CN110456658B - 一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，通过旋转中心点在船体坐标系下的位置，计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵，计算旋转中心点的运动状态，计算期望运动状态，计算每个推进器的相对位置坐标，计算新的推进器位置布置矩阵，计算每个推进器的期望推力、期望回转方位角，将推进器实际输出的推力合成到旋转中心处，形成合力，计算在旋转中心点处的运动状态，计算在北东坐标系下的位置和姿态，计算旋转中心的位置。本发明能够有效的对动力定位船舶变旋转中心后的定点定位和路径跟踪等任务进行仿真，降低了仿真误差，能真实的反映实际情况，并能为实际的动力定位系统的变旋转中心运动控制提供技术支持。

Description

一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法

技术领域

本发明属于动力定位系统控制技术领域，具体涉及一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法。

背景技术

动力定位(DP)是一项在海洋工程中和深海开发中广泛使用的一种技术，目前全世界已经有超过2000艘具有动力定位系统的船舶，动力定位可以通过推进器保持位置和艏向于固定点或设定航迹上，并能够保证控制的精度，灵活有效，尤其是在锚泊受限的深海区，能够展现其强大的优势。

对于高强度、高难度的海上作业需求，普通动力定位能力船舶的旋转中心通常设置在船体中心，逐渐无法适应海洋工程作业需求。在特殊的海洋工程作业中，可以灵活设置船舶的旋转中心，以适应海上特殊操作任务的需求。例如：在海洋铺管作业的过程中，将船尾的托管架设置为船舶旋转中心，以提高铺管的精度，增强铺管作业效率；当DP船舶在执行深海安装任务时，可以将吊机所处的位置设置为旋转中心，以保证水下作业任务的灵活性，提高作业效率，保证水下作业精度；加强型动力定位船的旋转中心可以任意设置在船体的任何位置，可灵活适用海上复杂作业环境，适应海上高强度作业要求，降低海洋作业风险，提高作业精度，由此可见变旋转中心的运动控制对于动力定位船舶具有重要的工程意义和实际意义。

目前，国内外在这方面的研究较少，尽管康士伯公司已有完整的动力定位系统产品，由于技术保密查阅，所以查不到相关的技术文献。因此本文提出一种动力定位船舶变旋转中心的运动控制仿真方法。对于动力定位船舶，当船舶的旋转中心(即运动控制点)发生改变时直接影响到船舶的运动数学模型和动力学模型以及推力分配方法。为了实现动力定位船舶变旋转中心的运动仿真，其关键是要建立船舶变旋转中心的运动学模型以及变旋转中心的推力分配方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，建立了一种船舶变旋转中心三自由度运动数学模型，提出了一种变旋转中心的推力分优化数学模型，并构建了一种具有变旋转中心控制功能的动力定位仿真系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，具体的实现步骤为：

步骤1.根据任务需求和相应的操作模式在旋转中心设置模块中设置船舶的旋转中心点，将旋转中心点在船体坐标系下的位置(x_c,y_c)传给变旋转中心的三自由度运动数学模块、推力分配模块、运动状态转换模块；

步骤2.由设置的旋转中心，计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵；根据船体中心点的运动状态，计算出旋转中心点的运动状态；

步骤3.将旋转中心点的运动状态输入到三自由度运动控制器模块，该模块根据设定的操作模式，选择对应的控制器，根据运动状态的位置偏差、艏向偏差和三自由度速度偏差计算出期望纵向推力、横向推力和转艏力矩；

步骤4.将控制器产生的期望合力指令输入到变旋转中心的推力分配模块，计算每个推进器的相对位置坐标，计算新的推进器位置布置矩阵，最后根据推力分配优化模型采用序列二次规划算法或粒子群算法进行求解，得到每个推进器的期望推力和期望回转方位角；

步骤5.将每个推进器的期望推力和期望回转方位角输入到推进器响应模块，输出期望推力到变旋转中心的推力合成模块；推力合成模块将每个推进器实际输出的推力合成到旋转中心处，形成合力τ_c；

