CN110422284A

CN110422284A - 一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法及系统

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Publication number: CN110422284A
Application number: CN201910672421.1A
Authority: CN
Inventors: 吴金波; 郭睿文; 巫东来
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2019-11-08

Abstract

本发明属于运动补偿技术领域，并具体公开了一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法及系统，其首先获取由吊机的执行机构引起的待吊装货物在垂直方向上的位移以及用于吊装货物的钢绳的动态伸长量，并基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值；再由货物在垂直方向上的位移、钢绳的动态伸长量以及垂向升沉位移预报值三者相加计算获得货物实际位置估计值；最后计算货物实际位置估计值与对应预设的货物指令位移值的差值，并以该差值控制执行机构动作，以此完成基于舰船运动预报的主动升沉补偿。本发明具有补偿精度高、补偿效果好等优点，适用于多种主动升沉补偿系统。

Description

一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法及系统

技术领域

本发明属于运动补偿技术领域，更具体地，涉及一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法及系统。

背景技术

近些年来，随着我国对海洋资源开发的不断深入，海上物资补给、货物驳运等作业日趋频繁，船用起重机也起着越来越重要的作用。船用起重机工作时，由风浪引起的船舶在升沉方向上的运动不仅会影响吊装作业的效率，在某些极端情况下，甚至会引发安全事故。因此，一套升沉补偿系统对于保障船用起重机在复杂海况之下的工作能力具有重要意义。

主动升沉补偿系统通常由控制器、执行机构、惯性测量单元、角位移传感器、钢丝绳张力传感器等构成，拥有独立的动力源，具有适应性好，抗干扰能力强等优点。但由于主动升沉补偿系统本身具有的大惯性、迟滞等特点，现有的主动升沉补偿系统中存在着响应滞后较大的问题，这一现象导致了主动升沉补偿系统难以取得较高的补偿精度。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法及系统，其基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值，并基于预报数据及货物在垂直方向上的位移和钢绳的动态伸长量预估获得货物实际位置，并以此货物实际位置与货物指令位移值的差值实现执行器的控制，以此完成基于舰船运动预报的主动升沉补偿，具有补偿精度高、补偿效果好等优点，适用于多种主动升沉补偿系统。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其包括如下步骤：

S1获取由吊机的执行机构引起的待吊装货物在垂直方向上的位移以及用于吊装货物的钢绳的动态伸长量，并基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值；

S2由货物在垂直方向上的位移、钢绳的动态伸长量以及垂向升沉位移预报值三者相加计算获得货物实际位置估计值；

S3计算货物实际位置估计值与对应预设的货物指令位移值的差值，并以该差值控制执行机构动作，以此完成基于舰船运动预报的主动升沉补偿。

作为进一步优选的，优选利用AR模型基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值，该AR模型具体为：

式中，p为假设的已知模型的阶数，{a_j,j＝0,1,2,...,p}为模型的自回归系数，{ξ(n),n＝1,2,...,N-1}为均值为零的正态白噪声序列，x(n-j)为一段时间内已知的吊机顶端的垂向升沉位移数据。

作为进一步优选的，利用AR模型基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值，具体包括如下步骤：

S11利用船体甲板上的惯性测量单元测得多组船体的六自由度位移；

S12将惯性测量单元测得的各组六自由度位移均折算为吊机顶端的垂向升沉位移，以此获得多个垂向升沉位移；

S13利用多个垂向升沉位移对AR模型进行建模，以获得参数已知的AR模型，然后利用该参数已知的AR模型对垂向升沉位移进行预报。

作为进一步优选的，对预报获得的垂向升沉位移进行插值处理。

作为进一步优选的，采用B样条插值算法进行插值处理。

作为进一步优选的，将预报获得的垂向升沉位移反馈至执行机构中以实现前馈补偿。

作为进一步优选的，待吊装货物在垂直方向上的位移由装设在吊机顶部的编码器测得，钢绳的动态伸长量由状态观测器估计获得。

按照本发明的另一方面，提供了一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿系统，其包括：

垂向升沉位移预报模块，用于获取由执行机构引起的待吊装货物在垂直方向上的位移以及吊装货物的钢绳的动态伸长量，并基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值；

