一种基于环境估计的实时环境最优艏向船舶动力定位控制方法技术

本发明专利技术涉及动力定位控制领域，具体涉及一种基于环境估计的实时环境最优艏向动力定位控制方法。本发明专利技术包括：通过测量系统测量船舶的位置和艏向；利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和量测传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给系统PID控制器；基于环境最优艏向动力定位控制器,用环境估计算法对外界环境干扰进行估计,并计算环境最优艏向；将计算得到的最优艏向发送给船舶PID控制器：控制器向推进器发送指令,将船舶移动到最优艏向位置。此方法增强了寻优的快速性，降低了计算量，而且大大提高了控制器的执行效率，降低了推进器频繁使用带来的磨损。

【技术实现步骤摘要】
一种基于环境估计的实时环境最优艏向船舶动力定位控制方法
本专利技术涉及动力定位控制领域，具体涉及一种基于环境估计的实时环境最优艏向动力定位控制方法。
技术介绍
动力定位(DynamicPositioning，简称DP)，是一种可以不用锚系而自动保持海上浮动装置的定位方法。随着人们在海洋中的工程作业活动日益增多，长期运行在海洋中的动力定位船舶或设备所消耗的能量与排放的废气不可忽视。近年来，学者提出多种以实现船舶节能减排为目的的船舶动力定位控制策略，包括绿色动力定位、环境最优动力定位等，环境最优动力定位又包括零侧推控制与零艏摇转矩控制等。Fossen.T.I针对海上作业系统提出了环境最优位置控制的概念(WeatherOptimalPositioningControl＝WOPC)。环境最优位置控制的控制目标是使海上作业系统根据海洋环境的变化自动调整艏向，以达到最佳艏摇角度值。该方法的最主要特点就是不需要任何环境力的测量装置就能够使船舶工作在最佳艏摇角度。基于钟摆的思想，然后主要吸取Fossen.T.I提出的WOPC的概念，谢笑颖在他的硕士论文环境最优区域动力定位控制方法研究中设计了最优艏向控制器，但是在寻优的快速性，稳定性和寻优的精度等方面还有很大欠缺而且在区域定位控制器的设计中，预测控制的计算量太大，很容易对控制的实时性产生影响。本方法是一种基于环境估计的环境最优动力定位，区别于WOPC、零侧推控制与零艏摇转矩控制等。目前国内外文献中，未出现过采用本方法的环境最优动力定位策略。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种实时计算环境最优艏向，控制船舶实现环境最优动力定位的方法。本专利技术的目的是这样实现的：(1)通过测量系统测量船舶的位置和艏向；(2)利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和量测传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给系统PID控制器；(3)基于环境最优艏向动力定位控制器,用环境估计算法对外界环境干扰进行估计,并计算环境最优艏向；(4)将计算得到的最优艏向发送给船舶PID控制器：(5)控制器向推进器发送指令,将船舶移动到最优艏向位置。步骤(3)中环境估计算法为：为环境作用估计，分别是环境干扰的合力对船舶的纵向作用力、横向作用力和艏摇力矩，K0是整定对称常矩阵，β是中间辅助变量，M是系统惯性矩阵，ν是船舶运动速度向量，，环境作用的估计偏差：τenv为实际环境干扰的合力，为估计环境干扰的合力，环境作用估计的微分为步骤(3)环境最优艏向为：ψ为船舶当前艏向，ψopt为环境最优艏向，表示外界环境作用到船舶上的横向力的正负号。步骤(5)中，更新目标艏向时，船舶目标位置为(xd,yd)，并要求船舶时刻保持环境最优艏向ψ＝ψopt，即船舶的目标位置姿态为η＝[xd,yd,ψopt]T。本专利技术具有的有益效果：本方法利用环境估计计算方法估计出环境合外力，并计算出环境合外力的方向，将计算所得的船舶最优艏向送至系统PID控制器，当船舶艏向与该方向相反时，船舶受阻力最小。此方法增强了寻优的快速性，降低了计算量，而且大大提高了控制器的执行效率，降低了推进器频繁使用带来的磨损，从而在推进器的辅助下实现精确定位，减少能耗，实现节能减排的效果。附图说明图1为本专利技术方法流程图；图2为本专利技术控制原理图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。基于环境估计的实时环境最优艏向船舶动力定位控制方法，该控制方法根据环境估计的结果，进行环境最优艏向的计算，并且通过一定控制算法对船舶进行精确动力定位控制，使船舶定位到目标位置，并且艏向保持在环境最优艏向。步骤1:通过测量系统(传感器)测量船舶的位置和艏向；步骤2:利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和量测传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给系统PID控制器；步骤3:基于环境最优艏向动力定位控制器,用环境估计算法对外界环境干扰进行估计,并计算环境最优艏向；步骤4:将计算得到的最优艏向发送给船舶PID控制器；步骤5:控制器向推进器发送指令,将船舶移动到最优艏向位置。步骤3中环境作用的估计计算公式为，式中，为环境作用估计，分别是环境干扰的合力对船舶的纵向作用力、横向作用力和艏摇力矩。K0是一个设定的整定对称常矩阵，β是一个中间辅助变量，M是系统惯性矩阵，ν是船舶运动速度向量，计算公式为，定义环境作用的估计偏差：τenv为实际环境干扰的合力，为估计环境干扰的合力。环境作用估计的微分为所以步骤3环境最优艏向的计算公式为：ψ为船舶当前艏向，ψopt为环境最优艏向，表示外界环境作用到船舶上的横向力的正负号(从右向左为负，从左向右为正)。步骤5中，若要更新目标艏向，则设定船舶目标位置为(xd,yd)，并要求船舶时刻保持环境最优艏向ψ＝ψopt，即船舶的目标位置姿态为η＝[xd,yd,ψopt]T。本专利技术的目的按如下步骤实现：步骤1:通过测量系统(传感器)测量船舶的位置和艏向；步骤2:利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和量测传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给系统PID控制器；步骤3:基于环境最优艏向动力定位控制器,用环境估计算法对外界环境干扰进行估计,并计算环境最优艏向；令为环境作用的估计，其计算表达式如式(1)所示...

