CN113741191A - 一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法及系统 - Google Patents

一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法及系统 Download PDF

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CN113741191A CN202111021741.4A CN202111021741A CN113741191A CN 113741191 A CN113741191 A CN 113741191A CN 202111021741 A CN202111021741 A CN 202111021741A CN 113741191 A CN113741191 A CN 113741191A
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吴德烽
廖宇翔
胡朝栋
李福生
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Abstract

本发明涉及一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法及系统，包括以下步骤：启动水面目标跟踪模块并初始化；获取水面目标平台位置信息以及海洋石油支持船的相对位置信息和初始艏向信息，并导入海洋石油支持船控制器；选择跟踪模式，包括位置跟踪、艏向跟踪和位姿跟踪；海洋石油支持船控制器开始运行跟踪模式，跟踪水面目标平台，并实时更新平台数据；进行位置跟踪轨迹计算、艏向跟踪轨迹计算或位姿跟踪轨迹计算，得到跟踪路径点；根据跟踪路径点计算结果，通过动力定位模块计算得到总推力及推力分配；海洋石油支持船根据跟踪路径点和推力进行水面目标跟踪。该方法及系统有利于根据海上作业的实际情况和作业需求，灵活地对水面目标进行跟踪。

Description

一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法及系统
技术领域
本发明属于动力定位船舶控制技术领域，具体涉及一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法及系统。
背景技术
动力定位船舶在海洋资源开发中发挥着重要作用，对于深海以及其他不易勘测地区，动力定位船舶能够对开发工作提供重要支撑。作为动力定位船舶的一种典型应用，海洋石油支持船在油气勘探等海洋资源开发领域取得突出贡献。海洋石油支持船分为手动控制和自动控制两种操作模式，由当前航行状态决定。在日常的海洋石油支持船配合钻井平台的工作中，自动操作模式成为不可或缺的存在。而水面目标跟踪作为海洋石油支持船自动跟踪中最常用功能之一，一直得到船舶研发部门极大重视。
在与海上采油平台配合作业过程中，海洋石油支持船水面目标跟踪策略可以分为三种：位置跟踪、艏向跟踪和位姿跟踪。在跟踪海上平台的过程中，需要考虑到目标平台的移动规律：深水钻井平台在海上作业时，受复杂的海洋环境因素影响，深水钻井平台会在风浪流作用下产生位置漂移。现有技术一般只允许海洋石油支持船完成单一工作模式，并没有完善的操作体系使得海洋石油支持船灵活采用跟踪策略。在有风浪流的海洋环境下跟踪海上平台，考虑到海上平台的漂移，现有技术就更显得需要改进。对于灵活的水面目标跟踪，现有海洋石油支持船操作策略明显不足，满足不了海洋石油支持船实际工作需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法及系统，该方法及系统有利于灵活地对水面目标进行跟踪。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法，包括以下步骤：
S1、启动水面目标跟踪模块，并对水面目标跟踪功能进行初始化；
S2、获取水面目标平台位置信息以及海洋石油支持船的相对位置信息和初始艏向信息，并将位置跟踪数据和艏向跟踪数据导入海洋石油支持船控制器；
S3、通过水面目标跟踪模块选择跟踪模式，包括位置跟踪、艏向跟踪和位姿跟踪；
S4、海洋石油支持船控制器开始运行跟踪模式，跟踪水面目标平台，并实时更新水面目标平台位置数据；
S5、根据设定的目标跟踪模式，相应进行位置跟踪轨迹计算、艏向跟踪轨迹计算或位姿跟踪轨迹计算，得到跟踪路径点；
S6、根据跟踪路径点计算结果，通过动力定位模块计算得到总推力及推力分配；
