CN105182969A - 动态定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于在动态定位(DP)船舶中最小化燃料消耗的系统，包括测量系统、观测系统、控制系统和推进器系统。调整船舶的航向以最小化船舶各侧所感受到的环境力。该方法还允许操作员输入以偏移船舶航向从而提高船上的舒适度。

Description

动态定位系统和方法

技术领域

本公开涉及将使用动态定位(DP)系统的船舶所需航向功率最小化的系统和方法。

背景技术

已经存在多种解决涉及最小化功耗的问题的尝试，其中所述功耗涉及针对天气相关事件的DP船舶的位置和航向控制。一种方案通过估计左舷侧和右舷侧的力并通过最小化所需的侧向力(即，左舷-右舷方向的推进力)来控制船舶的航向。尽管该方案可提供比初始路径更理想的航向，但是该方案只能在船舶处于完全DP模式时使用。此外，有可能最佳的航向控制器在恶劣天气状态下会由于目标航向的变化率增大而不稳定。

发明内容

DP系统本质上是高耗能的，因为DP系统抵消由于天气所产生的力。因此，航向控制和航向稳定性的低效是DP系统特别关注的领域。这些力随着船舶的偏向度(例如，入射角)而发生显著变化。最佳船舶航向角上即使小的偏移也会导致推进器功率需求的增加。对于大多数船舶，使船首指向风和/或水流可减少环境力，从而减少对推进器的功率需求。此外，基于前面所述的涉及最小化DP船舶所使用的推进器功率的缺点，需要一种系统和方法，使得在DP控制器使用环境力的测量值控制航向时允许对DP航向进行调整且用于在恶劣天气中稳定航向。

此外，在此描述的系统和方法允许在天气条件恶劣时使用操作员指定的数据选择舒适的航向并自动调整航向增益。

高能效DP系统和方法的一个益处是它通过航向控制减少了由于环境条件在船舶上所感受到的力的大小。该系统和方法被设计为基于船舶上所测量的施加的侧向力而不是侧向力需求来改变船舶航向。只使用侧向力需求来确定所需的船舶航向可导致船舶消耗不需要的能量和耗费额外的燃料。

本公开中，该系统和方法通过使用观测器系统估计船舶的侧向力，观测器系统可以是一个线性二次估计程序(LQE)，也称为Kalman滤波器。向观测器系统提供位置和航向的测量值。在某些实施例中，观测器系统应用波形滤波器程序除去与波形运动相关的测量噪声，且从而产生排除了波形运动的位置和速度的估计值。

船舶位置、船舶速度和天气力的估计被发送到控制系统，控制系统计算维持船舶位置和航向的推进需求。对船舶航向的控制保证由于天气所导致的侧向力最小化。

在某些实施例中，还向观测器系统提供天气信息。例如，来自一个或多个风速计的测量被用于估计船舶上的风力并被馈送给观测器以改进其对天气力的估计。

在其它实施例中，观测器系统仅接收它用来提供船舶上天气力估计值的天气信息。

在某些实施例中，如果提供给观测器系统的一些或全部测量值缺失，则观测器系统继续提供船舶上环境力的估计。

在其它实施例中，该系统和方法允许根据天气状态对航向增益进行自动调整。当恶劣天气期间(大风、高流速或大浪)船舶上的天气力大时，有可能航向控制程序将变得不稳定，导致大的航向振荡。可通过随着天气力的增加降低航向调整程序的响应速度来避免大的振荡。另一益处是当船舶的方向参数由人工控制，即船舶不处于完全DP模式时，能够使用该系统和方法。在完全DP模式中，航向轴和横荡轴都在由DP系统完全控制，因为所需的横荡力驱动航向改变。相反，在此描述的某些实施例中，仅航向轴由DP系统控制。在这样的实施例中，航向改变由对来自侧向力，即左舷-右舷方向的力的LQE估计驱动。尽管侧向力影响航向变化，但即使运动的横荡方向由人工控制该方法也可使用。