实际位置估计模块，用于将货物在垂直方向上的位移、钢绳的动态伸长量以及垂向升沉位移预报值三者相加计算获得货物实际位置估计值；

主动升沉补偿模块，用于计算货物实际位置估计值与对应预设的货物指令位移值的差值，并以该差值控制执行机构动作，以此完成基于舰船运动预报的主动升沉补偿。

S13利用多个垂向升沉位移对AR模型进行建模获得参数已知的AR模型，然后利用该参数已知的AR模型对垂向升沉位移进行预报。

作为进一步优选的，采用B样条插值算法进行插值处理。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值，并基于预报数据及货物在垂直方向上的位移和钢绳的动态伸长量预估获得货物实际位置，并以此货物实际位置与货物指令位移值的差值为目标，控制执行机构进行与该差值等大的反向运动，以此完成基于舰船运动预报的主动升沉补偿，该方法具有补偿精度高、补偿效果好等优点。

2.本发明优选采用AR模型进行预报，其仅通过舰船运动的历史数据即可实现未来时刻的运动预报，具有较高的预报精度、良好的实时性，预报算法简洁，且便于设计和调整，能够有效克服系统时滞，提升系统的补偿精度，预报方式的引入使货物位置的估计更准确，提升了控制精度。

3.当船舶运动干扰进入系统后，由于升沉补偿系统的大惯量，系统响应速度较慢，单纯的闭环控制难以取得良好的控制效果，本发明将预报获得的垂向升沉位移反馈至执行机构中以实现前馈补偿，以有效抑制吊机顶端升沉运动对货物垂向位移的干扰。

4.本发明还采用B样条插值法将预报获得的离散型垂向升沉位移数据进行连续化处理，以使得其能有效输入控制器中实现执行器的控制。

附图说明

图1为舰船上的货物吊装示意图；

图2为吊机顶端综合垂向升沉位移折算图；

图3为基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法的流程框图；

图4为预报算法流程图；

图5为基于舰船运动预报的主动升沉补偿系统的控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供了一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法及系统，升沉补偿的目的在于对船体上的货物相对于惯性坐标系的位移进行实时补偿，如图1-2所示，船体上的货物一般由吊机进行吊装，货物连接钢绳，钢绳穿过吊机的顶端，并与执行机构(例如绞车)相连，通过执行机构的动作带动钢绳上升和下降，进而实现货物的吊装。

补偿时需要知道货物相对于惯性坐标系的三部分位移，一是由执行机构引起的待吊装货物在垂直方向上的位移，该部分位移可以由装设在吊机顶部的编码器测得。二是用于吊装货物的钢绳的动态伸长量，该部分位移可以利用状态观测器估计获得，具体的，状态观测器由张力传感器测得的钢绳张力及钢绳的弹性模量计算出钢绳的动态伸长量，钢绳动态伸长量＝钢绳张力/钢绳的弹性模量。三是船体受波浪影响产生的综合垂向升沉位移，该部分位移优选利用AR(Auto Regressive)模型基于舰船船体的历史位移数据预报获得。将上述三部分相加即可得到货物相对于惯性坐标系的实际位置。由于船舶存在横摇和纵摇，船舶上每一点的升沉位移并不都是相同的，用来测量船舶位姿变化的惯性测量单元通常安装在甲板上(图2中点P)而非吊机顶端(图2中点M)，因此，需要进行相应的坐标变换以将惯性测量单元所测量的数据转化为吊机顶端的垂向升沉位移。

如图2所示，当船体相对于惯性坐标系静止时，以惯性测量单元所在位置为原点建立坐标系P(该坐标系等同于惯性坐标系)。假设此时惯性测量单元测得船体绕Z_P旋转角度为α平移距离为z，绕Y_P旋转角度为β平移距离为y，绕X_P旋转角度为γ平移距离为x。得到此时的船体运动姿态，以运动后的惯性测量单元所在位置为原点建立坐标系P′。此时由坐标系P′到坐标系P的旋转变换矩阵为：

其中，公式(1)中s为sin的缩写，c为cos的缩写。

由坐标系P′到坐标系P的平移变换向量为：

如图2所示，设点M为吊机顶端的位置，M在坐标系P中的坐标为^PM(a,b,c)，船体可视为一个刚性结构，当点P运动到点P′，点M运动到点M′，此时M′在坐标系P′中的坐标为^P′M′(a,b,c)。