S7、海洋石油支持船根据得到的跟踪路径点和推力进行水面目标跟踪，完成实际工程任务。
进一步地，所述位置跟踪的实现方法为：在保持海洋石油支持船的航向不变的前提下，同时保持海洋石油支持船与水面目标平台的相对位置不变；
所述艏向跟踪的实现方法为：海洋石油支持船不随平台移动，仅跟随艏向；
所述位姿跟踪的实现方法为：所述位姿跟踪为位置跟踪和艏向跟踪的的结合，在启动前记录相对水面目标平台的作业窗口位置和水面目标平台艏向，当水面目标平台的位置和艏向发生变化后，海洋石油支持船自动跟踪作业窗口和艏向。
进一步地，所述步骤S6计算得到推力之后，即完成一次计算循环，输出计算结果的同时，返回步骤S4，继续进行下一次计算循环。
进一步地，所述步骤S6中，通过动力定位功能模块计算得到总推力及推力分配的具体方法为：
首先，通过海洋石油支持船控制器中的动力定位模块计算出船舶总推力；
海洋石油支持船数学模型为：
Figure BDA0003241710750000021
Figure BDA0003241710750000022
式中，
Figure BDA0003241710750000023
表示船舶实际位置及艏向值，
Figure BDA0003241710750000024
为η的导数，x、y、
Figure BDA0003241710750000025
分别表示船舶横坐标、纵坐标以及航向角值，υ＝[u v r]T表示船舶实际速度及转弯速率，
Figure BDA0003241710750000026
为υ的导数，u、v、r分别表示纵荡速度、横荡速度以及艏摇速度，
Figure BDA0003241710750000027
为坐标系转换矩阵，τ＝[τ1 τ2 τ3]T，其中τ1、τ2、τ3分别为海洋石油支持船推进器控制输入前进力矩，横漂力矩及艏摇力矩组成的控制向量；d＝[d1 d2 d3]T，其中d1、d2、d3分别为海洋石油支持船在附体坐标系下环境扰动引起的横向干扰力矩、纵向干扰力矩及艏向干扰力矩组成的外部环境扰动向量；M为海洋石油支持船重量惯性和水动力附加惯性组成的矩阵；C(υ)为科里奥利矩阵；D为线性水动力阻尼参数矩阵；
采取以下控制系统设置过程：
定义海洋石油支持船位置误差的向量z1∈R3：
z1＝η-ηd (3)
式中，
Figure BDA0003241710750000031
为船舶期望位置及艏摇角组成的向量；采用虚拟控制量α1∈R3：
Figure BDA0003241710750000032
式中，k1∈R3×3为设计的正定参数对角阵；联立式(3)得到：
Figure BDA0003241710750000033
重新定义船舶速度误差向量z2∈R3：
z2＝ν-νd (6)
Figure BDA0003241710750000034
式(7)中存在外部环境扰动d，但在实际情况下很难准确测出，因此采用控制率：
Figure BDA0003241710750000035
式中，sgn(z2)＝diag(sgn(z2-1),sgn(z2,2),sgn(z2,3))∈R3；d*为未知外部环境扰动d的上界向量；k2∈R3×3为设计正定参数对角阵；
Figure BDA0003241710750000036
用于消除耦合项；
为了避免出现系统抖振问题，修正控制率为：
Figure BDA0003241710750000037
对于海洋石油支持船各推进器的推力分配，按照下面伪逆法进行计算：
f＝w-1PTAT(APw-1PTAT)-1τ (10)
式中，f为扩展推力，矩阵A和P由推进器类型和位置决定，w为各推进器权重矩阵；其中AT为矩阵A的转置，w为正定对角阵。
本发明还提供了一种海洋石油支持船水面目标跟踪系统，包括：
水面目标跟踪模块，用于获取水面目标平台位置信息以及海洋石油支持船的相对位置信息和初始艏向信息，并向海洋石油支持船控制器传输相关跟踪数据，还用于设置跟踪模式；
海洋石油支持船控制器，设于海洋石油支持船上，用于根据设定的跟踪模式，跟踪水面目标平台，计算跟踪路径点和推力，并将计算结果传输给海洋石油支持船进行水面目标跟踪。
进一步地，所述水面目标跟踪模块设置于远端的服务器上，或者设置于水面目标平台上，或者设置于海洋石油支持船上。
进一步地，所述海洋石油支持船控制器上设有动力定位模块，以根据跟踪路径点计算总推力及推力分配。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：提供了一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法及系统，该方法及系统结合了位置跟踪、艏向跟踪和位姿跟踪三种水面目标跟踪策略，可以针对海上作业的实际情况和不同的作业需求，采用不同的水面目标进行跟踪模式，从而在平台产生漂移时，使海洋石油支持船可以采取灵活的水面目标跟踪策略，完成对水面目标平台的协同跟踪作业。