另一益处是能够允许对航向进行调整。本公开的系统和方法包括使操作员提供输入以向DP系统所确定的航向指定偏移的手段。操作员输入可用于选择对船舶乘员来说更舒适的航向。

本系统和方法的又一益处是可应用于非船形的船舶。在本公开中，该系统和方法可用于受侧向力的任何船舶。

提供了以下技术方案：

1、一种动态定位系统，包括：

控制器，包括：

处理器；和

其上保存有计算机可执行指令的存储器，当所述指令被处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

由所述处理器计算：

基于一个或多个横荡环境力的测量值之和的总和值；

基于所述总和值和控制器增益乘积的乘积值；

基于所述乘积值随时间积分的航向偏移角；和

基于初始航向和所述航向偏移角之和的目标航向。

2、如技术方案1所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括基于所述目标航向产生推进器控制信号。

3、如技术方案1所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于操作员偏移角的正切值乘以纵荡环境力的测量值计算横荡力偏移；

基于以下之和计算该总和值：

所述一个或多个横荡环境力的测量值；和

所述横荡力偏移。

4、如技术方案3所述的动态定位系统，其中所述横荡力偏移基于以下公式计算：

ΔF_ey＝F_ex*K_x2ytan(δ)

其中ΔF_ey是横荡力偏移，F_ex是纵荡环境力，K_x2y是偏移增益，且δ是操作员偏移角。

5、如技术方案3所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于横荡风力系数和纵荡风力系数计算偏移增益；和

基于所述操作员偏移角的所述正切值乘以所述纵荡环境力的测量值，再乘以所述偏移增益，计算所述横荡力偏移。

6、如技术方案5所述的动态定位系统，其中所述偏移增益基于以下公式计算：

其中K_x2y是偏移增益，C_wy是横荡风力系数，C_wx是纵荡风力系数。

7、如技术方案3所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于风速除以纵荡环境力计算乘数值；

确定调整值的值，其中该调整值的值为：

如果所述乘数的绝对值小于1，则等于所述乘数值；或

如果所述乘数的绝对值大于1，则等于1；以及

基于所述总和值、所述控制器增益和所述调整值的乘积计算所述乘积值。

8、如技术方案7所述的动态定位系统，其中所述乘数基于以下公式计算：

$k=\left|\frac{V_{\mathrm{nom}}}{F_{\mathrm{ex}}}\right|$

其中(k)是所述乘数，V_nom是所述风速，F_ex是所述纵荡环境力。

9、如技术方案8所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括当所述风速超过预定速度时计算所述乘数。

10、如技术方案8所述的动态定位系统，其中横荡力偏移基于以下公式计算：

ΔF_ey＝F_ex*K_x2ytan(δ)

其中ΔF_ey是所述横荡力偏移，F_ex是所述纵荡环境力，K_x2y是偏移增益，且δ是所述操作员偏移角。

11、根据技术方案10的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于横荡风力系数和纵荡风力系数计算所述偏移增益。

12、根据技术方案11的动态定位系统，其中所述偏移增益基于以下公式计算：

其中K_x2y是所述偏移增益，C_wy是所述横荡风力系数，C_wx是所述纵荡风力系数。

13、根据技术方案1的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

将所述航向偏移角与界限比较；以及

如果所述航向偏移角大于所述界限则选择所述航向偏移角作为所述界限。

14、根据1的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于风速除以纵荡环境力计算乘数值；

确定调整值的值，其中所述调整值的值为：

如果所述乘数的绝对值小于1，则等于所述乘数值；或

如果所述乘数的绝对值大于1，则等于1；以及

基于所述总和值、所述控制器增益和所述调整值的乘积计算所述乘积值。

15、根据技术方案14的动态定位系统，其中所述乘数基于以下公式计算：

$\mathrm{\κ}=\left|\frac{V_{\mathrm{nom}}}{F_{\mathrm{ex}}}\right|$

其中(κ)是所述乘数，V_nom是所述风速，F_ex是所述纵荡环境力。

16、根据技术方案1的动态定位系统，包括被配置为测量天气状态数据的测量系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括基于所述天气状态数据计算所述一个或多个横荡环境力的测量值。

17、根据技术方案16的动态定位系统，其中所述天气状态数据包括风的速度和方向。

18、根据技术方案1的动态定位系统，包括推进器系统。

19、根据技术方案18的动态定位系统，所述推进器系统包括隧道式推进器、方位推进器、方向舵、螺旋桨、喷水式喷射器和摆线型螺旋桨中的至少一个。

20、一种用于动态定位系统的控制器，包括：

处理器；和

其上保存有计算机可执行指令的存储器，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

由所述处理器计算：

基于一个或多个横荡环境力的测量值之和的总和值；

基于所述总和值和控制器增益的乘积的乘积值；

基于所述乘积值随时间积分的航向偏移角；和

基于初始航向和所述航向偏移角之和的目标航向。

下面将参考附图详细地描述本公开的进一步特征和优点，以及本公开各种实施例的结构和操作。注意本公开并不局限于在此描述的特定实施例。这些实施例在此提出仅仅是出于说明性的目的。基于这里所包含的教导，其它实施例对于相关领域的技术人员而言是显而易见的。