则点M′在坐标系P(即惯性坐标系)中的坐标为：

设求得的坐标为^PM′(a′,b′,c′)，则此时吊机顶端受船体运动影响产生的综合垂向升沉位移y_z为：

y_z＝c′-c(4)。

图3为本发明的基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法的流程框图，其使用惯性测量单元测量船体一段时间内的六自由度位移数据，然后将这些数据进行折算获得一段时间内的吊机顶端的垂向升沉位移数据(其为历史垂向升沉位移数据)，再根据历史垂向升沉位移数据使用AR模型预报出吊机顶端即将产生的垂向升沉位移数据，最后通过预报的垂向升沉位移数据对系统进行轨迹跟踪控制和前馈补偿控制，消除受船舶运动对货物运动的影响，以保证货物能按照给定的轨迹运动。对于历史垂向升沉位移数据的数据量本发明不做限定，可根据实际需要进行设计，数据量越多，预报越准确。

舰船运动数据作为系统干扰由惯性测量单元得到，然而惯性测量单元在采集和处理数据过程中通常会产生一定的延时，通过惯性测量单元获得的船体运动姿态，其实是过去某一时刻的船体运动姿态，以此作为反馈数据会在闭环控制系统中引入一定的时滞。本发明基于历史垂向升沉位移数据，优选采用AR模型预报的方法估计实时的船体运动姿态，具有预报精度高，运算简便等特点，利用该舰船运动预报算法可以有效地弥补系统中的时滞。

AR模型是一种用于线性高分辨率谱分析的参数化模型，对于平稳时间随机序列具有较好的表达效果。通常在较短时间段内，波浪条件和船体自身状况基本保持不变，可将其视为平稳随机过程。因此可利用AR模型对过去一段时间内船体运动姿态的数据进行拟合，得到这些数据的近似曲线，最后通过拟合得到的曲线对未来一定时间的船体运动姿态进行预报。相比于其他预报方法，利用AR模型进行预报具有以下优点：AR模型不受具体船型的影响，建模时不需要船体的响应函数，仅通过舰船运动的历史数据即可实现未来时刻的运动预报，且具有较高的预报精度；无需计算低频运动的功率谱，减少了建模及预报过程的计算量，具有良好的实时性；预报算法简洁，便于设计和调整，同时节省了上位控制器的存储空间。

具体的，参见图4，利用AR模型进行舰船运动预报的方法如下所示：

设{x(i),i＝1,2,...,N}为某一时间段内已知的垂向升沉位移数据(即吊机顶端的垂向升沉位移)序列，通常在较短时间段内，波浪条件和船体自身状况基本不变，因而较短时间段内船体的升沉运动可视为平稳随机过程，其垂向升沉位移序列服从如下AR模型：

上式中：p为假设已知的模型的阶数，{a_j,j＝0,1,2,...,p}为模型的自回归系数，{ξ(n),n＝1,2,...,N-1}为均值为零的正态白噪声序列，x(n-j)为一段时间内已知的吊机顶端的垂向升沉位移序列。

AR模型建模的过程类似于插值函数，其关键之处在于通过一定方法辨识出模型的自回归系数{a_j}，使模型对数据的拟合程度最优。为此，令式(5)中n＝p+1,p+2,...,N,(N≥2p)，可以得到N-p个关于{a_j}的代数方程：

若定义矩阵X_N＝[x(p+1) x(p+1) ... x(N)]^T

a＝[a₁ a₂ ... a_p]^T (8)

ξ＝[ξ(p+1) ξ(p+2) ... ξ(N)]^T (9)

方程组(6)可化为矩阵形式：

X_N＝Ψ_Na+ξ (10)

式(10)是一个含有白噪声项的方程，无法直接求解，只能对自回归系数向量a进行估计。参数估计的方法有很多，为了减少算法的运算时间、提高预报的实时性，本发明选用计算较为简便的最小二乘估计。

设是a的某一估计，由式(10)的形式可选取估计的目标函数为：

当估计值时使J最小时，称为系数向量a的最小二乘估计。

通过求解方程可以得到为：

AR模型的定阶：

由式(5)可知，完成对自回归系数{a_j,j＝1,2,...,p}的估计后，还需要求得AR模型的阶数p才能得到完整的AR预报模型。对于阶数p的求解又称作AR模型的定阶，对AR模型的定阶方法有白噪声检验定阶法、准则函数定阶法、隅角定阶法等。本发明选用AIC准则定阶法，其优点是可以保证预报模型的实时性和适应性。