【技术保护点】
一种基于环境估计的实时环境最优艏向船舶动力定位控制方法，其特征在于：(1)通过测量系统测量船舶的位置和艏向；(2)利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和量测传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给系统PID控制器；(3)基于环境最优艏向动力定位控制器,用环境估计算法对外界环境干扰进行估计,并计算环境最优艏向；(4)将计算得到的最优艏向发送给船舶PID控制器：(5)控制器向推进器发送指令,将船舶移动到最优艏向位置。

【技术特征摘要】
1.一种基于环境估计的实时环境最优艏向船舶动力定位控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：(1)通过测量系统测量船舶的位置和艏向；(2)利用卡尔曼滤波器滤除掉波浪的高频干扰和量测传感器在测量船舶位置和艏向过程中产生的测量噪声，将得到的船舶真实的位置和艏向信息发送给系统PID控制器；(3)基于环境最优艏向动力定位PID控制器,用环境估计算法对外界环境干扰进行估计,并计算环境最优艏向；(4)将计算得到的最优艏向发送给船舶PID控制器：(5)控制器向推进器发送指令,将船舶移动到最优艏向位置；步骤(3)中环境估计算法为：为环境作用估计，分别是环境干扰的合力对船舶的纵向作用力、横向作用力和艏摇力矩，K0是整定对称常矩阵，β是中间辅助变量，M是系统惯性矩阵，ν是船舶运动速度向量，环境作用的估...

【专利技术属性】
技术研发人员：王元慧，王修强，董胜伟，丁福光，庹玉龙，窦向会，王成龙，魏飞飞，冯华，陶顺行，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23