附图说明

附图合并与此并作为本说明的一部分，附图对本公开进行了说明，并和说明书一起，进一步起到阐释本公开的原理和使得相关领域的技术人员能够制造和使用本公开的作用。

图1是描述根据一个示范性实施例的DP系统的模块图。

图2是图1的DP系统的控制器的模块图。

图3是描述根据一个示范性实施例的包括图1的DP系统的船舶的图解。

图4是描述图2的控制器的应用的模块图。

具体实施方式

尽管在此通过特定应用的说明性实施例对本公开进行说明，应当理解本公开并不限于此。得到此处所提供的教导的本领域技术人员将意识在其范围内的其它修改、应用和实施例以及本公开将产生显著效用的其它领域。

除非另外定义，这里所使用的技术和科学术语和本公开所属领域普通技术人员通常所理解的含义相同。这里所使用的术语“第一”、“第二”和诸如此类的，并不代表任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个进行区分。而且，术语“一个”并不代表对数量的限制，而是代表存在至少一个所指项。术语“或”表示包含在内的，意思是所列项中的任一、任何、多个或所有。这里“包括”、“包含”或“具有”和它们的变形的使用表示包括后面所列项和其等价者以及附加项。术语“连接的”和“耦合的”并不限定物理或机械连接，并且可包括电连接或耦合，无论是直接的还是间接的。术语“电路”、“电路系统”和“控制器”可包括单个部件或多个部件，这些部件是有源和/或无源部件并且优选地可连接或者耦合在一起以提供所需的功能。

应当注意本公开的各种实施例的仿真、综合和/或制造可部分地通过使用计算机可读代码来实现，计算机可读代码包括一般的编程语言(例如C或C++)，包括VerilogHDL(VHDL)、AlteralHDL(AHDL)的硬件描述语言(HDL)，交互式语言和诸如此类的，或者其它可用的编程和/或原理图捕获工具(例如电路捕获工具)。

船舶移动在三个直线轴上，表示为纵荡(surge)、横荡(sway)和垂荡(heave)。此外船舶具有三个旋转轴横摇纵摇(θ)和航向(也称为偏航)(ψ)。DP系统是被设计为维持船舶所需位置(X，Y)和所需航向角(ψ)的完全自动化的系统。

使用DP系统的船舶包括考察船舶、钻井船、工作船、坐底式钻井平台、潜水支持船、电缆敷设船、铺管船、穿梭油轮、挖沟清淤船、供给船，以及浮式生产储油卸油船(FPSO)。

DP系统的原理基于来自传感器和其它测量设备的反馈，所述传感器和其它测量设备报告运动变量以及由风或水流所导致的环境力。DP系统基于推进器的配合使用努力消除对船舶的位置和航向角的破坏。推进器功率需求是通过对环境力的估计值及船舶的期望位置和航向与估计位置和航向之间的差值计算得到的。

图1是描述用于船舶300(见图3)的DP系统100的一个示范性实施例的模块图。DP系统100包括测量系统110、DP控制器120和推进器系统150。DP控制器120被配置为从测量系统110接收数据(例如，测量信号115)，从操作员接收数据(例如，操作员指定的数据130)，以产生基于这些数据的推进器控制信号145，并将推进器控制信号145发送到推进器系统150。

由信号115和145发送的信息可与其它内部或外部子系统集成以共享或流水线处理来自或发送到DP控制器120的信息。DP控制器120所接收的、内部所计算的或所发送的任何信息可发送并保存到存储器库160中。

本领域技术人员能够理解，DP系统100可包括一个或多个其它设备和组件。DP系统100中可包括附加的冗余以允许在DP模式下如果推进器、发生器、电源总线、控制器或位置参考系统发生了故障则系统能维持其位置和航向

