CN104181815B - 一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法 - Google Patents
一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104181815B CN104181815B CN201410407012.6A CN201410407012A CN104181815B CN 104181815 B CN104181815 B CN 104181815B CN 201410407012 A CN201410407012 A CN 201410407012A CN 104181815 B CN104181815 B CN 104181815B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ship
- controller
- control method
- bow
- environment
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 title claims abstract description 34
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 7
- 230000002153 concerted effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明涉及动力定位控制领域，具体涉及一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法。本发明包括：通过船上安装的传感器系统来测量船舶的位置和艏向；利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数；根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计；将控制器得出的控制力与估计出的环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动。本发明所设计的船舶运动控制方法，在不同海况下船舶运动控制器无需切换控制器算法及其参数。
Description
技术领域
本发明涉及动力定位控制领域，具体涉及一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法。
背景技术
对海洋进行充分地探索和研究，进行合理而有效的资源开采，对人类社会的发展起着不可估量的作用。随着海洋资源开采不断向深海推进，现如今的一些海上作业平台，比如浮式生产储油轮、海洋钻井平台等，虽然仍可以完成油气开采、铺管铺缆、海洋地质勘探等，但综合考虑效果均不理想。在此背景下，船舶动力定位系统(Dynamic PositioningSystem，简称DPS)应运而生。近年来，动力定位系统对获取海洋资源的主导权起着关键性的作用。船舶动力定位系统是一种通过推进系统产生推力以抵抗外界的环境干扰(风、波浪和海流)，从而动态控制船舶定位在某确定的位置或按照一定的预设航线航行的技术。
海洋环境变化多端，运动过程中船舶要抵抗不同的环境外力。而控制不同环境合外力影响下的船舶运动，需要调整不同的控制器参数，所以在变化不定的海洋环境中，为保证船舶运动的控制精度不是一件易事。目前，较为先进的控制方法是混杂控制，但是船舶运动控制器需要根据海况的变化自动切换控制算法及其相应参数，比较复杂。本专利中所设计的船舶运动控制方法，在不同海况下船舶运动控制器无需切换控制器算法及其参数。目前国内外文献中，尚未出现过采用本方法的船舶运动控制器。
发明内容
本发明的目的是提供一种在海况变化时可以使船舶运动控制器不必调整控制算法参数，而使船舶保持运动精度的基于环境估计的船舶运动补偿控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤1：通过船上安装的传感器系统来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干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；
步骤3：在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数；
步骤4：根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计；
步骤5：将控制器得出的控制力与估计出的环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动。
环境干扰力为：
式中，为环境作用估计，分别对应环境干扰对船舶的纵向、横向合力和艏向合力矩，K0是一个设定的整定对称常矩阵，β是中间辅助变量：
环境作用的估计偏差：
τenv对应实际的环境干扰对船舶的作用，对应估计出的环境干扰对船舶的作用，的微分为：
控制器计算出的控制力减去估计出的环境力，得出船舶推进器推力及转矩，控制方法中的控制器采用任何可以应用于船舶运动控制的控制算法。
控制算法为PID算法：
PID控制器为：
KP，KI和KD为PID算法中的比例系数；ηe为船舶期望目标位置姿态ηd和实际位置姿态η之间的偏差，即ηe＝ηd-η，η＝[x,y,ψ]T，分别对应船舶实际北东位置和艏向角；ηd＝[xd,yd,ψd]T，对应船舶期望北东位置和艏向角，船舶推进器输出推力与力矩为：
本发明的有益效果在于：
本发明所设计的船舶运动控制方法，在不同海况下船舶运动控制器无需切换控制器算法及其参数。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明系统结构方框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，
步骤1：通过船上安装的传感器系统来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干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；
步骤3：在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数。
步骤4：根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计。
步骤5：将控制器得出的控制力与估计出的环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动。
步骤2中，卡尔曼滤波器采用强跟踪扩展卡尔曼滤波。
步骤3中，控制器采用应用最普遍的PID控制器。
步骤4中，估计出的环境外力由以下公式计算获得：
式中，为环境作用估计，分别对应环境干扰对船舶的纵向、横向合力和艏向合力矩。K0是一个设定的整定对称常矩阵，β是一个中间辅助变量，可由以下公式计算得到：
附图1是基于环境估计的船舶运动补偿控制流程图，描述了船舶运动控制器的处理过程。
本发明的目的按如下步骤实现：
步骤1：通过船上安装的传感器系统来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，共同构成船舶的位置信息。
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。
滤波采用强跟踪扩展卡尔曼滤波器，将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：在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数；
本发明中采用的是非常基础和非常实用的PID控制器。PID控制器鲁棒性很强，对被控对象的特性变化不太敏感。在PID控制中，比例环节，积分环节和微分环节的控制是相互影响的，其参数选取的好坏直接影响PID控制器的控制效果。各环节的作用如下：
比例环节(Kp)的调整，控制器成比例的产生控制作用，达到减小偏差的效果；
