CN104020765B - 一种基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，步骤1：通过测量系统测量船舶的位置和艏向；步骤2：利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和量测传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；步骤3：计算系泊缆线张力，计算系泊缆线的可靠性因子；步骤4：基于系泊缆线的可靠性因子，状态反馈控制器获得基于缆线安全和约束函数的控制量并将控制量发送执行机构；步骤5：执行机构即推进器执行指令，根据控制量将船舶移动到缆线安全下的期望位置。

Description

一种基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法。

背景技术

系泊定位是指依靠系泊缆张力提供反力来平衡环境力，达到使海洋结构物固定在一定区域内的方法，其基本原理是系泊浮体结构物由于外环境作用使其偏离原来位置运动，导致系泊缆张力增大，提供回复力。动力定位是指通过推进器推力使船舶或者浮动平台能够自动地保持固定位置或预定轨迹。它使用精密仪器来测量船或平台的位置和方向变化，通过计算机控制推进器转速，使船舶或者浮动平台保持设定位置。

系泊状态下动力定位也可以叫做推进器辅助系泊定位，结合了系泊定位和动力定位的优点，避开了它们的缺点。在普通的天气状况下，系泊系统约束船舶，推进器只提供运动阻尼和艏向控制。但是在恶劣的环境中，仅仅靠系泊系统已很难实现定位，需要推进器提供推力来实现定位以避免对系泊缆的破坏。现有的推进器辅助系泊系统共同点是将船舶的运动限制在安全的范围内，通过线性化和获取时序方法驱动控制器，但是此方法削弱了系泊系统的能力，而且会过分的使用推进器。PerIvarBarthBerntsen等人提出了一种基于可靠性因子的控制器的设计方法，将定位点选取到缆线临界因子处，但此方法在恶劣海况下且有瞬时风力等环境影响时会造成系泊缆的断裂。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，既能避免对系泊缆的破坏，又能降低对推进器的频繁使用带来的磨损，从而减少能耗。

实现本发明目的技术方案：

一种基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，其特征在于:

步骤1：通过测量系统测量船舶的位置和艏向；

步骤2：利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和测量系统在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；

步骤3：计算系泊缆线张力，计算系泊缆线的可靠性因子；

步骤4：基于系泊缆线的可靠性因子，状态反馈控制器获得基于缆线安全和约束函数的控制量并将控制量发送给执行机构；

步骤5：执行机构即推进器执行指令，根据控制量将船舶移动到缆线安全下的期望位置。

步骤3中，每一根系泊缆线可靠性因子通过如下公式计算获得，

式中，T_b,k是第k根系泊缆线断裂强度的平均值，σ_k是时变张力的标准偏差，B_k是比例系数，T_k(t)是系泊缆线张力，σ_b,k是断裂强度的平均值的标准偏差，q是体现系泊缆线根数的正整数。

步骤3中，系泊缆线张力T_k(t)通过悬链线方法计算获得。

步骤4中，状态反馈控制器获得的基于缆线安全和约束函数的控制量通过如下公式获得，

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\τ}}=E\left({\mathrm{\δ}}_j\right){\mathrm{\τ}}_{BSP}$

其中，τ_BSP为状态反馈控制器输出的力和力矩，

$E\left({\mathrm{\δ}}_j\right)=\left[\begin{array}{ccc}e\left({\mathrm{\δ}}_j\right)& 0& 0\\ 0& e\left({\mathrm{\δ}}_j\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

e(δ_j)为一个二阶多项式，表示为：

$e\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& ({\mathrm{\&delta;}}_j\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_{max})\\ \frac{{{\mathrm{\&delta;}}_j}^2}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}-2\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}{\mathrm{\&delta;}}_j+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }^2}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}& ({\mathrm{\&delta;}}_{\min }<{\mathrm{\&delta;}}_j<{\mathrm{\&delta;}}_{max})\\ 1& ({\mathrm{\&delta;}}_j\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\min })\end{array}\right.$

Δδ表示如下：

Δδ＝δ_max-δ_min

即式中δ_max和δ_min的大小决定了控制器的作用区域，当δ_j大于等于δ_max时，即e(δ_j)＝0时，推进器不启动；当δ_j介于δ_min和δ_max之间时，推进器低负荷工作；当δ_j小于等于δ_min时，即e(δ_j)＝1时，推进器高负荷工作，δ_j为系泊缆线的可靠性因子。

