CN103676654B - 基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统及方法。包括动力定位船舶（2）、推进器（3）、传感器系统（4）、外力估计系统（6）、状态观测器（9）。所述传感器系统（4）包括风传感器（5）、罗经（11）和DGPS（12）；所述外力估计系统（6）包括推力补偿器（7）、风力补偿器（10）以及慢变干扰补偿器（8）。本发明在非线性无源状态观测器的基础上加入合力补偿系统，通过对系统和环境力的建模分析，使用干扰观测器对慢变干扰逼近，并在观测系统中进行补偿，降低了状态观测器的复杂度，提高了速度观测的精度，减小了慢变干扰力对船舶状态观测的影响。

Description

基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种船舶动力定位速度估计系统，本发明也涉及一种船舶动力定位速度估计方法。

背景技术

动力定位是船舶依靠推进器推力的调节，自动保持位置和艏向，多数被应用于危险性较高的海洋工程作业中。国际海事组织及各国船级社规范中均要求动力定位船舶按所入船级等级配备相应种类和数量的位置参考和传感器系统，因此如何有效利用各种传感器的测量信息实现对船舶运动状态的准确估计进而提高动力定位系统的安全性、可靠性和作业性能成为一个亟待解决的问题。在动力定位中，位置、艏向和速度等参数是动力定位控制系统所需使用的运动状态变量，但是普通的动力定位船舶没有配备特殊传感器可对速度、慢变环境力等参数进行直接测量，而这些参数对于提高系统控制性能具有重要作用。

在船舶动力定位作业中，船舶的运动速度通常会作为反馈量用作控制器设计，船舶上并未安装测速装置的情况下，动力定位系统要求具有速度估计的功能以保证其通用性。通常情况下，船舶的速度值可以通过位置的微分得到，但GPS等测量装置均存在不可忽略的测量噪声，测量噪声的存在使得微分得到的速度值往往是不准确的，并且慢变干扰力对船舶状态观测的影响较大，使观测值与实际值之间存在较大的差距。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用范围广、估计精度高的基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统。本发明的目的还在于提供一种船舶动力定位速度估计方法。

本发明的基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统包括动力定位船舶2、推进器3、传感器系统4、外力估计系统6、状态观测器9；

所述传感器系统4包括风传感器5、罗经11和DGPS12，风传感器将测量得到的相对风速和相对风向角信息实时传递给风力补偿器10，罗经和DGPS将测量得到的船舶位置和艏向信息传递给状态观测器9；

所述外力估计系统6包括推力补偿器7、风力补偿器10以及慢变干扰补偿器8；推力补偿器7包括动力定位船舶2的推进器组态及各推进器的动力学模型，它接收控制器给出的各个推进器的螺距信息，计算产生船舶在三个自由度上所受到的推力估计值风力补偿器10接收风传感器测量得到的相对风速和相对风向角信息，并根据动力定位船舶2的主尺度信息计算得到船舶在三个自由度上所受到的风力估计值慢变干扰补偿器8包括一个非线性干扰观测器，它接收推力估计值风力估计值并计算得到慢变干扰力的估计值

所述状态观测器9同时接收传感器系统所反馈的位置姿态信息和外力及推力估计系统计算得到的合力信息，并在系统中进行补偿。

本发明的基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计方法为：

（1）传感器系统4中的风传感器5将测量得到的相对风速U_W和相对风向角Ψ_W信息实时传递给风力补偿器10，罗经11和DGPS12将测量得到的船舶位置和艏向信息传递给状态观测器9；

（2）外力估计系统6中的推力补偿器7、风力补偿器10以及慢变干扰补偿器8对船舶所受到的推力、风力和慢变干扰力进行估计；

（3）状态观测器9同时接收传感器系统所反馈的位置、姿态信息和外力及推力估计系统计算得到的合力信息，并在系统中对其进行补偿，并最终得到船舶的横向速度、纵向速度及转艏角速度的估计值

