CN111487981B - 船舶动力定位系统及其风力前馈控制方法和装置 - Google Patents

船舶动力定位系统及其风力前馈控制方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种船舶动力定位系统及其风力前馈控制方法和装置，其中，该风力前馈控制方法包括以下步骤：通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息；根据所述激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置；基于风速演化模型，对所述相遇点位置的风速进行预测，以获得预测风速；根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。本发明能够准确有效地测量船舶前方风速，并利用风速演化模型进行风速预测，有效地避免滞后效应，提高了风力前馈控制的精度，提高了船舶动力定位系统的控制性能。

Description

船舶动力定位系统及其风力前馈控制方法和装置
技术领域
本发明涉及船舶技术领域，尤其涉及一种船舶动力定位系统的风力前馈控制方法、一种船舶动力定位系统的风力前馈控制装置以及一种船舶动力定位系统。
背景技术
船舶在海面上航行时，海洋环境载荷会对船舶产生很大的影响。其中，风载荷是海洋环境载荷中的重要组成部分。因此，风载荷在船舶动力定位系统的研究和设计中是必须考虑的因素。在进行船舶动力定位能力分析之前，需要得到船舶的风载荷信息，以便计算风载荷的大小，从而风载荷的准确估计在船舶动力定位系统的应用中具有重要的意义。
目前，风力前馈控制技术逐渐应用于船舶动力定位系统，并成为动力定位标准配置的前馈控制手段。通常，动力定位船舶上装备有风速计和风向仪，在已知风力系数的情况下，通过测量得到的风速和风向信息，可以估计出当前作用在船舶结构物上的风载荷大小，并直接在推力系统中发出相反的力与之抵消，这就是风速前馈控制技术。
然而，现有动力定位船舶是通过风传感器得到即时作用在海洋结构物上的风载荷信息，并使船舶动力定位系统可以直接对其进行补偿，而船舶动力定位系统的控制和执行机构的工作需要时间响应，导致延迟，这样风力到达船舶时间和执行机构开始响应之间存在滞后效应，从而导致风力前馈控制的效果受到影响，进而影响船舶动力定位系统的控制性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种船舶动力定位系统及其风力前馈控制方法和装置，能够准确有效地测量船舶前方风速，并利用风速演化模型进行风速预测，有效地避免滞后效应，提高了风力前馈控制的精度，提高了船舶动力定位系统的控制性能。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供一种船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，包括以下步骤：通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息；根据所述激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置；基于风速演化模型，对所述相遇点位置的风速进行预测，以获得预测风速；根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
本发明实施例提出的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息，实现对船舶前方的风速进行准确测量，并根据激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置，以及基于风速演化模型对相遇点位置的风速进行预测，以获得相遇点位置的预测风速，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，最后根据预测风速对船舶动力定位系统进行风力前馈控制，削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
可选地，根据本发明的一个实施例，所述相遇点位置根据以下公式计算：
Figure BDA0002492428850000021
其中，U为船舶的当前航速，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，Lw为激光雷达测量的风速位置与船舶的当前位置之间的距离，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离。
可选地，根据本发明的一个实施例，所述预测风速根据以下公式计算：
Uwb＝f(t,L,ΔT,Uwa)
其中，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Uwb为所述预测风速，f(t,L,ΔT,Uwa)为所述风速演化模型对应的函数关系，ΔT＝Tb-Ta，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离，t为当前环境温度。
可选地，根据本发明的一个实施例，根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制，包括：将所述预测风速输入到风力前馈控制器，以计算船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩；根据所述船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号叠加到所述船舶动力定位系统的控制器输出信号，以对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
第二方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有船舶动力定位系统的风力前馈控制程序，该风力前馈控制程序被处理器执行时实现如上所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法。
本发明实施例的计算机可读存储介质，存储的船舶动力定位系统的风力前馈控制程序被处理器执行时，能够实现对船舶前方的风速进行准确测量和对相遇点位置的风速进行精确预测，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，并削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
第三方面，本发明实施例提供一种船舶动力定位系统的风力前馈控制装置，包括：风速检测模块，用于通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息；位置计算模块，用于根据所述激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置；风速预测模块，用于基于风速演化模型，对所述相遇点位置的风速进行预测，以获得预测风速；控制模块，用于根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