DP系统100可包含用于监视和输入的控制面板、用于手动控制的控制杆、用于发送和接收信号的处理器、用于DP控制的控制器或帮助船舶控制的任何其它设备。DP系统100可允许对船舶300的主推进、推进器和操舵装置进行手动或远程控制。DP控制器120也可被配置为具有多个控制面板或控制器以允许从船舶300内的不同位置访问。DP系统100可被设计为当在手动和DP模式间切换船舶操作时使人的操作最小化。

也可使用附加的输入/输出系统(I/O系统)从DP控制器120接收信息或向其提供信息。这些I/O系统和固件可包括但不限于每个中继装置中的中继驱动输出、指示符输出和逻辑输出。

测量系统110测量或接收船舶位置数据和船舶航向数据(统称为，船舶状态数据)。测量系统110还被装备为测量或接收天气状态数据，例如风的速度和方向。船舶状态数据和天气状态数据统称为状态数据105。

状态数据105可以是设置在任何已知的计算机可用介质上的计算机可读代码，所述计算机可用介质包括半导体、磁盘、光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM)，并以计算机可用(例如，可读)的传输介质(例如载波或任何其它介质，包括数字、光学、或基于模拟的介质)的形式作为计算机数据信号。同样地，代码可经由包括英特网和内部网络的通信网络发送。

测量系统110可包括一起或独立工作以测量船舶300的位置和航向的一个或多个测量设备(未示出)，或从该一个或多个测量设备接收。测量设备可以是被设计为接收信息的任何设备。测量设备被安置在船舶300上的不同位置，例如但不限于甲板。如果多个测量设备在使用中，设备可以彼此独立，从而一个设备的故障不会影响任何其它设备。测量设备可以按一定时间间隔，即、时间周期进行测量，时间周期可基于特定的应用需要而被改变或可变；例如，时间周期在一百毫秒和十秒之间。

测量设备可以是传感器，例如运动参考单元、垂直参考单元、风速传感器或气流传感器；位置测量设备，例如Fanbeam，Cyscan，RadaScan，张紧绳、卫星导航、惯性导航或声测定位；和/或航向测量设备，例如回转罗盘。接收入测量系统110的状态数据105可包括变量，例如风速、涌浪、表面流、涌流、潮流、波形速度、波形漂移、波形力频率和波形力列。

测量系统110可包括将测量信号115发送到DP控制器120的处理器。测量信号115可包含从测量设备收集的位置和航向数据(更统一地，状态数据105)。测量信号115也可选地将测量数据信息发送到存储器库160用于存储。存储器库160可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)或其它合适的数据存储。存储器库160也可位于DP系统100的内部或外部并且可位于能通过通信网络或类似结构传输数据的现场以外的位置。

推进器系统150可由内部或外部电源(未示出)供电。推进器系统150包括实施用于维护船舶位置和航向的控制动作的推进器。例如，推进器系统150可包括一个或多个隧道式推进器、方位推进器、方向舵、螺旋桨、喷水式喷射器、摆线型螺旋桨或它们的任意组合。推进器可包含一个或多个螺旋桨并被内部安置(隧道式)或外部安置(可收回式)到船舶上。推进器系统150中的每个推进器可独立地或与其它推进器协作发挥功能。

DP控制器

DP控制器120可以是微控制器、微处理器、可编程逻辑控制器(PLC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或诸如此类。DP控制器120可使用代码库、静态分析工具、软件、硬件、固件或诸如此类。在阅读该描述后，如何使用其它计算机系统和/或计算机架构来实现本公开，对相关领域的技术人员来说将是显而易见的。

应当理解上述系统和技术所实现的功能和/或提供的结构可以用一个核(例如GPU核)表示，所述核用程序代码实施并被转换成硬件作为集成电路产品的一部分。

参考图1-4，进一步详细地描述DP控制器120。参考图1，DP控制器120被配置为确定或计算位置、航向和环境力；计算目标航向；并将目标航向转换为推进命令。

参考图2，DP控制器120包括存储器182。存储器182可包括在DP控制器120中使用的多种软件和数据，包括应用程序184、数据库186、操作系统(OS)188以及输入/输出(I/O)设备驱动190。

