[發明專利]一種船舶動力定位系統非線性狀態估計方法

在審

• 申請號: 201710959387.7
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107742026A
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 李文娟;楊奕飛;姚震球;袁偉;蘇貞
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學;江蘇科技大學海洋裝備研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;B63B9/00
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙)11316
• 代理人: 滑春生

技術領域

本發明涉及船舶動力定位技術，特別涉及一種船舶動力定位系統非線性狀態估計方法。

背景技術

水面上的船舶處于復雜的運動環境之中，同時受到低頻和高頻作用力的影響，為了減少推進器的損耗、控制器所需的能量以及降低設備的制造成本，在設計動力定位系統時，要求控制器給出的推進指令盡可能的只抵消緩慢變化的低頻作用力，而盡量不響應由一階波浪力引起的高頻作用力。動力定位系統中的狀態估計濾波器的主要作用就是濾去測量系統中包含的高、低頻噪聲，將測量值中的高頻和低頻分開，并且估計出測量系統無法給出的運動參數。因此，狀態估計濾波器在動力定位系統中的作用至關重要。

擴展卡爾曼濾波是非線性系統常用的濾波方法，然而在對非線性系統線性化的過程中，不可避免地會引起線性化誤差，濾波精度可能會大大降低，且在線性化過程中，需要計算系統方程的雅克比矩陣，該矩陣的計算有一定的難度。無跡卡爾曼濾波直接對系統的非線性函數的統計特性進行近似，而不是對非線性函數線性近似，且不需要計算雅克比矩陣，在一定程度上解決了擴展卡爾曼濾波存在的問題。基于蒙特卡羅仿真的粒子濾波，也常用來處理非線性系統的狀態估計問題，但計算量較大。

由于動力定位船舶工作環境的多變性及不確定性，運動模型中的波浪頻率、噪聲等參數是不確定的。參數的不確定性會給濾波精度產生極大的影響，甚至會引起濾波的發散現象。

由于低頻非線性運動模型較為復雜，現有的方法側重于對高頻線性運動模型中的參數進行估計。結合船舶動力定位系統運動模型的特點，針對低頻運動模型及其它相關模型中噪聲參數的估計算法，一方面保證參數估計盡可能準確，另一方面保證實時性，對動力定位系統狀態估計模型中的相關參數展開研究有著十分重要的意義。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種保證參數估計盡可能準確且具有實時性的船舶動力定位系統非線性狀態估計方法。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：一種船舶動力定位系統非線性狀態估計方法，其創新點在于：所述估計方法包括如下步驟：

(1)定位船舶利用測量系統包括位置參考系統及傳感器系統獲得船舶位置信息、艏向信息和風速；

(2)建立海洋環境下船舶水平面運動數學模型；

(3)將線性高頻運動模型中的波浪頻率參數波動引起的誤差歸結至噪聲項，使用自適應無跡卡爾曼濾波將噪聲信息濾除并分離出高頻運動及低頻運動信息；

(4)將所獲得的低頻運動信息包括船舶位置、艏向和船舶速度輸入到控制器，以計算出船舶維持預期運動狀態所需要的推力及推力矩，并將推力及推力矩分配到各個推進器。

進一步地，所述步驟(1)的位置參考系統及傳感器系統包括衛星導航系統、水聲定位系統、張緊索、電羅經和風速風向儀，用于測量船舶橫蕩、縱蕩位置、艏搖角和風速。

進一步地，所述步驟(2)的船舶水平面運動數學模型如下所示：

y_k＝Hx_k+v_k

式中，x＝[ξ_h^T,η^T,υ^T,b^T]^T，H＝[C_h,I_3×3,0_3×3,0_3×3]。其中，

ξ_h＝[∫x_hdt,∫y_hdt,∫ψ_hdt,x_h,y_h,ψ_h]^T，C_h＝[0_3*3 I_3*3]，