步骤6.将合力τ_c输入到变旋转中心的三自由度船舶运动数学模型中，计算船舶在旋转中心点处的加速度和船舶旋转中心处的三自由度速度υ_c；

步骤7.将旋转中心处的速度υ_c输入到旋转中心和船体中心运动状态转换模块，计算船中心点的运动状态向量υ；计算船舶在北东坐标系下的位置和姿态向量η；计算船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量η_c；此时完成仿真系统的一个工作循环；

步骤8.循环执行步骤3到步骤7，若在仿真过程中多次切换了旋转中心坐标，则每次切换后的从步骤1开始，然后重复执行步骤3至步骤7。

本发明还可以包括：

所述步骤2的计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵的公式为

其中旋转中心点在船体坐标系下的位置为(x_c,y_c)

所述步骤2的根据船体中心点运动状态计算出旋转中心点运动状态的公式为

η_c＝η+J(ψ)[x_c,y_c,0]^T

其中υ为船舶在随体坐标系下的速度向量，J(ψ)为旋转矩阵，

为船舶在北东坐标系下的速度向量，η为船舶在北东坐标系下的位置及姿态向量，η₀为船舶在北东坐标系下的初始位置及初始姿态向量，η_c为船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量。

所述步骤4的计算每个推进器的相对位置坐标的公式为

其中(x_i,y_i)为推进器的坐标，(x_ic,y_ic)为推进器相对于旋转中心点的坐标，i为推进器序号；

推力分配优化模型为

其中s为推力分配的误差，α为全回转推进器回转角，f为推进器的推力，τ为期望推力，W、Q、Ω为权值矩阵，ρ、ε为常数，B(α)为推进器布置矩阵。

所述步骤6的计算船舶在旋转中心点处的加速度和船舶旋转中心处的三自由度速度υ_c为

其中H＝H(x_c,y_c)为速度之间的转化矩阵，M_RB代表船体惯性矩阵，

为船舶在旋转中心处的加速度向量，υ_c为船舶在旋转中心处的速度，C_RB代表船体的科里奥利—向心力矩阵，C_A为附加质量的科里奥利--向心力矩阵，M_A为附加质量矩阵，D_l为线性水阻尼系数矩阵，D_n为非线性水阻尼矩阵，τ_c为旋转中心处的合力。

步骤7中所述的船中心点的运动状态向量υ为：

υ＝H(x_c,y_c)υ_c

其中H(x_c,y_c)为速度之间的转化矩阵，υ_c为船舶在旋转中心处的速度；

所述的船舶在北东坐标系下的位置和姿态向量η为：

其中

为船舶在北东坐标系下的速度向量，

J(ψ)为旋转矩阵；η₀为船舶在北东坐标系下的初始位置及初始姿态向量；

所述的船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量η_c为：

η_c＝η+J(ψ)[x_c,y_c,0]^T。

所述仿真方法的系统包含7个模块，分别为变旋转中心的三自由度运动数学模块、旋转中心和船舶中心运动状态的转换模块、状态观测器模块、三自由度运动控制器模块、变旋转中心推力分配模块、推进器响应模块、变旋转中心推力分配合成模块；其中旋转中心的设置影响船舶的三自由度运动数学模型、运动状态转换、推力分配、推力合成。

本发明的有益效果在于：本发明能够有效的对动力定位船舶变旋转中心后的定点定位和路径跟踪等任务进行仿真，降低了仿真误差，能真实的反映实际情况，并能为实际的动力定位系统的变旋转中心运动控制提供技术支持。