步骤2中的卡尔曼滤波器采用无迹卡尔曼滤波器。

本发明具有的有益效果：

本发明将系泊缆线的可靠性因子引入到控制量的计算中，对可靠性因子指数提出了新的选取方法，并对控制量进行约束，最终状态反馈控制器输出的控制量对推进器进行控制。本发明既能保证系泊船在普通海况和中等海况下实现定位，降低推进器频繁使用带来的磨损，又能保证在恶劣海况下系泊缆的安全，从而在推进器的辅助下实现精确定位，减少能耗。

附图说明

图1为本发明方法流程框图；

图2为系泊船缆线分布图；

图3为单条系泊缆系泊状态图。

具体实施方式

步骤1：通过测量系统测量船舶的位置和艏向；

通过卫星定位系统GPS测得船舶的北东位置，通过电罗经测得船舶的艏向信息，即位置信息包括船舶的北东位置和艏向值。系泊缆线的分布图如图2所示，单条系泊缆的系泊状态图如图3所示。

步骤2：通过位置参考系统测得的位置信息包含测量噪声和高频干扰，将测得的位置信息进行滤波，得到滤除测量噪声和高频干扰的船舶位置和艏向

η＝[x,y,ψ]^T

其中x为大地坐标系船舶的北向位置，y为大地坐标系下船舶的东向位置，ψ为船舶的艏向值。

滤波采用无迹卡尔曼滤波器，得到的船舶位置和艏向信息发送给状态反馈控制器。

步骤3：计算系泊缆线张力，计算系泊缆线的可靠性因子；

系泊缆线张力T_k(t)通过悬链线方法计算获得。每根系泊缆近似成一根悬垂的绳索，由悬链线方法分析系泊缆受力情况得到缆线模型:

$s-X=h\sqrt{1+\frac{2T_h}{wh}}-\frac{T_h}{w}{\cosh }^{-1}(1+\frac{wh}{T_h})$

式中，s为系泊缆长度，X为系泊点到锚点的水平距离，h为水深，T_h为缆线水平方向上的分力，w为在水中单位长度系泊缆的重量,则有

T_k(t)＝T_h+wz

其中，

每一根系泊缆线可靠性因子指数值通过如下公式计算获得，

${\mathrm{\&delta;}}_k\left(t\right)=\frac{T_{b,k}-k_{k,}{\mathrm{\&sigma;}}_k-T_k\left(t\right)}{{\mathrm{\&sigma;}}_{b,k}},k=1,...,q$

式中，T_b，k是第k根系泊缆线断裂强度的平均值，σ_k是时变张力的标准偏差，k_k是比例系数，T_k(t)是系泊缆线张力，σ_b，k是断裂强度的平均值的标准偏差。

步骤4：基于系泊缆线的可靠性因子，状态反馈控制器获得基于缆线安全和约束函数的控制量，并将控制量发送执行机构；

设计基于结构可靠性的状态反馈控制器，控制器的目的是使(v′,ψ,δ_j)趋向于η_d＝(0,ψ_d,δ_d)，其中v′为船舶运动和速度，ψ为船舶艏向值，δ_j为缆线最小可靠因子指数值，ψ_d为期望的船舶艏向值，δ_d为期望的缆线可靠因子指数值，且选取δ_d＞δ_s。

τ_BSP为状态反馈控制器输出的力和力矩。控制律为

其中M为惯性矩阵，D为水动力阻尼矩阵，T_k(t)为缆线张力，J^T(ψ)为转换矩阵，b为由于风浪流等作用产生的环境力，v＝[w^T,ρ]^T＝[u,v,ρ]^T，w^T＝[u,v]，u为船体坐标系下船舶纵向速度，v为船体坐标系下船舶横向速度，ρ为船体坐标系下船舶艏向角速度。

其中

λ，γ,κ为严格正定的常数，T_j'为关于缆线张力的函数的导数，r_j为第j根缆线的长度，σ_b,j为平均断裂强度的标准偏差，p为转塔中心位置，p_j为锚的位置，且ψ为船舶的艏向值。

考虑能耗节省问题，对控制器引入约束函数，得到最终控制器输出为：

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&tau;}}=E\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right){\mathrm{\&tau;}}_{BSP}$