AIC准则定阶法属于最佳准则函数法，其原理是在一定的模型上，使用极大似然法对参数进行估计，以寻找模型阶次，其方法为：

上式中，为极大似然法估计出的参数值，为极大似然函数，k为模型里独立参数的数量。

通过式(13)可知，AIC准则数由两部分组成。第一，模型里独立参数的个数，它随着阶数的增大而增大；第二，模型的拟合度，它随着阶数的增大而减小。

根据式(5)将AIC模型的极大似然函数表达为如下所示：

模型里独立参数的数量可表达为如下所示：

利用以上推导，将AIC准则定阶法分为三步，首先，通过离线估计的方法，确定模型的最大阶数M；接着，阶数从1到M依次取值，将每个阶数p带入到式(5)，通过最小二乘法估计出模型中的自回归系数，并计算每个模型的AIC准则数AIC(p)；最后，比较所有AIC(p)的大小，当有一个使得时，即为AR预报模型的阶数。

AR模型的预报步骤：

利用AR模型进行波浪预报是基于线性最小方差的原理来实现的，当获得波浪的历史数据(即吊机顶端的垂向升沉位移)，并通过历史数据得到AR模型的自回归系数和阶数后，未来l步预报的吊机顶端的垂向升沉位移为：

当l＝1时，有：

当1＜l≤p时，有：

当l＞p时，有：

一般来说，惯性测量单元数据采样周期和AR模型预报步长一致，但系统的控制周期通常比采样周期和预报步长更短。因此，需要通过插值的方式“填补”两个相邻预报值之间的船舶运动数据，才能够得到可用于系统控制的船舶运动序列。同时由于补偿算法的实时性，要求插值算法能够在任意时间序列末尾进行插值，且由于系统的前馈控制器存在高阶微分项，因此插值算法所求得的时间序列能够进行高阶微分运算，本发明选用满足此二条件的B样条插值算法对预报获得的垂向升沉位移进行插值。

具体的，B样条曲线可用基函数以及控制顶点的线性组合来表示，定义n+1个控制点P_i(i＝0,1,...,n)和一个节点向量t＝{t₀,t₁...,t_m},t₀≤t₁≤...≤t_m，由P_i和t所定义的k+1阶B样条曲线r(t)表达式为：

上式中，m,n,k的取值关系满足：m＝n+k+1，N_i,k(t)为k次B样条插值基函数，由以下递归公式定义：

由于基函数N_i,k(t)由递归公式定义，在节点向量已知的情况下可随时对其进行增补，满足了插值算法的实时性要求；同时，P_i已知，基函数N_i,k(t)满足微分方程：

因此B样条曲线r(t)存在k-1阶非零微分，因此在k值取足够大时，能够用于需要计算高阶微分的前馈控制。

以下是对船舶运动数据进行B样条曲线插值的具体做法：

定义Q_i(i＝0,1,...,n)为船舶的实际运动时间序列，其中Q_i(i＝0,1,...,n′)为折算后得到的吊机顶端的垂向升沉位移的n′个历史运动数据，Q_i(i＝n′+1,n′+2,...,n)为通过AR模型所预报求得的n-n′个吊机顶端的垂向升沉位移，设该运动时间序列Q_i(i＝0,1,...,n)为B样条曲线在参数τ_i(i＝0,1,...,n)下的插值点，用公式表达即为：

从式(19)～(21)可以看出，插值曲线的形状由节点向量t＝{t₀,t₁...,t_m}和控制点P_i所决定。为保证曲线的光顺性，选用累加弦长的方式求得该插值曲线的参数，令：

其中：

定义节点向量t中的元素：

t₀＝t₁＝...＝t_k＝0 (26)

t_n+1＝t_n+2＝...＝t_n+k+1＝1 (28)

将式(26)～(28)其带入式(23)中，求解关于B样条插值曲线控制点P_i(i＝0,1,...,n)的线性方程组，从而得到式(19)的完整表达式。

图5为主动升沉补偿系统控制框图，其中，u为执行机构的输入，y_z为吊机顶端受船体运动影响产生的垂向升沉位移，Δl为钢丝绳的动态伸长量，F为钢丝绳张力(通过张力传感器测量得到)，y_l为货物的实际位置(相对于惯性坐标系)，l_b为执行机构运动引起的货物在垂直方向上的位移(由编码器测量得到)，为钢丝绳动态伸长量的估计值，为吊机顶端受船体运动影响产生的垂向升沉位移的预报估计值，为货物实际位置的估计值(相对于惯性坐标系)。