如本领域技术人员所意识到的，OS188可以是用于数据处理系统的任何操作系统。I/O设备驱动190可包括由应用程序184通过OS188访问以与设备通信的各种例行程序，以及某些存储器部件。应用程序184可作为可执行指令保存在存储器182和/或固件(未示出)中，并可由处理器192执行。应用程序184包括各种程序，当所述程序被处理器192执行时，实现DP控制器的各种特征，包括下面所述的应用。应用程序184可应用到数据库186中所保存的数据上，例如指定的参数，连同数据，例如经由I/O数据端口194所接收的数据。数据库186代表应用程序184、OS188、I/O设备驱动190和可能驻留在存储器182中的其它软件程序所使用的静态和动态数据。

尽管存储器182被示意为靠近处理器192，但应当理解的是存储器182的至少一部分可以是可远程访问的存储系统，例如，通信网络上的服务器、远程硬盘驱动、可移除存储介质、它们的组合以及诸如此类。因此，上面所述的数据、应用程序、和/或软件中的任何一个可保存在存储器182中和/或经由连接到其它数据处理系统(未示出)的网络连接访问，所述网络连接可包括，例如，局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN)。

应当理解的是图2和上面的描述是为了提供对合适环境的简单的、概括的描述，本公开的一些实施例的各方面可在该环境中实现。尽管描述提及计算机可读指令，但作为计算机可读指令的附属或者替代，本公开的实施例也可由与其它程序模块组合和/或硬件和软件的组合实现。

术语“应用程序”或其变形在此扩展地用来包括例行程序、程序模块、程序、组件、数据结构、算法，诸如此类。应用程序可在各种系统配置上实现，包括单处理器或多处理器系统、小型计算机、大型计算机、个人计算机、手持计算设备、基于微处理器的、可编程消费电子设备、它们的组合，诸如此类。

应用程序184包括下面进一步详细描述的观测应用程序222、波形滤波器应用程序224、控制应用程序226和推进分配应用程序228。

参考图1，观测应用程序222使用系统控制输入和连续测量(例如，从测量系统110接收的测量信号115)来估计DP系统100变动的状态。例如，DP控制器120通过测量信号115接收测量系统110发送的位置和航向数据。

观测应用程序222使用测量信号115来估计船舶位置和航向、船舶速度、船舶转向率和作用到船舶上的环境力。该传感器/数据融合方法允许观测应用程序222计算对船舶位置和航向的最佳估计值以及对作用到船舶上的天气力的估计值。观测应用程序222可实现为提供对纵荡、横荡和偏航轴估计的单个程序、用于各个轴的多个分离程序或其组合。

观测应用程序222包括以两个步骤的流程确定船舶航向和位置的基于时间的方法，两个步骤的流程即预测步骤和加权平均步骤。预测步骤中，观测应用程序222产生对状态变量(例如，位置，速度和环境力)、连同他们在当前时间周期中的不确定性的估计值。一旦观测到来自于下一时间周期的测量值，就使用测量设备值的加权平均值更新该估计值。根据对所估计的系统状态预测的估计不确定性和测量值的估计不确定性的测量来计算权重。加权平均的结果得到处于预测的和测量的状态之间的新的状态估计值。

在某些实施例中，观测应用程序222包括波形滤波器应用程序224，该波形滤波器应用程序224除去从测量系统110接收到的涉及经过船舶的波形(即波形运动)的频率的测量噪声。波形运动是振荡的，例如，当一个波形的波峰经过船舶，船舶朝一个方向移动，然后当该波形的波谷经过时，船舶朝相反的方向移动。因此，船舶相对于一固定点以振荡运动的方式移动。可将这样的振荡运动从船舶状态数据中去除以保证控制应用程序226不计算出大的振荡的推进器力需求。

在某些实施例中，观测应用程序222以Kalman滤波器或其它LQE程序的形式操作。

观测应用程序222通过控制信号125将计算出的数据发送到控制应用程序226或将计算的数据保存在能够被控制应用程序226访问的存储器182中。控制信号125可包含接收至控制应用程序226中的用来确定DP系统100的推进需求的信息，例如侧向力计算。

如下面所进一步详细描述的，控制应用程序226被配置为接收或访问来自观测应用程序222的控制信号125；接收或访问操作员指定的数据130；处理控制信号125和操作员指定数据130；以及向推进分配应用程序228产生和发送控制信号135(例如，包括每个轴上的推进需求)。备选地，控制信号135可保存在其中它能够被推进分配应用程序228访问的存储器182中。