附图说明

图1为北东坐标系和随船坐标系。

图2为船舶中心点状态变量在坐标系下的表示。

图3为船舶旋转中心点状态变量在随船坐标系下的表示。

图4为某动力定位船舶的推进器布置图。

图5为动力定位船舶变旋转中心的运动控制仿真系统结构。

图6为动力定位船变旋转中心运动仿真流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述：

实施例1

本发明针对动力定位船舶变旋转中心的运动控制，建立了一种船舶变旋转中心三自由度运动数学模型，提出了一种变旋转中心的推力分优化数学模型，并构建了一种具有变旋转中心控制功能的动力定位仿真系统。船舶变旋转中心运动数学模型包括运动方程和动力学方程。变旋转中心的运动学方程根据旋转中心位置和船舶中心的位置关系，由常规的船舶三自由度运动方程导出。船舶变旋转中心的动力学方程，对此本专利采取的思路是根据船舶动力学方程的组成特点，由刚体动力学推出船舶变旋转中心的刚体动力学方程；根据建立在船中心上水动力学方程推出变旋转中心位置处的水动力学方程，将这两部分合成即得到船舶变旋转中心的动力学方程。变旋转中心刚体动力学模型是通过船舶在旋转中心上的牛顿—欧拉方程导出；变旋转中心水动力学模型则是将船体中心处的水动力学模型通过力学上的转换，将其转换为旋转中心处的水动力学模型。而船舶的水动力参数具体包括附加质量系数、线性水阻力系数和非线性水阻力系数。这些都是通过实验或流体力学软件计算得到，而相关参数的测量都是以船体中心作为船舶运动控制点而得到的。对于变旋转中心推力分配方法，首先建立一种优化分配数学模型，优化考虑的技术指标为：分配误差、功率消耗、输出推力、奇点避免；当控制点发生改变时，推进器的相对于控制中心的位置也随之改变，因此确定变旋转中心后的推进器布置矩阵是解决变旋转中心推力分配问题的关键。

1、船舶变旋转中心三自由度运动数学模型

船舶变旋转中心的三自由度运动数学模型包含两部分内容，一是船舶运动控制点即旋转中心与船舶中心的速度关系，二是船舶中心点的运动状态在随体坐标系和北东坐标系下的转换关系。在变旋转中心的仿真过程当中，船舶旋转中心点可以实时的切换，每次切换时，更新后的旋转中心点的速度及位置均通过船舶中心点导出。需要说明船舶中心时指船体坐标系的原点，旋转中心是根据操作人员选定的旋转点。

船舶三自由度北东坐标系和随船坐标系如下图1所示，船舶中心点状态变量在坐标系下的表示如图2所示，船舶旋转中心点状态变量在随船坐标系下的表示如图3所示。

(1)变旋转中心运动学模型

船舶运动控制点的运动状态同船舶中心点处的运动状态之间的关系。

由在控制点到船中心点的速度转换：

υ＝H(x_c,y_c)υ_c (1)

式中：υ＝[u v r]^T为船舶中心点的速度；υ_c＝[u_c v_c r_c]^T为船舶旋转中心点的速度，速度具体说明信息见附图。H(x_c,y_c)为速度之间的转化矩阵。

由船体中心点到控制点的速度转换：

υ_c＝H(x_c,y_c)^-1υ (3)

船舶运动状态在北东坐标和船体坐标系之间的转换：

式中：

为船舶在北东坐标系下的速度向量；η＝[n,e,ψ]^T为船舶在北东坐标系下的位置及姿态向量；υ＝[u,v,r]^T为船舶在随体坐标系下的速度向量；J(ψ)为旋转矩阵。

旋转中心点在北东坐标系下的位置计算公式：

η_c＝η+J(ψ)[x_c,y_c,0]^T (6)

