的目的按如下步驟實現:
[0045]步驟1:通過船上安裝的傳感器系統來測量船舶的位置和艏向；
[0046]通過衛星定位系統GPS測得船舶的北東位置，通過電羅經測得船舶的艏向信息，共同構成船舶的位置信息。
[0047]步驟2:通過位置參考系統測得的位置信息包含測量噪聲和高頻干擾，將測得的位置信息進行濾波，得到濾除測量噪聲和高頻干擾的船舶位置和艏向
[0048]n = [x, y, ψ]τ
[0049]其中χ為大地坐標系船舶的北向位置，y為大地坐標系下船舶的東向位置，Ψ為船舶的艏向值。
[0050]濾波采用強跟蹤擴展卡爾曼濾波器，將得到的船舶位置和艏向信息發送給狀態反饋控制器。
[0051]步驟3:在無風靜水的海洋環境下，根據具體設計的控制器的不同調節相應的參數；
[0052]本發明中采用的是非常基礎和非常實用的PID控制器。PID控制器魯棒性很強，對被控對象的特性變化不太敏感。在PID控制中，比例環節,積分環節和微分環節的控制是相互影響的，其參數選取的好壞直接影響PID控制器的控制效果。各環節的作用如下:
[0053]比例環節(Kp)的調整，控制器成比例的產生控制作用，達到減小偏差的效果；
[0054]積分環節(Ki)的調整，主要作用為消除靜態誤差，積分作用不能調節的太強，會導致系統不穩定；
[0055]微分環節(Kd)的調整，影響系統的動態特性，等于是提前引入修正信號，加快系統調整速度。
[0056]根據PID控制器中的三個環節對系統的不同影響及相互之間的影響合理的選取PID的參數。
[0057]步驟4:根據環境估計算法對作用在船舶上的外界環境干擾力進行估計。
[0058]根據環境估計算法對外界環境干擾進行估計。
[0059]令Ktm，LmU為環境作用的估計，其計算表達式如下式所示:
[0060]τ,ιη {1) = β f K0Mv
[0061]式中，Ktl是一個設定的整定對稱常矩陣，β是一個中間輔助變量，β由下式計算可以獲得。
[0062]/) = - K(、β _ K'、{-D{v、v _ μ + τ + KV}Mv)
[0063]定義環境作用的估計偏差:
「00641 T ~ T —T
LWWT」^env^env
[0065]式中，τ _對應實際的環境干擾對船舶的作用，Lv對應估計出的環境干擾對船舶的作用。
[0066]Tenv的微分為
Iuv^/3+KuMv
~ — Kf)(—D(v)v — ρ + τ + KnM V) + KtyMM 1 (-D(v)v — μ + τ + τ(,ηΛ,)
= -ΚΛβ +Κ,Μν-τ )
[0067]oKF 0額,

= Ky){Tt,llv-1fi + KvMv))
= - U

= K0Tenv
[0068]所以
[0069]Tenv = i_ - Tem.= ienr -K0Ttpv
[0070]通過上式可以很容易證明該環境估計器的穩定性。
[0071]步驟5:控制器計算出的控制力減去估計出的環境力，得出船舶推進器推力及轉矩，從而控制船舶的運動。該控制方法中的控制器可以采用任何可以應用于船舶運動控制的控制算法，從步驟3可知本發明中的控制器采用的是最普遍的PID控制算法。
[0072]PID控制器由式表示:
[0073]u = KpIi + K, j η/-- + Kn
[0074]式中，Kp, K1和Kd為PID算法中的比例系數；為船舶期望目標位置姿態！^和實際位置姿態n之間的偏差，即ne = nd-n。其中，n = [χ,y, ψ]τ，分別對應船舶實際北東位置和艏向角；nd = [xd, yd, vd]T，分別對應船舶期望北東位置和艏向角。
[0075]最終，船舶推進器輸出推力與力矩為:
[0076]T=U-T
[0077]附圖2是基于環境估計的船舶運動補償控制系統的結構方框圖。
【權利要求】
1.一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法，其特征在于: 步驟1:通過船上安裝的傳感器系統來測量船舶的位置和艏向； 步驟2:利用卡爾曼濾波器濾除掉波浪干擾中的高頻部分和測量傳感器在測量船舶位置和艏向過程中產生的測量噪聲，將得到的滿足精度要求的船舶的位置和艏向信息發送給狀態反饋控制器； 步驟3:在無風靜水的海洋環境下，根據具體設計的控制器的不同調節相應的參數； 步驟4:根據環境估計算法對作用在船舶上的外界環境干擾力進行估計； 步驟5:將控制器得出的控制力與估計出的環境干擾力相減得出船舶推進器推力及轉矩，從而控制船舶運動。
2.根據權利要求1所述的一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法，其特征在于: 所述環境干擾力為:
f‘,,? ^t) = β +K0Mv 式中，t,'' =Ltn^tnr,為環境作用估計，分別對應環境干擾對船舶的縱向、橫向合力和艏向合力矩，Ktl是一個設定的整定對稱常矩陣，β是中間輔助變量:β = -KJ1- K() (-D(v)v-μ + τ + KnMv) 環境作用的估計偏差:
_ Tenv ^env
對應實際的環境干擾對船舶的作用，f￡m對應估計出的環境干擾對船舶的作用，Lv的微分為:
L' =β + Κ()Μν
=-KJ — K0(-D(y)v-μ + τ + KnMv) + KnMM 1 (-D(v)v-μ+τ f r?；1.)
= -Κ{)(β +K0Mv-TeJ
= [u(r?.- U
= K0Tenv
^env = ^env ~^env = ^em- - [0(m.0
3.根據權利要求1所述的一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法，其特征在于:用所述控制器計算出的控制力減去估計出的環境力，得出船舶推進器推力及轉矩，控制方法中的控制器采用任何可以應用于船舶運動控制的控制算法。
4.根據權利要求3所述的一種基于環境估計的船舶運動補償控制方法，其特征在于:所述的控制算法為PID算法: PID控制器為:
U = KpIj1.+K1^ ιι.?+ Kn^- Kp, K1和Kd為PID算法中的比例系數；Π e為船舶期望目標位置姿態Π d和實際位置姿態η之間的偏差，即ne = nd-n, n = [x,y, ψ]τ,分別對應船舶實際北東位置和艏向角；nd= [xd,yd, vd]T，對應船舶期望北東位置和艏向角，船舶推進器輸出推力與力矩為:T-U-τ
【文檔編號】G05B13/04GK104181815SQ201410407012
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月19日 優先權日:2014年8月19日
【發明者】王元慧, 庹玉龍, 董勝偉, 付明玉, 王修強, 竇向會, 趙大威, 馮華, 陶順行, 魏飛飛 申請人:哈爾濱工程大學