本发明实施例提出的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置，风速检测模块通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息，实现对船舶前方的风速进行准确测量，并通过位置计算模块根据激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置，以及通过风速预测模块基于风速演化模型对相遇点位置的风速进行预测，以获得相遇点位置的预测风速，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，最后通过控制模块根据预测风速对船舶动力定位系统进行风力前馈控制，削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
可选地，根据本发明的一个实施例，所述位置计算模块根据以下公式计算所述相遇点位置：
Figure BDA0002492428850000041
其中，U为船舶的当前航速，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，Lw为激光雷达测量的风速位置与船舶的当前位置之间的距离，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离。
可选地，根据本发明的一个实施例，所述风速预测模块根据以下公式计算所述预测风速：
Uwb＝f(t,L,ΔT,Uwa)
其中，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Uwb为所述预测风速，f(t,L,ΔT,Uwa)为所述风速演化模型对应的函数关系，ΔT＝Tb-Ta，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离，t为当前环境温度。
可选地，根据本发明的一个实施例，所述控制模块进一步用于，将所述预测风速输入到风力前馈控制器，以计算船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩；根据所述船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号叠加到所述船舶动力定位系统的控制器输出信号，以对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
第四方面，本发明实施例提供一种船舶动力定位系统，包括如上所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置。
本发明实施例的船舶动力定位系统，通过上述风力前馈控制装置，能够实现对船舶前方的风速进行准确测量和对相遇点位置的风速进行精确预测，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，并削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明的船舶动力定位系统及其风力前馈控制方法和装置，由于采用激光雷达检测船舶航行方向的前方风速，并通过风速演化模型对相遇点位置的风速进行预测，相对于现有技术而言，实现对船舶前方的风速进行准确测量和对相遇点位置的风速进行精确预测，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，并削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
附图说明
图1为根据本发明实施例的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法的流程图；
图2为根据本发明一个实施例的激光雷达测量A点风速的示意图；
图3为根据本发明一个实施例的带有风力前馈控制的船舶动力定位系统的控制原理框图；
图4为根据本发明一个实施例的仿真出的船舶轨迹图；
图5为根据本发明实施例的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置的方框示意图；
图6为根据本发明实施例的船舶动力定位系统的方框示意图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本发明实施例提出的船舶动力定位系统及其风力前馈控制方法和装置，通过激光雷达测速，能够准确有效地测量船舶前方风速，从而根据激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置，然后利用风速演化模型，能够对相遇点位置的风速进行准确预测，最后根据预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制，不仅大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，还削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
下面参照附图来描述本发明实施例提出的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法、船舶动力定位系统的风力前馈控制装置以及船舶动力定位系统。
图1为根据本发明实施例的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法的流程图。如图1所示，该船舶动力定位系统的风力前馈控制方法包括以下步骤：
S1，通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息。
其中，激光雷达是以激光为光源向大气发射激光脉冲，接收大气粒子的后向散射信号，通过分析激光和散射光之间的多普勒频移来计算出风速。由激光雷达原理可知，激光雷达可测量船舶前方某一确定位置A的风速状况，如图2所示。
在本发明的实施例中，利用激光雷达作为测风设备，能够准确有效地测得船舶航行方向前方一定距离的风速、风向信号。
S2，根据激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置。
其中，激光雷达聚焦点的位置由当前船舶的航速、风速及系统的响应时间决定。
船舶当前位置为O，当前航速为U，激光雷达测量到风速为Uwa，测量时刻为Ta，船舶动力定位系统的执行机构开始执行动力定位控制系统发出的控制指令的时刻为Tb，那么，相遇点位置可根据以下公式计算：
Figure BDA0002492428850000071
/>
其中，Lw为激光雷达测量的风速位置与船舶的当前位置O之间的距离，L为相遇点位置与船舶的当前位置O之间的距离。
激光雷达测量到A处风速Uwa，当经过Tb-Ta时刻后，船舶航行至相遇点位置，此时执行机构恰好执行响应的指令，抵消风载荷对船舶的影响，削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响。
S3，基于风速演化模型，对相遇点位置的风速进行预测，以获得预测风速。
由于风在海面上是不断变化的，激光雷达测量到的A点风速Uwa与相遇点风速可能不完全相同，因此，本发明利用风速演化模型，对相遇点位置的风速进行预测。
其中，气流从A点移动到相遇点的过程中，时间、空间都有变化，时间和空间引起的变化可采用计算流体力学进行数值模拟，多次模拟后的数据进行回归、建模，最终建立的风速演化模型，可表示环境温度、时间差和距离的函数。
因此，在本发明的一个实施例中，预测风速根据以下公式计算：
Uwb＝f(t,L,ΔT,Uwa)
其中，Uwa为激光雷达检测到的前方风速，Uwb为预测风速，f(t,L,ΔT,Uwa)为风速演化模型对应的函数关系，ΔT＝Tb-Ta，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离，t为当前环境温度。
在本发明的实施例中，利用风速演化模型，能够对相遇点位置的风速进行有效预测，可避免由风速变化引起的相遇点计算偏差，从而降低了风速前馈控制时引入的风速误差，大大提高了控制精度。