本发明的基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统及方法，在非线性无源状态观测器的基础上加入合力补偿系统，通过对系统和环境力的建模分析，以及干扰观测器对慢变干扰逼近，并在观测系统中进行补偿，降低了状态观测器的复杂度，提高了速度观测的精度，减小了慢变干扰力对船舶状态观测的影响。同时对推力及外界干扰力的估计还可用于其它动力定位问题和分析，适用范围较广。

附图说明

图1是本发明的基于干扰补偿的船舶动力定位速度观测系统总体结构图；

图2是本发明的速度估计值及理论值对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细地描述。

本发明提供的基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统包括动力定位船舶2、推进器3、传感器系统4、外力估计系统6、状态观测器9；

（1）传感器系统：传感器系统4包括风传感器5、罗经11和DGPS12，风传感器将测量得到的相对风速和相对风向角信息实时传递给风力补偿器10，罗经和DGPS将测量得到的船舶位置和艏向信息传递给状态观测器9。

（2）外力估计系统：外力估计系统6包括推力补偿器7、风力补偿器10以及慢变干扰补偿器8；推力补偿器7包括动力定位船舶2的推进器组态及各推进器的动力学模型，它接收控制器给出的各个推进器的螺距信息，计算产生船舶在三个自由度上所受到的推力估计值风力补偿器10接收风传感器测量得到的相对风速和相对风向角信息，并根据动力定位船舶2的主尺度信息计算得到船舶在三个自由度上所受到的风力估计值慢变干扰补偿器8包括一个非线性干扰观测器，它接收推力估计值风力估计值并计算得到慢变干扰力的估计值

（3）状态观测器：状态观测器9同时接收传感器系统所反馈的位置姿态信息和外力及推力估计系统计算得到的合力信息，并在系统中进行补偿。

另外动力定位船舶2所受合力可以分为海洋环境1造成的干扰力和推力系统3提供的推力两部分，其中海洋环境干扰力包括高频海浪干扰力τ_H、风力τ_W以及慢变力τ_L。慢变力τ_L包括海流作用力、低频海浪干扰力以及未建模动态等。

下面结合附图对本发明的基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计方法作更详细说明。

（1）传感器系统4中的风传感器5将测量得到的相对风速U_W和相对风向角Ψ_W信息实时传递给风力补偿器(10)，罗经11和DGPS12将测量得到的船舶位置和艏向信息传递给状态观测器9。

（2）外力估计系统6中的推力补偿器7、风力补偿器10以及慢变干扰补偿器8对船舶所受到的推力、风力和慢变干扰力进行估计。

推力补偿器包括船舶的推进器组态信息和各推进器的数学模型，接收控制器给出的各个推进器的螺距信息，计算得到船舶在三个自由度上所受到的推力估计值

风力补偿器需要预设船舶的主尺度信息，包括船舶总长L、船舶水线以上正投影面积A_f和侧投影面积A_s，以及船舶水线以上侧投影面积的周长c。风力补偿器包括了一套风力计算方法，它接收风传感器数据，根据实时风向和风速信息，计算船舶所受到的风力估计值并将其传递给状态观测器。

慢变干扰补偿器包括了一个非线性干扰观测器，它接收推力估计值、风力估计值，并计算得到慢变干扰力的估计值中包括船舶所受到的海流作用力、慢变海浪干扰力、船舶未建模动态、以及风力模型和推进系统数学模型中的建模误差。干扰观测器形式如下：

$\stackrel{\·}{z}=-\mathrm{Kz}-K({-\mathrm{DMJ}}^{-1}\left(\mathrm{\η}\right)\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\η}}+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_T+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_W{\mathrm{KMJ}}^{-1}\left(\mathrm{\η}\right)\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\η}})$

${\widehat{\mathrm{\τ}}}_L=z+{\mathrm{KMJ}}^{-1}\left(\mathrm{\η}\right)\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\η}}$