式中：η_c＝[n_c,e_c,ψ_c]^T为船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量。

(2)船舶变旋转中心的动力学模型

(2.1)船舶刚体动力学模型

设船舶旋转中心为(xc,yc)，船舶的重心坐标为(xg,0)船舶重心相对于旋转中心点的坐标为(xgc,ygc)，具体公式如下；

根据牛顿-欧拉方程，可以得到船舶在随体坐标系下的刚体动力学方程。

式中：MRB代表船体惯性矩阵：

CRB代表船体的科里奥利—向心力矩阵：

τ_RB＝[X_c,Y_c,N_c]^T代表作用在控制点处的合外力,Xc代表纵向力，Yc代表横向力，Nc代表转艏力矩。

υ_c＝[u_c,v_c,r_c]^T代表船舶控制点(旋转中心)处的速度向量。

代表船舶在旋转中心处的惯性矩。

(2.2)船舶水动力学模型

船舶的水动力学模型主要考虑附加质量和水中阻尼力这两部分，由于这两部分通常是通过试验测量得到的相关数据，且试验时选取船舶的中心点作为控制点。因此变旋转中心时，需要由已知的水动力方程导出在船舶旋转中心时的水动力方程：

式中：MA为附加质量矩阵：

C_A(υ)为附加质量的科里奥利--向心力矩阵：

Dl为线性水阻尼系数矩阵：

D_n(υ)为非线性水阻尼矩阵：

τ_h＝[X_h Y_h N_h]^T为作用在船中心点上的三自由度水动力。

由船舶中心处的水动力方程转换到任意旋转中心点的水动力方程：

式中：H＝H(x_c,y_c)为简写；τ_hc为作用在旋转中心处的水动力。

因此综合船舶的刚体动力学方程和水动力学方程可以得到船舶变旋转中心的动力学方程：

式中：τ_c＝[X_c,Y_c,N_c]^T代表作用在旋转中心处的合外力，Xc代表纵向力，Yc代表横向力，Nc代表转艏力矩。

2、船舶变旋转中心的推力分配优化数学模型

图2为某动力定位船舶的推进器布置图，以该船舶为例，1、2、3、4、5号推进器的坐标为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)，(x₃,y₃)，(x₄,y₄)，(x₅,y₅)，则各推进器相对于旋转中心点的坐标为(x_1c,y_1c)，(x_2c,y_2c)，(x_3c,y_3c)，(x_4c,y_4c)，(x_5c,y_5c)。

具体的计算公式如下：

式中：i＝1,2,3,4,5为推进器的序号。

当船舶的旋转中心点发生改变时，只有推进器相对于控制点的坐标发生了改变，而推进器的推力限制、推力大小的变化率及回转禁止域和回转速度均没有发生变化。因此确定推进器的位置布置矩阵后就可以采用常规的动力定位船推力分配方法求解该推理分配优化问题。

推力分配的优化数学模型为：

该推力优化分配数学模型考虑到了功率最优，降低分配误差，考虑了推进器的回转禁止域，回转速度以及推进器推力响应能力，以及避免全回转推进器之间的奇异性。目标函数中第一项为降低功率消耗，第二项为降低分配误差，第三项为控制全回转推进器回转速度，最后一项为避免全回转推进器进入奇点位置；在约束条件中，条件(a)为等式约束，条件(b)为推力极值限制，条件(c)为推力响应限制，条件(d)为全回转推进器回转可行域，条件(e)为全回转推进器回转速度限制。

式中：τ＝[X_T Y_T N_T]^T为期望推力；f为推进器的推力；s为推力分配的误差；α为全回转推进器回转角；

W、Q、Ω为权值矩阵；ρ、ε为常数；B(α)为推进器布置矩阵；

对于该推力分配优化问题可以采用序列二次规划和粒子群等算法进行求解。

3、动力定位船舶变旋转中心的运动控制仿真系统

如图5所示，该动力定位仿真系统包含8个模块，分别是变旋转中心的三自由度运动数学模块，旋转中心和船舶中心运动状态的转换模块，状态观测器模块，三自由度运动控制器模块，变旋转中心推力分配模块，推进器响应模块，变旋转中心推力合成模块。其中旋转中心的设置影响船舶的三自由度运动数学模型、运动状态转换、以及推力分配和推力合成。整个系统的信息流程如图5所示。动力定位船舶变旋转中心的运动控制仿真系统能够在设定的旋转中心下，执行相应的操作，如定点定位、路径跟踪和目标跟踪。