优选的，将预报获得的垂向升沉位移反馈至执行机构中以实现前馈补偿，具体的，可通过设计前馈控制器将垂向升沉位移反馈至执行机构中，前馈控制器通过舰船运动预报算法所得到的吊机顶端受船体运动影响产生的垂向升沉位移的预报估计值进行前馈控制。在系统中加入前馈控制器的优势在于，前馈控制器是按照干扰作用的大小来进行控制的，一旦检测到干扰的作用，前馈控制器立即驱动执行器动作对干扰进行抑制，相比单一的反馈控制而言响应更加及时。

前馈控制器采用结构不变性原理设计，所谓结构不变性原理即确定外部干扰形式，计算所施加的控制作用，然后针对干扰施加补偿。在本发明中，负载位移由两部分构成：执行机构的输入与船体的升沉扰动，如图5所示，在执行机构速度控制器G_u(s)处添加一条前馈补偿支路，该支路的作用是抵消船体升沉扰动。

具体的，根据结构不变性原理设计前馈补偿器，设执行机构输入u相对于负载位移y_l的传递函数为G_u(s)，吊机顶端受船体运动影响产生的垂向升沉位移y_z相对于负载位移y_l的传递函数为G_z(s)，则存在下式：

y_l＝G_u(s)u+G_z(s)y_z (29)

根据结构不变性原理的思想，执行机构速度控制器G_u(s)处对其设置一条前馈补偿支路，如图5虚线处所示，其目的在于消除吊机顶端受船体运动影响产生的垂向升沉位移y_z对负载位移y_l的影响，该支路上的传递函数即为前馈补偿器D(s)，且满足：

G_u(s)D(s)y_z+G_z(s)y_z＝0 (30)

因此，由式(12)可推导出D(s)的表达式为：

工作时，首先，获取由吊机的执行机构引起的待吊装货物在垂直方向上的位移以及用于吊装货物的钢绳的动态伸长量，并利用AR模型基于舰船船体的历史位移数据预报获得垂向升沉位移预报值；然后，由货物在垂直方向上的位移、钢绳的动态伸长量以及垂向升沉位移预报值三者相加计算获得货物实际位置估计值；最后，计算货物实际位置估计值与对应预设的货物指令位移值的差值，以该差值作为执行机构的输入指令，通过执行机构控制钢绳的收放，具体的使执行机构执行与该差值等大的且反向的运动，也即使得钢绳进行与差值等大的且反向的运动，以此完成基于舰船运动预报的主动升沉补偿。其中，预设的货物指令位移值由操作人员设定，由于在海上吊装作业中货物的实际位置无法直接通过测量得到，本发明利用船舶升沉运动折算到吊机顶端处的位移、执行机构引起的货物位移和钢丝绳动态伸长量，三者相加得到货物实际位置的估计值(图5中)，系统控制器根据货物实际位置的偏差对执行机构输出指令信号。

本发明基于AR模型提前获知船舶运动数据，并通过插值将离散型的船舶运动数据连续化，最后根据预报所得到的数据，利用轨迹跟踪控制器、前馈控制器让系统进行提前动作，以抵消时滞、大惯性对系统控制带来的不利影响，提高了主动升沉补偿系统的精度。本发明通过惯性测量单元测量、AR模型预报吊机顶端处综合升沉位移，其可实现货物实际位置的计算，从而用于构建闭环控制器，还可作为前馈控制器的输入，用于抵消系统的干扰。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其特征在于，优选利用AR模型基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值，该AR模型具体为：

3.如权利要求2所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其特征在于，利用AR模型基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值，具体包括如下步骤：

4.如权利要求3所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其特征在于，优选的，对预报获得的垂向升沉位移进行插值处理。

5.如权利要求4所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其特征在于，优选采用B样条插值算法进行插值处理。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其特征在于，优选的，将预报获得的垂向升沉位移反馈至执行机构中以实现前馈补偿。

7.如权利要求1-6任一项所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿方法，其特征在于，待吊装货物在垂直方向上的位移由装设在吊机顶部的编码器测得，钢绳的动态伸长量由状态观测器估计获得。

8.一种基于舰船运动预报的主动升沉补偿系统，其特征在于，包括：

9.如权利要求8所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿系统，其特征在于，优选利用AR模型基于舰船船体的历史垂向升沉位移数据预报获得垂向升沉位移预报值，具体包括如下步骤：

10.如权利要求8或9所述的基于舰船运动预报的主动升沉补偿系统，其特征在于，优选的，对预报获得的垂向升沉位移进行插值处理；优选采用B样条插值算法进行插值处理；优选将预报获得的垂向升沉位移反馈至执行机构中以实现前馈补偿。