附图说明
图1是本发明实施例的方法实现流图。
图2是本发明实施例中海洋石油支持船位置跟踪示意图。
图3是本发明实施例中海洋石油支持船艏向跟踪示意图。
图4是本发明实施例中海洋石油支持船位姿跟踪示意图。
图5是本发明实施例中动力定位钻井平台漂移范围警戒示意图。
图6是本发明实施例中海洋石油支持船路径跟踪控制图。
图7是本发明实施例中海洋石油支持船与平台当前相对位置图。
图8是本发明实施例中海洋石油支持船跟踪平台移动位置的结果图。
图9是本发明实施例中海洋石油支持船跟踪平台移动位姿的结果图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本实施例提供了一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法，包括以下步骤：
S1、启动水面目标跟踪模块，并对水面目标跟踪功能进行初始化。
S2、获取水面目标平台位置信息以及海洋石油支持船的相对位置信息和初始艏向信息，并将位置跟踪数据和艏向跟踪数据导入海洋石油支持船控制器，为海洋石油支持船的水面目标跟踪提供数据支撑。
S3、通过水面目标跟踪模块选择跟踪模式，包括位置跟踪、艏向跟踪和位姿跟踪。
1、位置跟踪的实现方法为：在保持海洋石油支持船的航向不变的前提下，同时保持海洋石油支持船与水面目标平台的相对位置不变，如图2所示。
在图2的a图中，海洋石油支持船停留在目标平台的右侧作业窗口上，记录当前相对位置。当目标平台发生平移和旋转时，海洋石油支持船在保持自身艏向不变的情况下，其自身位置却随着平台的移动而移动，使其位置始终在以目标平台为参照系的工作窗口上。
2、艏向跟踪的实现方法为：海洋石油支持船不随平台移动，仅跟随艏向，如图3所示。
在图3的a图中，记录此时的目标艏向，无需考虑作业窗口位置。当目标平台发生平移和旋转时，仅跟踪艏向。
3、位姿跟踪的实现方法为：所述位姿跟踪为位置跟踪和艏向跟踪的的结合，在启动前记录相对水面目标平台的作业窗口位置和水面目标平台艏向，当水面目标平台的位置和艏向发生变化后，海洋石油支持船自动跟踪作业窗口和艏向，如图4所示。
在图4的a图中，系统记录此时的相对位置和相对艏向，当平台发生移动和转体等动作时，海洋石油支持船保持相对位置不变，相对艏向恒定。
S4、海洋石油支持船控制器开始运行跟踪模式，跟踪水面目标平台，并实时更新水面目标平台位置数据。
S5、根据设定的目标跟踪模式，相应进行位置跟踪轨迹计算、艏向跟踪轨迹计算或位姿跟踪轨迹计算，得到跟踪路径点。
S6、根据跟踪路径点计算结果，通过动力定位模块计算得到总推力及推力分配。
所述步骤S6计算得到推力之后，即完成一次计算循环，输出计算结果的同时，返回步骤S4，继续进行下一次计算循环。
S7、海洋石油支持船根据得到的跟踪路径点和推力进行水面目标跟踪，完成实际工程任务。
在跟踪海上平台的过程中，需要考虑到目标平台的移动规律：深水钻井平台在海上作业时，受复杂的海洋环境因素影响，深水钻井平台会在风浪流作用下产生位置漂移。而在动力定位系统的作用下，平台可以在允许范围内漂移。深海钻井平台漂移警戒范围如图5所示，警戒范围在地图上可以看作是由多个同心圆构成。
在本实施例中，当考虑到水面目标平台的漂移时，对于海洋石油支持船，对海洋石油支持船的跟踪计算设计出以下伪代码，以获得船舶目标路径点。
Figure BDA0003241710750000061
所述步骤S6中，通过动力定位功能模块计算得到总推力及推力分配的具体方法为：
首先，通过海洋石油支持船控制器中的动力定位模块计算出船舶总推力。
海洋石油支持船数学模型为：
Figure BDA0003241710750000062
Figure BDA0003241710750000071
式中，
Figure BDA0003241710750000072
表示船舶实际位置及艏向值，
Figure BDA0003241710750000073
为η的导数，x、y、
Figure BDA0003241710750000074
分别表示船舶横坐标、纵坐标以及航向角值，υ＝[u v r]T表示船舶实际速度及转弯速率，
Figure BDA0003241710750000075
为υ的导数，u、v、r分别表示纵荡速度、横荡速度以及艏摇速度，
Figure BDA0003241710750000076