实施例2

动力定位船变旋转中心的运动控制仿真步骤如下：

第一步、根据任务需求和相应的操作模式在旋转中心设置模块中设置船舶的旋转中心点，旋转中心点在船体坐标系下的位置为(x_c,y_c)分别传给变旋转中心的三自由度运动数学模块、推力分配模块和运动状态转换模块。

第二步、由设置的旋转中心，根据公式(2)确定船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵。根据船舶的初始位置、艏向和三自由度速度等信息(即船体中心点的运动状态)，由公式(4)、(5)、(6)计算出旋转中心点的初始位置、艏向和三自由度速度等信息。

第三步、将旋转中心点的北东坐标系下位置和船舶艏向以及三自由度速度信息输入到三自由度运动控制器模块，该模块根据设定的操作模式，选择对应的控制器，根据位置偏差、艏向偏差和三自由度速度偏差计算出期望纵向推力、横向推力和转艏力矩。

第四步、将控制器产生的期望合力指令输入到变旋转中心的推力分配模块，在该模块中，首先根据公式(18)计算每个推进器的相对位置坐标，然后根据公式(20)确定新的推进器位置布置矩阵，最后根据公式(19)确定的推力分配优化模型采用序列二次规划算法或粒子群算法进行求解。得到5个推进器的期望推力和期望回转方位角。

第五步、将每个推进器的需要产生的期望推力和期望回转方位角输入到推进器响应模块，每个推进器的物理模型执行该期望指令输出期望的推力到变旋转中心的推力合成模块。该模块将每个推进器实际输出的推力合成到旋转中心处，形成的合力为τ_c＝[X_c,Y_c,N_c]^T，X_c代表纵向力，Y_c代表横向力，N_c代表转艏力矩。

第六步、将合力τ_c＝[X_c,Y_c,N_c]^T输入到变旋转中心的三自由度船舶运动数学模型中，根据公式(17)可以计算出船舶在旋转中心点处的加速度，通过积分得到船舶旋转中心处的三自由度速度υ_c＝[u_c v_c r_c]^T。

第七步、将旋转中心处的速度υ_c＝[u_c v_c r_c]^T输入到旋转中心和船体中心运动状态转换模块，根据公式(1)计算出船中心点的运动状态υ＝[u v r]^T；并通过公式(4)和公式(5)积分得到船舶在北东坐标系下的位置和姿态η＝[n,e,ψ]^T。通过公式(6)的得到旋转中心的位置η_c＝[n_c,e_c,ψ_c]^T。此时完成仿真系统的一个工作循环。

第八步、循环执行步骤三到步骤七，船舶就可以实现定点定位、路径跟踪等功能。需要说明的是，在仿真过程中若多次切换了旋转中心坐标，则每次切换后的首次循环需从第一步开始，然后重复执行第三步到第七步。

1、动力定位船变旋转中心的运动控制仿真方法。其主要有4个方面：一是建立动力定位船舶变旋转中心的三自由度运动数学模型；建立动力定位船舶变旋转中心推力优化分配数学模型；三是提出一种动力定位船变旋转中心运动的仿真系统的结构；四是提出一种动力定位船变旋转中心运动的仿真方法。其中变旋转中心三自由度运动数学模型和变旋转中心的推力分配优化数学模型是变旋转中心运动仿真的关键。

2、所述的动力定位船舶变旋转中心三自由度运动数学模型，该模型包含变旋转中心的运动学方程和动力学方程两部分。其中运动学方程由公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)组成，其作用是将船舶变旋转中心的速度转换到船舶中心处，并将船舶中心的本体坐标系下的速度转换到北东坐标系下，并通过积分获得船舶的位置；其中动力学方程的核心公式为公式(17)，该公式综合了变旋转中心的刚体动力学和水动力学方程。其中刚体动力学包含穿船舶刚体惯性质量力和科里奥利向心力，水动力学包含了附加质量力和附加质量科里奥利向心力，线性水阻力和非线性水阻力等各项内容。