积分环节(Ki)的调整，主要作用为消除静态误差，积分作用不能调节的太强，会导致系统不稳定；
微分环节(Kd)的调整，影响系统的动态特性，等于是提前引入修正信号，加快系统调整速度。
根据PID控制器中的三个环节对系统的不同影响及相互之间的影响合理的选取PID的参数。
步骤4：根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计。
根据环境估计算法对外界环境干扰进行估计。
令为环境作用的估计，其计算表达式如下式所示：
式中，K0是一个设定的整定对称常矩阵，β是一个中间辅助变量，β由下式计算可以获得。
定义环境作用的估计偏差：
式中，τenv对应实际的环境干扰对船舶的作用，对应估计出的环境干扰对船舶的作用。
的微分为
所以
通过上式可以很容易证明该环境估计器的稳定性。
步骤5：控制器计算出的控制力减去估计出的环境力，得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶的运动。该控制方法中的控制器可以采用任何可以应用于船舶运动控制的控制算法，从步骤3可知本发明中的控制器采用的是最普遍的PID控制算法。
PID控制器由式表示：
式中，KP，KI和KD为PID算法中的比例系数；ηe为船舶期望目标位置姿态ηd和实际位置姿态η之间的偏差，即ηe＝ηd-η。其中，η＝[x,y,ψ]T，分别对应船舶实际北东位置和艏向角；ηd＝[xd,yd,ψd]T，分别对应船舶期望北东位置和艏向角。
最终，船舶推进器输出推力与力矩为：
附图2是基于环境估计的船舶运动补偿控制系统的结构方框图。
Claims (3)
1.一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：
步骤1：通过船上安装的传感器系统来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干扰中的高频部分和测量传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器；
步骤3：在无风静水的海洋环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的参数；
步骤4：根据环境估计算法对作用在船舶上的外界环境干扰力进行估计；
步骤5：将控制器得出的控制力与估计出的外界环境干扰力相减得出船舶推进器推力及转矩，从而控制船舶运动；
所述估计出的外界环境干扰力为：
式中，为环境作用估计，分别对应环境干扰对船舶的纵向合力、横向合力和艏向合力，K0是一个设定的整定对称常矩阵，β是中间辅助变量：
环境作用的估计偏差：
τenv对应实际的环境干扰对船舶的作用力，对应估计出的外界环境干扰对船舶的作用力，的微分为：
M是系统惯性矩阵，M-1是系统惯性矩阵的逆，v是船舶运动速度向量，D(v)为船舶运动速度向量线性水动力矩阵，μ为艏向动力定位控制器的权重参数，τ为控制器控制向量即船舶推进器推力。
2.根据权利要求1所述的一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，其特征在于：用所述控制器计算出的控制力减去估计出的外界环境干扰力，得出船舶推进器推力及转矩，控 制方法中的控制器采用任何可以应用于船舶运动控制的控制算法。
3.根据权利要求2所述的一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法，其特征在于：所述的控制算法为PID算法：
PID控制器为：
KP，KI和KD分别为PID算法中的比例、积分、微分系数；ηe为船舶期望目标位置姿态ηd和实际位置姿态η之间的偏差，即ηe＝ηd-η，η＝[x,y,ψ]T，分别对应船舶实际北东位置和艏向角，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；ηd＝[xd,yd,ψd]T，对应船舶期望北东位置和艏向角，船舶推进器推力为：
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410407012.6A CN104181815B (zh) | 2014-08-19 | 2014-08-19 | 一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410407012.6A CN104181815B (zh) | 2014-08-19 | 2014-08-19 | 一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104181815A CN104181815A (zh) | 2014-12-03 |
| CN104181815B true CN104181815B (zh) | 2017-02-22 |
Family
ID=51962953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410407012.6A Expired - Fee Related CN104181815B (zh) | 2014-08-19 | 2014-08-19 | 一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104181815B (zh) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105867165B (zh) * | 2016-04-01 | 2018-10-19 | 哈尔滨工程大学 | 基于扩展卡尔曼滤波器的动力定位船舶波频模型参数估计系统 |
| CN106227221A (zh) * | 2016-09-28 | 2016-12-14 | 哈尔滨工程大学 | 一种无人艇动态定位控制方法 |
| CN107434010B (zh) * | 2017-09-26 | 2019-02-22 | 哈尔滨工程大学 | 一种电动的海浪主动补偿登乘系统及其控制方法 |
| CN108762074B (zh) * | 2018-05-23 | 2020-12-29 | 大连海事大学 | 一种面向恶劣海况船舶安全保障能力提升的船舶控制方法 |
| CN113189543B (zh) * | 2021-04-27 | 2023-07-14 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于运动补偿鲁棒主成分分析的干扰抑制方法 |
| CN114035585B (zh) * | 2021-11-19 | 2022-08-23 | 华南理工大学 | 一种半潜运载装备动力定位自适应控制系统与方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101920762A (zh) * | 2009-06-09 | 2010-12-22 | 同济大学 | 一种基于噪声矩阵实时修正的船舶动力定位方法 |
| CN102707625A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-10-03 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法 |
| CN103217160A (zh) * | 2013-04-22 | 2013-07-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种船舶动力定位卡尔曼滤波方法 |
| CN103454923A (zh) * | 2013-09-26 | 2013-12-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于无源理论的船舶航向海浪滤波方法 |
| CN103676654A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-03-26 | 哈尔滨工程大学 | 基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统及方法 |