控制应用程序

现在进一步详细地描述控制应用程序226。本领域技术人员将会意识到，控制应用程序226可采用任何合适的闭环控制模型的形式，例如，三项控制(即，比例积分微分(PID)控制)、基于模型控制、状态变量反馈控制、模糊控制，或诸如此类。还应当理解的是，控制应用程序226可使用来自观测应用程序222的航向估计值、转向率估计值和偏航环境力估计值，或者它可以使用直接来自测量系统110的航向测量值。

参考图3，进一步详细地简要描述了该船舶300。船舶300具有初始航向310(ψ_start)。控制应用程序226基于初始航向310(ψ_start)和航向偏移角度(Δψ)(例如，最佳航向偏移角350(Δψ₁)或操作员航向偏移角352(Δψ₂))计算目标航向(ψ_aim)(例如，最佳目标航向330(ψ_aim1)或操作员目标航向332(ψ_aim2))。

一般而言，将航向偏移角(Δψ)连续迭代以使其收敛到可将横荡环境力412(F_ey)减小到零的最终航向偏移角(Δψ)。横荡环境力412(F_ey)减小到零的的方向被表示为最佳目标航向330(ψ_aim1)。例如，将横荡环境力减小到零的最佳目标航向330(ψ_aim1)处于天气事件355的方向。最佳航向偏移角350(Δψ₁)被表示为由初始航向310(ψ_start)和最佳目标航向330(ψ_aim1)之间的角度。

航向偏移角(Δψ)也可基于操作员偏移角340(δ)和恶劣天气等级，如下面参考图4进一步所描述的。例如，操作员输入操作员偏移角340(δ)(例如，操作员指定数据130)并生成从最佳目标航向330(ψ_aim1)到操作员目标航向332(ψ_aim2)所测量的角度。因此，最佳目标航向330(ψ_aim1)是“初始”目标航向而操作员目标航向332(ψ_aim2)是“最终”目标航向。例如，使用最佳航向偏移角350(Δψ₁)计算最佳航向偏移角350，然后相对于最佳目标航向330(ψ_aim1)输入操作员偏移角340(δ)以选择操作员目标航向332(ψ_aim2)。下面进一步详细地描述基于操作员偏移角340(δ)的操作员航向偏移角352(Δψ₂)的计算。

当计算操作员航向偏移角352(Δψ₂)时，控制应用程序226考虑某些操作员指定数据130，包括角度界限360。通过允许船舶300在相对于船舶300的初始航向310(ψ_start)所定义的给定角度范围内移动来设定角度界限360。角度范围包括外部界限角度±L(表示为图3中的标记号360)。用初始航向310(ψ_start)作为参考，角度界限360在任意方向延伸从而创建边界界限，目标航向(ψ_aim)可在该边界界限内变化。

结合图4进一步详细地描述控制应用程序226对航向偏移角(Δψ)值的计算。图4是描述包括环境力数据和操作员输入数据的基于来自控制信号125和操作员指定数据130来计算航向偏移角(Δψ)的模块图400的图表。

控制应用程序226对航向偏移角(Δψ)计算基于：(1)基本航向函数405，其计算可降低船舶300上所感受到的横荡环境力412(F_ey)的最佳航向偏移角350(Δψ₁)(例如，计算最佳目标航向330(ψ_aim1))；(2)估算航向函数415，其基于操作员偏移角340(δ)修改最佳航向偏移角350(Δψ₁)(例如，从最佳目标航向330(ψ_aim1)偏移操作员目标航向332(ψ_aim2))；以及(3)稳定性函数425，其在极端天气事件期间稳定航向偏移角(Δψ)的计算。

控制应用程序226可执行基本航向函数405以使船舶300燃料消耗的效率最大化或使环境对船舶300的影响最小化。基本航向函数405对最终航向偏移角(Δψ)的计算的贡献在于通过首先创建将横荡环境力412(F_ey)的任何加权值相加得到的总和值460。横荡环境力412(F_ey)是基于对测量信号115的测量从观测应用程序222获得。

然后总和值460乘以控制器增益440(K_zy)以计算乘积值470。控制器增益440(K_zy)具有(角度/力*时间)的单位且总和值460具有(角度/时间)的单位。然后乘积值470相对于时间进行积分以产生积分值480。积分值480具有(角度)的单位。除非，如果需要的话，基于角度界限360被角度界限滤波器490所限制，那么积分值480即航向偏移角(Δψ)。如果在角度界限滤波器490处被限制，那么航向偏移角350(Δψ)为界限360的值。