3、所述的动力定位船舶变旋转中心推力分配优化数学模型。该优化数学模型考虑功率最优，降低分配误差，考虑了推进器的回转禁止域，回转速度以及推进器推力响应能力，以及避免全回转推进器之间的奇异性。该数学模型具体有公式(19)表示。其中推进器位置布置矩阵由公式(20)表示。由于各推进器相对旋转中心位置的变化，推进器位置布置矩阵是一个关于旋转中心位置变化的的矩阵。

4、所述的动力定位船变旋转中心运动的仿真系统结构，该仿真系统的结构简图如图5所示，该动力定位仿真系统包含8个模块，分别是变旋转中心的三自由度运动数学模块，旋转中心和船舶中心运动状态的转换模块，状态观测器模块，三自由度运动控制器模块，变旋转中心推力分配模块，推进器响应模块，变旋转中心推力分配合成模块。其中旋转中心的设置影响船舶的三自由度运动数学模型、运动状态转换、以及推力分配和推力合成。

5、所述的动力定位船变旋转中心的运动控制仿真方法，具体步骤为技术说明书中所述具步骤一到步骤八，相应仿真方法流程如图6所示。

本发明针对动力定位船变旋转中心的运动控制仿真，首先推导和建立了一种变旋转中心的动力定位船舶运动学和动力学模型，推导变旋转中心的推进器布置矩阵，建立了一种变旋转中心推力分配优化数学模型，为变旋转中心的运动控制仿真建立了理论基础，然后根据动力定位系统功能的组成，建立相应的仿真模块，主要包括船舶三自由度运动数学模块、运动状态转换模块、运动状态观测器、三自由度运动控制器、变旋转中心推力分配模块、推进器响应和变旋转中心推力合成模块等主体功能模块，还包含两个外部输入模块即旋转中心设置模块和操作模式设置模块。各模块之间按照系统各部分之间的关系，相互连接。以此构成动力定位船舶变旋转中心的运动控制仿真系统。该仿真方法能够有效的对动力定位船舶变旋转中心后的定点定位和路径跟踪等任务进行仿真。并能为实际的动力定位系统的变旋转中心运动控制提供技术支持。

Claims (6)

1.一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，其特征在于，具体的实现步骤为：

步骤1.根据任务需求和相应的操作模式在旋转中心设置模块中设置船舶的旋转中心点，将旋转中心点在船体坐标系下的位置(x_c,y_c)传给变旋转中心的三自由度运动数学模块、推力分配模块、运动状态转换模块；

步骤2.由设置的旋转中心，计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵；根据船体中心点的运动状态，计算出旋转中心点的运动状态；

步骤3.将旋转中心点的运动状态输入到三自由度运动控制器模块，该模块根据设定的操作模式，选择对应的控制器，根据运动状态的位置偏差、艏向偏差和三自由度速度偏差计算出期望纵向推力、横向推力和转艏力矩；

步骤4.将控制器产生的期望合力指令输入到变旋转中心的推力分配模块，计算每个推进器的相对位置坐标，计算新的推进器位置布置矩阵，最后根据推力分配优化模型采用序列二次规划算法或粒子群算法进行求解，得到每个推进器的期望推力和期望回转方位角；

推力分配优化模型为：

s.t.:s＝τ-B(α)f (a)

f_min≤f≤f_max (b)

Δf_min≤f-f₀≤Δf_max (c)

α_min≤α≤α_max (d)

Δα_min≤α-α₀≤Δα_max (e)

-∞≤s≤∞ (f)

该推力分配优化模型考虑到了功率最优，降低分配误差，考虑了推进器的回转禁止域，回转速度以及推进器推力响应能力，以及避免全回转推进器之间的奇异性；目标函数中第一项为降低功率消耗，第二项为降低分配误差，第三项为控制全回转推进器回转速度，最后一项为避免全回转推进器进入奇点位置；在约束条件中，条件(a)为等式约束，条件(b)为推力极值限制，条件(c)为推力响应限制，条件(d)为全回转推进器回转可行域，条件(e)为全回转推进器回转速度限制；τ＝[X_T Y_T N_T]^T为期望推力；f为推进器的推力；s为推力分配的误差；α为全回转推进器回转角；W、Q、Ω为权值矩阵；ρ、ε为常数；B(α)为推进器布置矩阵；