| CN103838970A (zh) * | 2014-03-07 | 2014-06-04 | 武汉理工大学 | 面向深海船舶动力定位的高精度实时状态估计方法及系统 |
| CN103900541A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-07-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种海况估计器 |
| CN103970021A (zh) * | 2014-05-21 | 2014-08-06 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统 |
-
2014
- 2014-08-19 CN CN201410407012.6A patent/CN104181815B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101920762A (zh) * | 2009-06-09 | 2010-12-22 | 同济大学 | 一种基于噪声矩阵实时修正的船舶动力定位方法 |
| CN102707625A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-10-03 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于推力分配管理的动力定位船推力分配方法 |
| CN103217160A (zh) * | 2013-04-22 | 2013-07-24 | 哈尔滨工程大学 | 一种船舶动力定位卡尔曼滤波方法 |
| CN103454923A (zh) * | 2013-09-26 | 2013-12-18 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于无源理论的船舶航向海浪滤波方法 |
| CN103676654A (zh) * | 2013-12-17 | 2014-03-26 | 哈尔滨工程大学 | 基于干扰补偿的船舶动力定位速度估计系统及方法 |
| CN103900541A (zh) * | 2014-03-06 | 2014-07-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种海况估计器 |
| CN103838970A (zh) * | 2014-03-07 | 2014-06-04 | 武汉理工大学 | 面向深海船舶动力定位的高精度实时状态估计方法及系统 |
| CN103970021A (zh) * | 2014-05-21 | 2014-08-06 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于模型预测控制的松弛动力定位控制系统 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 基于非线性模型预测的船舶动力定位控制器设计;王元慧 等;《哈尔滨工程大学学报》;20130131;第34卷(第1期);第110-115页 * |
| 环境最优船舶区域动力定位方法研究;谢笑颖;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20110515(第5期);全文 * |
| 非线性模型预测控制在动力定位中的应用研究;隋玉峰;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20140415(第4期);第11-48页 * |
| 非线性船舶动力定位控制器设计;赵大威 等;《哈尔滨工程大学学报》;20110131;第32卷(第1期);第57-61页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104181815A (zh) | 2014-12-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104181815B (zh) | 一种基于环境估计的船舶运动补偿控制方法 | |
| CN109116856B (zh) | 一种基于扰动观测器的欠驱动船舶路径跟踪控制方法 | |
| CN102829777B (zh) | 自主式水下机器人组合导航系统及方法 | |
| CN104635773B (zh) | 一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法 | |
| CN103955218B (zh) | 一种基于非线性控制理论的无人艇轨迹跟踪控制装置及方法 | |
| CN104898688B (zh) | Uuv四自由度动力定位自适应抗扰滑模控制系统及控制方法 | |
| Do et al. | Underactuated ships follow smooth paths with integral actions and without velocity measurements for feedback: theory and experiments | |
| US9482536B2 (en) | Pose estimation | |
| CN106990787A (zh) | 一种上下体艏向信息融合的波浪滑翔器航点跟踪方法 | |
| KR101370649B1 (ko) | 무인잠수정의 경로 제어방법 | |
| CN103389095A (zh) | 一种用于捷联惯性/多普勒组合导航系统的自适应滤波方法 | |
| Schaub | Rate-based ship-mounted crane payload pendulation control system | |
| US20170139383A1 (en) | Method and System for Dynamic Positioning of Instrumented Cable Towed in Water | |
| CN103217160A (zh) | 一种船舶动力定位卡尔曼滤波方法 | |
| Armstrong et al. | AUV navigation in the presence of a magnetic disturbance with an extended Kalman filter | |
| CN115826606B (zh) | 一种自升式船舶平台的动力定位控制方法 | |
| Xu et al. | A novel self-adapting filter based navigation algorithm for autonomous underwater vehicles | |
| Troni et al. | Preliminary experimental evaluation of a Doppler-aided attitude estimator for improved Doppler navigation of underwater vehicles | |
| CN105867417B (zh) | 一种dvl测速失效时的uuv反步滑模动力定位控制方法 | |
| CN114967714A (zh) | 一种自主式水下机器人抗扰运动控制方法及系统 | |
| CN109521798A (zh) | 基于有限时间扩张状态观测器的auv运动控制方法 | |
| KR20180046465A (ko) | 선박의 위치 제어 시스템 및 이를 이용한 선박의 위치 제어 방법 | |
| CN111679681A (zh) | 一种基于滑模鲁棒控制的水下机器人运动路径跟踪方法 | |
| CN113670303B (zh) | 一种基于rbf神经网络的sins/dvl组合导航流速补偿方法 | |
| CN114194347B (zh) | 半潜式海洋平台的动力定位方法、装置、设备及介质 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170222 |