出于教导的目的，由基本航向函数405独自计算的航向偏移角(Δψ)为最佳航向偏移角350(Δψ₁)。一旦最佳航向偏移角350(Δψ₁)由控制应用程序226计算出，控制应用程序226计算最佳目标航向330(ψ_aim1)等于初始航向310(ψ_start)加上最佳航向偏移角350(Δψ₁)。最佳目标航向330(ψ_aim1)显示给操作员。

操作员可通过指定操作员偏移角340(δ)来修改最佳目标航向330(ψ_aim1)以选择操作员目标航向332(ψ_aim2)。如果操作员指定了操作员偏移角340(δ)，则基于基本航向函数405和估算航向函数415计算操作员航向偏移角352(Δψ₂)。

估算航向函数415使用操作员偏移角340(δ)作为输入以产生对总和值460进行修改的横荡力偏移462(ΔF_ey)。横荡力偏移462(ΔF_ey)的计算430使用操作员偏移角340(δ)的正切值乘以估计的纵荡环境力414(F_ex)，并乘以偏移增益434K_x2y。横荡力偏移462(ΔF_ey)定义如下：

ΔF_ey＝F_ex*K_x2ytan(δ)

偏移增益434(K_x2y)可以是常数，它是预先设定的或者根据90°横荡的风力系数(C_wy)和0°纵荡的风力系数(C_wx)的比较而计算得到。偏移增益434(K_x2y)由以下定义：

风力系数将取决于船舶的特性，例如船舶大小和侧面轮廓。

从横荡环境力412(F_ey)中减去横荡力偏移462(ΔF_ey)以计算总和值460，然后如前所述总和值460被用于相对于基本航向函数405来计算操作员航向偏移角352(Δψ₂)。本质上，横荡力偏移462是将天气事件355的感知方向移动到操作员事件357的方向的人工横荡环境力。

在恶劣天气下使用观测的横荡环境力412(F_ey)来驱动航向偏移角(Δψ)的计算可能导致目标航向(ψ_aim)变化太快以至于DP控制器120可能变得不稳定。为了防止不稳定的目标航向(ψ_aim)计算，稳定性函数425调整控制器增益440(K_zy)以降低目标航向(ψ_aim)的变化率。例如，降低控制器增益440(K_zy)从而使得计算的目标航向(ψ_aim)更慢地收敛到最终航向(ψ_aim)。

稳定性函数425将控制器增益440(K_zy)与通过稳定性应用程序464所产生的稳定性调整值466相乘。稳定性应用程序464通过首先计算乘数452(κ)来产生稳定性调整值466。乘数452(κ)基于额定风速450(V_nom)和纵荡环境力414(F_ex)。额定风速450(V_nom)的值可由操作员指定数据130预设。为了防止纵荡环境力414(F_ex)被除零，控制应用程序226包括除零检测函数420。

乘数452(k)是考虑了额定风速450(V_nom)和纵荡环境力414(F_ex)之间的关系而得出的。特别地，乘数452(κ)由以下定义：

$\mathrm{\κ}=\left|\frac{V_{\mathrm{nom}}}{F_{\mathrm{ex}}}\right|$

根据乘数选择器454，如果乘数452(κ)小于或等于1，则稳定性调整值466等于乘数452(κ)的值。否则，如果乘数452(κ)大于1，则稳定性调整值466为1。因此，当计算乘积值470时控制器增益440(K_zy)调整如下：

K’_zy＝K_zy*κ如果κ≤1

或

K’_zy＝K_zy如果κ＞1

特别地，调整值466乘以控制器增益440(K_zy)以形成乘积值470。然后乘积值470被如上使用以计算航向偏移角(Δψ)。

备选地，例如，当风速超过了额定风速450(V_nom)的预设或预定值时，稳定性调整值466可由操作员指定。

一旦控制应用程序226计算了航向偏移角(Δψ)，控制应用程序226就将目标航向(ψ_aim)计算为等于初始航向310(ψ_start)加上航向偏移角(Δψ)。

一旦计算了目标航向(ψ_aim)，控制应用程序226就使用观测应用程序222所提供的对航向、转向率和偏航环境力的估计值计算为了将船舶300的航向维持在目标航向(ψ_aim)的转向时刻需求。对航向、转向率和偏航环境力的估计值乘以适当的增益并将结果相加以提供用于偏航的转向时刻需求。所计算的转向时刻需求作为控制信号135的一部分传递到推进分配应用程序228。