S4，根据预测风速对船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
可选地，作为一个实施例，根据预测风速对船舶动力定位系统进行风力前馈控制，包括：将所述预测风速输入到风力前馈控制器，以计算船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩；根据所述船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号叠加到所述船舶动力定位系统的控制器输出信号，以对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
也就是说，经过风速演化模型计算得到的预测风速为Uwb，将其作为风速前馈控制器的输入风速，那么风作用在船体上的风力和力矩可用以下列公式表达和计算：
ωW＝[XW,YW,NW]T
Figure BDA0002492428850000081
Figure BDA0002492428850000082
Figure BDA0002492428850000083
其中，ωW为船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的力和力矩，XW为X方向上的受力，YW为Y方向上的受力，NW为艏摇方向受到的力矩，ρa为空气密度，LOA为船舶总长，Af为水线以上的正投影面积，As为水线以上的侧投影面积，Cwx(αR)为X方向的风压系数，Cwy(αR)为Y方向的风压系数，Cwn(αR)为绕Z轴的风压力矩系数。
并且，在控制器中引入风力前馈控制，其前馈的控制规律为：
τEF＝-GωωW，Gω＝diag(gω1,gω2,gω3)
其中，τEF为前馈控制信号，Gω为风在三个方向上互不耦合的情况下的对称阵，0≤gωi≤1为设计参数，i＝1，2，3。
具体地，如图3所示，控制器输出的左右控制信号和风力前馈控制器输出的快速抵消风力的前馈控制信号进行叠加后输出至推力分配器，即：τ＝τcon+τEF，其中，τ为输出至推力分配器的信号，τcon为左右控制信号。并且，激光雷达测得的风速需要进行滤波后再进行风力前馈控制。
作为一个示例，通过上述实施例描述的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，对船舶在四级海况下进行仿真，船舶起始位置为η0＝[0,0,0]，给定船舶期望位置为η＝[50,50,0]，船舶的艏向期望值为0°，仿真出的船舶轨迹图如图4所示。
由船舶的轨迹图可以看出，在本发明的风力前馈控制下，船舶定位动力系统能够较好的完成动力定位控制。
因此，本发明实施例的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，利用激光雷达测量船舶航行前方一段距离的风速，时间上有效抵消了对系统延迟效应引起的滞后现象，削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，改善了船舶动力定位系统的控制性能。并且，采用风速演化模型，考虑到了风速在海面上不断变化的特点，提高了风力前馈机制的精度。
根据本发明实施例提出的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息，实现对船舶前方的风速进行准确测量，并根据激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置，以及基于风速演化模型对相遇点位置的风速进行预测，以获得相遇点位置的预测风速，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，最后根据预测风速对船舶动力定位系统进行风力前馈控制，削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
此外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有船舶动力定位系统的风力前馈控制程序，该风力前馈控制程序被处理器执行时实现上述实施例描述的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法。
本发明实施例的计算机可读存储介质，存储的船舶动力定位系统的风力前馈控制程序被处理器执行时，能够实现对船舶前方的风速进行准确测量和对相遇点位置的风速进行精确预测，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，并削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
图5为根据本发明实施例的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置的方框示意图。如图5所示，该船舶动力定位系统的风力前馈控制装置100包括风速检测模块101、位置计算模块102、风速预测模块103和控制模块104。
其中，风速检测模块101用于通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息；位置计算模块102用于根据激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置；风速预测模块103用于基于风速演化模型，对所述相遇点位置的风速进行预测，以获得预测风速；控制模块104用于根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
可选地，作为一个实施例，位置计算模块102根据以下公式计算所述相遇点位置：
Figure BDA0002492428850000101
其中，U为船舶的当前航速，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，Lw为激光雷达测量的风速位置与船舶的当前位置之间的距离，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离。
通过激光雷达测量到A处风速Uwa，当经过Tb-Ta时刻后，船舶航行至相遇点位置，此时执行机构恰好执行响应的指令，抵消风载荷对船舶的影响，削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响。
可选地，根据本发明的一个实施例，风速预测模块103根据以下公式计算所述预测风速：
Uwb＝f(t,L,ΔT,Uwa)
其中，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Uwb为所述预测风速，f(t,L,ΔT,Uwa)为所述风速演化模型对应的函数关系，ΔT＝Tb-Ta，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离，t为当前环境温度。
由于风在海面上是不断变化的，激光雷达测量到的A点风速Uwa与相遇点风速可能不完全相同，因此，本发明利用风速演化模型，对相遇点位置的风速进行预测，可避免由风速变化引起的相遇点计算偏差，从而降低了风速前馈控制时引入的风速误差，大大提高了控制精度。
可选地，根据本发明的一个实施例，控制模块104进一步用于，将所述预测风速输入到风力前馈控制器，以计算船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩；根据所述船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号叠加到所述船舶动力定位系统的控制器输出信号，以对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