步骤5.将每个推进器的期望推力和期望回转方位角输入到推进器响应模块，输出期望推力到变旋转中心的推力合成模块；推力合成模块将每个推进器实际输出的推力合成到旋转中心处，形成合力τ_c；

步骤6.将合力τ_c输入到变旋转中心的三自由度船舶运动数学模型中，计算船舶在旋转中心点处的加速度和船舶旋转中心处的三自由度速度υ_c；

步骤7.将旋转中心处的速度υ_c输入到旋转中心和船体中心运动状态转换模块，计算船中心点的运动状态向量υ；计算船舶在北东坐标系下的位置和姿态向量η；计算船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量η_c；此时完成仿真系统的一个工作循环；

步骤8.循环执行步骤3到步骤7，若在仿真过程中多次切换了旋转中心坐标，则每次切换后的从步骤1开始，然后重复执行步骤3至步骤7。

2.根据权利要求1所述的一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，其特征在于：所述步骤2的计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的转化矩阵为：

其中，旋转中心点在船体坐标系下的位置为(x_c,y_c)；

所述步骤2的根据船体中心点运动状态计算出旋转中心点运动状态的公式为：

η_c=η+J(ψ)[x_c,y_c,0]^T

其中，υ为船中心点的运动状态向量，J(ψ)为旋转矩阵，

为船舶在北东坐标系下的速度向量，η为船舶在北东坐标系下的位置及姿态向量，η₀为船舶在北东坐标系下的初始位置及初始姿态向量，η_c为船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量。

3.根据权利要求1所述的一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，其特征在于：所述步骤4的计算每个推进器的相对位置坐标的公式为：

其中，(x_i,y_i)为推进器的坐标，(x_ic,y_ic)为推进器相对于旋转中心点的坐标，i为推进器序号。

4.根据权利要求1所述的一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，其特征在于：所述步骤6的计算船舶在旋转中心点处的加速度和船舶旋转中心处的三自由度速度υ_c为：

其中，H＝H(x_c,y_c)为船舶旋转中心速度和船舶中心速度的转化矩阵，M_RB代表船体惯性矩阵，

为船舶在旋转中心处的加速度向量，υ_c为船舶在旋转中心处的速度，C_RB代表船体的科里奥利—向心力矩阵，C_A为附加质量的科里奥利--向心力矩阵，M_A为附加质量矩阵，D_l为线性水阻尼系数矩阵，D_n为非线性水阻尼矩阵，τ_c为旋转中心处的合力。

5.根据权利要求1所述的一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，其特征在于：步骤7中所述的船中心点的运动状态向量υ为：

υ＝H(x_c,y_c)υ_c

其中，H(x_c,y_c)为船舶旋转中心速度和船舶中心速度的转化矩阵，υ_c为船舶在旋转中心处的速度；

所述的船舶在北东坐标系下的位置和姿态向量η为：

其中，

为船舶在北东坐标系下的速度向量，

J(ψ)为旋转矩阵；η₀为船舶在北东坐标系下的初始位置及初始姿态向量；

所述的船舶旋转中心点在北东坐标系下的位置及姿态向量η_c为：

η_c＝η+J(ψ)[x_c,y_c,0]^T。

6.根据权利要求1所述的一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，其特征在于：所述仿真方法的系统包含7个模块，分别为变旋转中心的三自由度运动数学模块、旋转中心和船舶中心运动状态的转换模块、状态观测器模块、三自由度运动控制器模块、变旋转中心推力分配模块、推进器响应模块、变旋转中心推力分配合成模块；其中旋转中心的设置影响船舶的三自由度运动数学模型、运动状态转换、推力分配、推力合成。

Images