其中，

$E\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)=\left[\begin{array}{ccc}e\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& 0& 0\\ 0& e\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

择一个二阶多项式表示e(δ_j)，

$e\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& ({\mathrm{\&delta;}}_j\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_{max})\\ \frac{{{\mathrm{\&delta;}}_j}^2}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}-2\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}{\mathrm{\&delta;}}_j+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }^2}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}& ({\mathrm{\&delta;}}_{\min }<{\mathrm{\&delta;}}_j<{\mathrm{\&delta;}}_{max})\\ 1& ({\mathrm{\&delta;}}_j\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\min })\end{array}\right.---\left(12\right)$

Δδ表示如下：

Δδ＝δ_max-δ_min

式中δ_max和δ_min的大小决定了控制器的作用区域，当δ_j大于δ_max时，推进器不启动；当δ_j介于δ_min和δ_max之间时，推进器低负荷工作；当δ_j小于δ_min时，推进器高负荷工作。

步骤5：执行机构即推进器执行指令，根据控制量将船舶移动到缆线安全下的期望位置。

Claims (5)

1.一种基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，其特征在于:

步骤1：通过测量系统测量船舶的位置和艏向；

步骤2：利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和测量系统在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；

步骤3：计算系泊缆线张力，计算系泊缆线的可靠性因子；

步骤4：基于系泊缆线的可靠性因子，状态反馈控制器获得基于缆线安全和约束函数的控制量并将控制量发送给执行机构；

步骤5：执行机构即推进器执行指令，根据控制量将船舶移动到缆线安全下的期望位置。

2.根据权利要求1所述的基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，其特征在于：步骤3中，每一根系泊缆线的可靠性因子通过如下公式计算获得，

${\mathrm{\&delta;}}_k\left(t\right)=\frac{T_{b,k}-B_k{\mathrm{\&sigma;}}_k-T_k\left(t\right)}{{\mathrm{\&sigma;}}_{b,k}},k=1,...,q,$

式中，T_b,k是第k根系泊缆线断裂强度的平均值，σ_k是时变张力的标准偏差，B_k是比例系数，T_k(t)是系泊缆线张力，σ_b,k是断裂强度的平均值的标准偏差，q是体现系泊缆线根数的正整数。

3.根据权利要求2所述的基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，其特征在于：步骤3中，系泊缆线张力T_k(t)通过悬链线方法计算获得。

4.根据权利要求3所述的基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，其特征在于：步骤4中，状态反馈控制器获得的基于缆线安全和约束函数的控制量通过如下公式获得，

$\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{\&tau;}}=E\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right){\mathrm{\&tau;}}_{BSP}$

其中，τ_BSP为状态反馈控制器输出的力和力矩，

$E\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)=\left[\begin{array}{ccc}e\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& 0& 0\\ 0& e\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

e(δ_j)为一个二阶多项式，表示为：

$e\left({\mathrm{\&delta;}}_j\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& ({\mathrm{\&delta;}}_j\&GreaterEqual;{\mathrm{\&delta;}}_{\max })\\ \frac{{{\mathrm{\&delta;}}_j}^2}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}-2\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{max}}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}{\mathrm{\&delta;}}_j+\frac{{\mathrm{\&delta;}}_{\max }^2}{{\mathrm{\&Delta;\&delta;}}^2}& ({\mathrm{\&delta;}}_{\min }<{\mathrm{\&delta;}}_j<{\mathrm{\&delta;}}_{\max })\\ 1& ({\mathrm{\&delta;}}_j\&le;{\mathrm{\&delta;}}_{\min })\end{array}\right.$

Δδ表示如下：

Δδ＝δ_max-δ_min

即式中δ_max和δ_min的大小决定了控制器的作用区域，当δ_j大于等于δ_max时，即e(δ_j)＝0时，推进器不启动；当δ_j介于δ_min和δ_max之间时，推进器低负荷工作；当δ_j小于等于δ_min时，即e(δ_j)＝1时，推进器高负荷工作，δ_j为系泊缆线的可靠性因子。

5.根据权利要求4所述的基于缆线安全的船舶系泊动力定位控制方法，其特征在于：步骤2中的卡尔曼滤波器采用无迹卡尔曼滤波器。