为坐标系转换矩阵，τ＝[τ1 τ2 τ3]T，其中τ1、τ2、τ3分别为海洋石油支持船推进器控制输入前进力矩，横漂力矩及艏摇力矩组成的控制向量；d＝[d1 d2 d3]T，其中d1、d2、d3分别为海洋石油支持船在附体坐标系下环境扰动引起的横向干扰力矩、纵向干扰力矩及艏向干扰力矩组成的外部环境扰动向量；M为海洋石油支持船重量惯性和水动力附加惯性组成的矩阵；C(υ)为科里奥利矩阵；D为线性水动力阻尼参数矩阵。
采取以下控制系统设置过程：
定义海洋石油支持船位置误差的向量z1∈R3：
z1＝η-ηd (3)
式中，
Figure BDA0003241710750000077
为船舶期望位置及艏摇角组成的向量；采用虚拟控制量α1∈R3：
Figure BDA0003241710750000078
式中，k1∈R3×3为设计的正定参数对角阵；联立式(3)得到：
Figure BDA0003241710750000079
重新定义船舶速度误差向量z2∈R3：
z2＝ν-νd (6)
Figure BDA00032417107500000710
式(7)中存在外部环境扰动d，但在实际情况下很难准确测出，因此采用控制率：
Figure BDA0003241710750000081
式中，sgn(z2)＝diag(sgn(z2-1),sgn(z2,2),sgn(z2,3))∈R3；d*为未知外部环境扰动d的上界向量；k2∈R3×3为设计正定参数对角阵；
Figure BDA0003241710750000082
用于消除耦合项。
传统船舶控制采用的符号函数易引起控制量抖振，损坏设备装置，为了避免出现系统抖振问题，修正控制率为：
Figure BDA0003241710750000083
对于海洋石油支持船各推进器的推力分配，按照下面伪逆法进行计算：
f＝w-1PTAT(APw-1PTAT)-1τ (10)
式中，f为扩展推力，矩阵A和P由推进器类型和位置决定，w为各推进器权重矩阵；其中AT为矩阵A的转置，w为正定对角阵，伪逆法作为广义上的逆运算，原矩阵无须是方阵或是满秩矩阵。采用伪逆法进行船舶推力分配计算，具有可靠性高的优点。
本实施例还提供了用于实现上述方法的海洋石油支持船水面目标跟踪系统，包括：水面目标跟踪模块和海洋石油支持船控制器。
所述水面目标跟踪模块用于获取水面目标平台位置信息以及海洋石油支持船的相对位置信息和初始艏向信息，并向海洋石油支持船控制器传输相关跟踪数据，还用于设置跟踪模式。其中，所述水面目标跟踪模块设置于远端的服务器上，或者设置于水面目标平台上，或者设置于海洋石油支持船上。
所述海洋石油支持船控制器设于海洋石油支持船上，用于根据设定的跟踪模式，跟踪水面目标平台，计算跟踪路径点和推力，并将计算结果传输给海洋石油支持船进行水面目标跟踪。在本实施例中，所述海洋石油支持船控制器上设有动力定位模块，以根据跟踪路径点计算总推力及推力分配。
如图7所示，在自主研发动力定位模拟器上进行海洋石油支持船水面目标跟踪功能及其实现方法验证。图7所示为海洋石油支持船与水面目标平台初始位置，此时选择水面目标跟踪模式，由图8及图9为位置跟踪与位姿跟踪的结果，可以看出海洋石油支持船对于水面目标平台具有很好的目标跟踪效果。根据实船模拟器验证所提出方法的有效性，可以看出本方法能够很好实现在海洋环境扰动下的海洋石油支持船的水面目标跟踪功能。海洋石油支持船根据不同情况灵活选取跟踪策略，对水面目标平台具有良好跟踪效果。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、启动水面目标跟踪模块，并对水面目标跟踪功能进行初始化；
S2、获取水面目标平台位置信息以及海洋石油支持船的相对位置信息和初始艏向信息，并将位置跟踪数据和艏向跟踪数据导入海洋石油支持船控制器；
S3、通过水面目标跟踪模块选择跟踪模式，包括位置跟踪、艏向跟踪和位姿跟踪；
S4、海洋石油支持船控制器开始运行跟踪模式，跟踪水面目标平台，并实时更新水面目标平台位置数据；
S5、根据设定的目标跟踪模式，相应进行位置跟踪轨迹计算、艏向跟踪轨迹计算或位姿跟踪轨迹计算，得到跟踪路径点；
S6、根据跟踪路径点计算结果，通过动力定位模块计算得到总推力及推力分配；
S7、海洋石油支持船根据得到的跟踪路径点和推力进行水面目标跟踪，完成实际工程任务。
2.根据权利要求1所述的一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法，其特征在于，所述位置跟踪的实现方法为：在保持海洋石油支持船的航向不变的前提下，同时保持海洋石油支持船与水面目标平台的相对位置不变；