推进分配应用程序228将船舶300每个轴上的推进需求转换成每个单个推进器或推进设备的推进分配和方向需求。所计算出的推进分配和方向需求通过推进器控制信号145发送到推进器系统150进行实施。

应当意识到，具体实施方式部分而不是发明内容和摘要部分意在用于解释权利要求。发明内容和摘要部分可提出发明人所设想的本公开的一个或多个但并非全部的示范性实施例，因此，并非意在以任何方式限制本公开和所附的权利要求。

参考标记

100：dp系统

105：状态数据

110：测量系统

115：测量信号

120：dp控制器

125：控制信号

130：操作员指定数据

135：控制信号

145：推进器控制信号

150：推进器系统

160：存储器

182：存储器

184：应用程序

186：数据库

188：操作系统

190：i/o设备驱动器

192：处理器

194：i/o数据端口

222：观测应用程序

224：波形滤波器应用程序

226：控制应用程序

228：推进分配应用程序

300：船舶

310：初始航向

330：最佳目标航向

332：操作员目标航向

340：操作员偏移角

350：最佳航向偏移角

352：操作员航向偏移角

355：天气事件

357：操作员事件

360：角度界限

400：模块图

405：基本航向函数

412：摇摆环境力

414：纵荡环境力

415：估算航向函数

420：检测函数

425：稳定性函数

430：计算

434：偏移增益

440：控制器增益

450：额定风速

452：乘数

454：乘数选择器

460：总和值

462：摇摆力偏移

464：稳定性应用程序

466：调整值

470：乘积值

480：积分值

490：角度界限滤波器

Claims (10)

1.一种动态定位系统，包括：

控制器，包括：

处理器；和

其上保存有计算机可执行指令的存储器，当所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

由所述处理器计算：

基于一个或多个横荡环境力的测量值之和的总和值；

基于所述总和值和控制器增益乘积的乘积值；

基于所述乘积值随时间积分的航向偏移角；和

基于初始航向和所述航向偏移角之和的目标航向。

2.如权利要求1所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括基于所述目标航向产生推进器控制信号。

3.如权利要求1所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于操作员偏移角的正切值乘以纵荡环境力的测量值计算横荡力偏移；

基于以下之和计算该总和值：

所述一个或多个横荡环境力的测量值；和

所述横荡力偏移。

4.如权利要求3所述的动态定位系统，其中所述横荡力偏移基于以下公式计算：

ΔF_ey＝F_ex*K_x2ytan(δ)

其中ΔF_ey是横荡力偏移，F_ex是纵荡环境力，K_x2y是偏移增益，且δ是操作员偏移角。

5.如权利要求3所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于横荡风力系数和纵荡风力系数计算偏移增益；和

基于所述操作员偏移角的所述正切值乘以所述纵荡环境力的测量值，再乘以所述偏移增益，计算所述横荡力偏移。

6.如权利要求5所述的动态定位系统，其中所述偏移增益基于以下公式计算：

其中K_x2y是偏移增益，C_wy是横荡风力系数，C_wx是纵荡风力系数。

7.如权利要求3所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括：

基于风速除以纵荡环境力计算乘数值；

确定调整值的值，其中该调整值的值为：

如果所述乘数的绝对值小于1，则等于所述乘数值；或

如果所述乘数的绝对值大于1，则等于1；以及

基于所述总和值、所述控制器增益和所述调整值的乘积计算所述乘积值。

8.如权利要求7所述的动态定位系统，其中所述乘数基于以下公式计算：

$k=\left|\frac{V_{\mathrm{nom}}}{F_{\mathrm{ex}}}\right|$

其中(k)是所述乘数，V_nom是所述风速，F_ex是所述纵荡环境力。

9.如权利要求8所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括当所述风速超过预定速度时计算所述乘数。

10.如权利要求8所述的动态定位系统，其中横荡力偏移基于以下公式计算：

ΔF_ey＝F_ex*K_x2ytan(δ)

其中ΔF_ey是所述横荡力偏移，F_ex是所述纵荡环境力，K_x2y是偏移增益，且δ是所述操作员偏移角。