其中，M为船舶的惯性参数矩阵，D为线性阻尼矩阵，J(η)为由随船坐标系到惯性坐标系的位置转换矩阵；为状态观测器的输出，即船舶位置的估计值，K为干扰观测器的正定增益矩阵，z为状态变量。本系统计算得到的风力、推力、以及慢变干扰力不仅可以传递给观测器模型使用，同时也能应用于其它动力定位问题。

（3）状态观测器9同时接收传感器系统所反馈的位置、姿态信息和外力及推力估计系统计算得到的合力信息，并在系统中对其进行补偿，其形式如下：

$\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\ξ}}=A_w\widehat{\mathrm{\ξ}}+K_1\tilde{y}$

$\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{\mathrm{\η}}=J\left(y\right)\hat{v}+K_2\tilde{y}$

$M\stackrel{\stackrel{\·}{^}}{v}=-D\hat{v}+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_T+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_W+{\widehat{\mathrm{\τ}}}_L$

$\hat{y}=\widehat{\mathrm{\η}}+C_w\mathrm{\ξ}$

其中为状态变量，为常值矩阵， $\hat{v}={[\hat{u},\hat{v},\hat{r}]}^T$ 为船舶速度估计值，分别是船舶的横向速度、纵向速度及转艏角速度的估计值，为测量值的估计，为估计误差。K₁、K₂为观测器的增益矩阵。最终得到船舶的横向速度、纵向速度及转艏角速度的估计值

本发明针对某动力定位作业船进行了仿真验证，考虑干扰力作用及建模误差，并在认为风力估计存在20%建模误差的情况下进行仿真验证，仿真结果见附图2。

通过对图2仿真曲线和数据分析可以看出，本发明所设计的速度估计系统能够较为准确的估计出船舶运动过程中的速度信息。此外，本发明亦能估计船舶所受推力和估计风力能够较为准确的估计慢变干扰力信息，在需要时为船舶动力定位作业提供准确的信息。

Claims (2)

1.一种基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统，包括动力定位船舶(2)、推进器(3)、传感器系统(4)、外力估计系统(6)、状态观测器(9)，其特征是：

所述传感器系统(4)包括风传感器(5)、罗经(11)和DGPS(12)，风传感器将测量得到的相对风速和相对风向角信息实时传递给风力补偿器(10)，罗经和DGPS将测量得到的船舶位置和艏向信息传递给状态观测器(9)；

所述外力估计系统(6)包括推力补偿器(7)、风力补偿器(10)以及慢变干扰补偿器(8)；推力补偿器(7)包括动力定位船舶(2)的推进器组态及各推进器的动力学模型，它接收控制器给出的各个推进器的螺距信息，计算产生船舶在三个自由度上所受到的推力估计值风力补偿器(10)接收风传感器测量得到的相对风速和相对风向角信息，并根据动力定位船舶(2)的主尺度信息计算得到船舶在三个自由度上所受到的风力估计值慢变干扰补偿器(8)包括一个非线性干扰观测器，它接收推力估计值风力估计值并计算得到慢变干扰力的估计值

所述状态观测器(9)同时接收传感器系统所反馈的位置姿态信息和外力估计系统计算得到的推力估计值风力估计值和慢变干扰力的估计值并在系统中进行补偿。

2.一种基于权利要求1所述的基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统的估计方法，其特征是：

(1)传感器系统(4)中的风传感器(5)将测量得到的相对风速U_W和相对风向角Ψ_W信息实时传递给风力补偿器(10)，罗经(11)和DGPS(12)将测量得到的船舶位置和艏向信息传递给状态观测器(9)；

(2)外力估计系统(6)中的推力补偿器(7)、风力补偿器(10)以及慢变干扰补偿器(8)对船舶所受到的推力、风力和慢变干扰力进行估计；

(3)状态观测器(9)同时接收传感器系统所反馈的位置、姿态信息和外力估计系统计算得到的推力估计值风力估计值和慢变干扰力的估计值并在系统中对其进行补偿，并最终得到船舶的横向速度、纵向速度及转艏角速度的估计值