所述艏向跟踪的实现方法为：海洋石油支持船不随平台移动，仅跟随艏向；
所述位姿跟踪的实现方法为：所述位姿跟踪为位置跟踪和艏向跟踪的的结合，在启动前记录相对水面目标平台的作业窗口位置和水面目标平台艏向，当水面目标平台的位置和艏向发生变化后，海洋石油支持船自动跟踪作业窗口和艏向。
3.根据权利要求1所述的一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法，其特征在于，所述步骤S6计算得到推力之后，即完成一次计算循环，输出计算结果的同时，返回步骤S4，继续进行下一次计算循环。
4.根据权利要求1所述的一种海洋石油支持船水面目标跟踪方法，其特征在于，所述步骤S6中，通过动力定位功能模块计算得到总推力及推力分配的具体方法为：
首先，通过海洋石油支持船控制器中的动力定位模块计算出船舶总推力；
海洋石油支持船数学模型为：
Figure FDA0003241710740000011
Figure FDA0003241710740000012
式中，
Figure FDA0003241710740000013
表示船舶实际位置及艏向值，
Figure FDA0003241710740000014
为η的导数，x、y、
Figure FDA0003241710740000015
分别表示船舶横坐标、纵坐标以及航向角值，υ＝[u v r]T表示船舶实际速度及转弯速率，
Figure FDA0003241710740000021
为υ的导数，u、v、r分别表示纵荡速度、横荡速度以及艏摇速度，
Figure FDA0003241710740000022
为坐标系转换矩阵，τ＝[τ1 τ2 τ3]T，其中τ1、τ2、τ3分别为海洋石油支持船推进器控制输入前进力矩，横漂力矩及艏摇力矩组成的控制向量；d＝[d1 d2 d3]T，其中d1、d2、d3分别为海洋石油支持船在附体坐标系下环境扰动引起的横向干扰力矩、纵向干扰力矩及艏向干扰力矩组成的外部环境扰动向量；M为海洋石油支持船重量惯性和水动力附加惯性组成的矩阵；C(υ)为科里奥利矩阵；D为线性水动力阻尼参数矩阵；
采取以下控制系统设置过程：
定义海洋石油支持船位置误差的向量z1∈R3：
z1＝η-ηd (3)
式中，
Figure FDA0003241710740000023
为船舶期望位置及艏摇角组成的向量；采用虚拟控制量α1∈R3：
Figure FDA0003241710740000024
式中，k1∈R3×3为设计的正定参数对角阵；联立式(3)得到：
Figure FDA0003241710740000025
重新定义船舶速度误差向量z2∈R3：
z2＝ν-νd (6)
Figure FDA0003241710740000026
式(7)中存在外部环境扰动d，但在实际情况下很难准确测出，因此采用控制率：
Figure FDA0003241710740000027
式中，sgn(z2)＝diag(sgn(z2-1),sgn(z2,2),sgn(z2,3))∈R3；d*为未知外部环境扰动d的上界向量；k2∈R3×3为设计正定参数对角阵；
Figure FDA0003241710740000031
用于消除耦合项；
为了避免出现系统抖振问题，修正控制率为：
Figure FDA0003241710740000032
对于海洋石油支持船各推进器的推力分配，按照下面伪逆法进行计算：
f＝w-1PTAT(APw-1PTAT)-1τ (10)
式中，f为扩展推力，矩阵A和P由推进器类型和位置决定，w为各推进器权重矩阵；其中AT为矩阵A的转置，w为正定对角阵。
5.一种海洋石油支持船水面目标跟踪系统，其特征在于，包括：
水面目标跟踪模块，用于获取水面目标平台位置信息以及海洋石油支持船的相对位置信息和初始艏向信息，并向海洋石油支持船控制器传输相关跟踪数据，还用于设置跟踪模式；
海洋石油支持船控制器，设于海洋石油支持船上，用于根据设定的跟踪模式，跟踪水面目标平台，计算跟踪路径点和推力，并将计算结果传输给海洋石油支持船进行水面目标跟踪。
6.根据权利要求5所述的一种海洋石油支持船水面目标跟踪系统，其特征在于，所述水面目标跟踪模块设置于远端的服务器上，或者设置于水面目标平台上，或者设置于海洋石油支持船上。
7.根据权利要求5所述的一种海洋石油支持船水面目标跟踪系统，其特征在于，所述海洋石油支持船控制器上设有动力定位模块，以根据跟踪路径点计算总推力及推力分配。
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