[發(fā)明專利]船舶運動控制系統(tǒng)的Kalman三自由度解耦濾波方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911337502.2
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111025909B
• 公開（公告）日: 2023-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李新飛;陳忠言;袁利毫;昝英飛;高嵩;王慶;賈輝;李桐
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明屬于船舶運動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種船舶運動控制系統(tǒng)的Kalman三自由度解耦濾波方法。本發(fā)明利用DP控制系統(tǒng)獲取的傳感器測量信息和連續(xù)型Kalman濾波算法，根據(jù)DP船舶的船舶模型和海洋環(huán)境參數(shù)，設(shè)計了Kalman三自由度解耦濾波方法，對船舶的運動信息進(jìn)行重組和計算，實現(xiàn)位置及航向信息的濾波，并估計出DP船舶的實際位置、航向及一階波浪力干擾力。通過仿真實現(xiàn)，證明本發(fā)明濾波效果明顯，有效地消除了一階波浪力的干擾。本發(fā)明對于DP船舶的運動控制濾波來說具有重要的研究意義和工程價值，有利于降低船舶運動控制器的設(shè)計難度，減少推進(jìn)系統(tǒng)的無效推力輸出及旋轉(zhuǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于船舶運動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種船舶運動控制系統(tǒng)的Kalman三自由度解耦濾波方法。

背景技術(shù)

當(dāng)今全球各國的經(jīng)濟(jì)正在高速的發(fā)展中，各國對能源的消耗也在與日俱增，眾多科學(xué)家早已將目光投向具有豐富自然礦藏資源的海洋領(lǐng)域。面對海洋環(huán)境的復(fù)雜多變，必須使得船舶擁有先進(jìn)的控制系統(tǒng)，因此一個新的系泊方式—動力定位系統(tǒng)誕生了。動力定位系統(tǒng)可以使船舶在深水海域以及復(fù)雜環(huán)境海域下保持自身位置的恒定以及運動航跡的穩(wěn)定，同時可以迅速進(jìn)入以及離開工程地點。

DP船舶在海洋中運動時，周圍海洋環(huán)境的擾動會明顯地影響船舶的運動與控制，而且擾動具有較強(qiáng)的波動性和隨機(jī)性，其對于研究船舶的運動以及響應(yīng)特性來說，會產(chǎn)生一定的干擾。船舶運動過程中，主要影響船舶運動的環(huán)境因素有風(fēng)、浪、流，其中海浪導(dǎo)致引起產(chǎn)生的一階波浪力會導(dǎo)致船舶發(fā)生高頻運動，并且這種運動是均值為零的往復(fù)運動，船舶不應(yīng)抵抗的運動，如果船舶抵抗響應(yīng)這種高頻運動就會引起很多不必要的控制，進(jìn)而使得船舶的推進(jìn)系統(tǒng)會不斷的響應(yīng)這種高頻運動，加速推進(jìn)系統(tǒng)的磨損老化，消耗過多的能量。

如果在DP控制系統(tǒng)中加入了合適的濾波器，濾波器能將位置及航向信號中的的高頻運動濾除并估計，同時保留低頻信號，并估計船舶的實際位置，從而計算出測量系統(tǒng)中的高斯白噪聲，使船舶僅僅響應(yīng)低頻運動的擾動，必然會提升系統(tǒng)的控制以響應(yīng)能力，同時減少不必要的推力輸出和推進(jìn)器回轉(zhuǎn)，提升動力定位系統(tǒng)的能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供實現(xiàn)船舶的高精度運動濾波控制的一種船舶運動控制系統(tǒng)的Kalman三自由度解耦濾波方法。

本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)：包括以下步驟：

步驟1：依據(jù)DP船舶的船舶模型獲取無因次質(zhì)量矩陣M和阻尼矩陣D；

步驟2：依據(jù)DP船舶在港口不運動時獲取的數(shù)據(jù)記錄的樣本協(xié)方差，獲取測量噪聲協(xié)方差矩陣R；

其中，表示第i個傳感器的測量噪聲的協(xié)方差，通過船舶在港口不運動時獲取的數(shù)據(jù)記錄的樣本協(xié)方差來估計；

步驟3：設(shè)定具有正可調(diào)參數(shù)的對角線的狀態(tài)噪聲協(xié)方差Q；

步驟4：設(shè)置誤差協(xié)方差矩陣的初始值為P₀＝I_15×15，通過DP船舶實際位置確定初始位置x₀；

步驟5：依據(jù)海浪強(qiáng)度的參數(shù)、阻尼系數(shù)、主導(dǎo)海浪頻率及船舶輸出推力矩計算確定偏差矩陣b、矩陣E和矩陣A；

其中：

I_3×3為3階單位矩陣；

步驟6：依據(jù)DP船舶需要濾除一階波浪力干擾的要求，確定矩陣H；