可以理解的是，由于本发明上述实施例所描述的装置，为实施本发明上述实施例的方法所采用的装置，故而基于本发明上述实施例所描述的方法，本领域所属技术人员能够了解该装置的具体结构及变形，因而在此不再赘述。凡是本发明上述实施例的方法所采用的装置都属于本发明所欲保护的范围。
根据本发明实施例提出的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置，风速检测模块通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息，实现对船舶前方的风速进行准确测量，并通过位置计算模块根据激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置，以及通过风速预测模块基于风速演化模型对相遇点位置的风速进行预测，以获得相遇点位置的预测风速，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，最后通过控制模块根据预测风速对船舶动力定位系统进行风力前馈控制，削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
此外，如图6所示，本发明实施例提供了一种船舶动力定位系统200，其包括上述实施例描述的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置100。
根据本发明实施例的船舶动力定位系统，通过上述风力前馈控制装置，能够实现对船舶前方的风速进行准确测量和对相遇点位置的风速进行精确预测，大大降低了风速前馈控制时引入的风速误差，并削弱了由于系统的延迟效应对控制效果的影响，提高了风力前馈机制的精度，从而提高了船舶动力定位系统的控制性能。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何附图标记理解成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。
此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，权利要求应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。

Claims (10)

1.一种船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息；
根据所述激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置；
基于风速演化模型，对所述相遇点位置的风速进行预测，以获得预测风速；
根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
2.如权利要求1所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，其特征在于，所述相遇点位置根据以下公式计算：
Figure FDA0002492428840000011
其中，U为船舶的当前航速，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，Lw为激光雷达测量的风速位置与船舶的当前位置之间的距离，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离。
3.如权利要求1所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，其特征在于，所述预测风速根据以下公式计算：
Uwb＝f(t,L,ΔT,Uwa)
其中，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Uwb为所述预测风速，f(t,L,ΔT,Uwa)为所述风速演化模型对应的函数关系，ΔT＝Tb-Ta，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离，t为当前环境温度。
4.如权利要求1-3中任一项所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法，其特征在于，根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制，包括：
将所述预测风速输入到风力前馈控制器，以计算船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩；
根据所述船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号叠加到所述船舶动力定位系统的控制器输出信号，以对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有船舶动力定位系统的风力前馈控制程序，该风力前馈控制程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制方法。
6.一种船舶动力定位系统的风力前馈控制装置，其特征在于，包括：
风速检测模块，用于通过激光雷达检测船舶航行方向的前方风速信息；
位置计算模块，用于根据所述激光雷达检测到的前方风速信息和当前船舶的航行参数计算相遇点位置；
风速预测模块，用于基于风速演化模型，对所述相遇点位置的风速进行预测，以获得预测风速；
控制模块，用于根据所述预测风速对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
7.如权利要求6所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置，其特征在于，所述位置计算模块根据以下公式计算所述相遇点位置：
Figure FDA0002492428840000021
其中，U为船舶的当前航速，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，Lw为激光雷达测量的风速位置与船舶的当前位置之间的距离，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离。
8.如权利要求6所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置，其特征在于，所述风速预测模块根据以下公式计算所述预测风速：
Uwb＝f(t,L,ΔT,Uwa)
其中，Uwa为所述激光雷达检测到的前方风速，Uwb为所述预测风速，f(t,L,ΔT,Uwa)为所述风速演化模型对应的函数关系，ΔT＝Tb-Ta，Ta为所述激光雷达的测量时刻，Tb为所述船舶动力定位系统执行控制指令的时刻，L为所述相遇点位置与船舶的当前位置之间的距离，t为当前环境温度。
9.如权利要求6-8中任一项所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置，其特征在于，所述控制模块进一步用于，
将所述预测风速输入到风力前馈控制器，以计算船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩；
根据所述船舶在纵荡、横荡和艏摇方向所受到的风引起的力和力矩生成前馈控制信号，并将所述前馈控制信号叠加到所述船舶动力定位系统的控制器输出信号，以对所述船舶动力定位系统进行风力前馈控制。
10.一种船舶动力定位系统，其特征在于，包括如权利要求6-9中任一项所述的船舶动力定位系统的风力前馈控制装置。
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