一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于動(dòng)力定位船舶控制領(lǐng)域，尤其涉及一種針對(duì)外界環(huán)境突變情況下的， 一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)海洋進(jìn)行充分地探索和研宄，進(jìn)行合理而有效的資源開采，對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展 起著不可估量的作用。隨著海洋資源開采不斷向深海推進(jìn)，現(xiàn)如今的一些海上作業(yè)平臺(tái)， 比如浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪、海洋鉆井平臺(tái)等，雖然仍可以完成油氣開采、鋪管鋪纜、海洋地質(zhì)勘 探等，但綜合考慮效果均不理想。在此背景下，船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)（Dynamic Positioning System，簡(jiǎn)稱DPS)應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)，動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)獲取海洋資源的主導(dǎo)權(quán)起著關(guān)鍵性 的作用。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種通過推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生推力以抵抗外界的環(huán)境干擾（風(fēng)、波 浪和海流），從而動(dòng)態(tài)控制船舶定位在某確定的位置或按照一定的預(yù)設(shè)航線航行的技術(shù)。
[0003] 在海上運(yùn)動(dòng)的船舶，會(huì)受到風(fēng)、浪、流和各種噪聲的干擾。這些干擾中，風(fēng)、低頻二 階波浪、流會(huì)使船舶發(fā)生的緩慢的漂移，可以通過動(dòng)力定位的推進(jìn)器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)窒桓哳l一 階波浪和噪聲干擾，不會(huì)引起船舶位置的改變，但會(huì)引起不規(guī)則的振蕩運(yùn)動(dòng)，加大動(dòng)力定位 系統(tǒng)的推進(jìn)器的磨損，從而減少推進(jìn)器的使用壽命。設(shè)計(jì)的狀態(tài)觀測(cè)器，正是要將高頻一階 波浪和噪聲濾除，使推進(jìn)器只對(duì)低頻的干擾做出響應(yīng)。本專利中所采用的改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波 算法相對(duì)于其他的濾波算法來(lái)說(shuō)，在外界干擾發(fā)生突變的情況下跟蹤濾波效果更好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高船舶穩(wěn)定性的，一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài) 觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法，包括以下幾個(gè)步驟：
[0007] 步驟一：采集船舶的位置和艏向；
[0008] 步驟二：利用改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器濾除掉船舶位置和艏向中噪聲部分，得 到滿足精度要求的船舶位置和艏向估計(jì)值發(fā)送給PID控制器；
[0009] 步驟三：PID控制器根據(jù)船舶位置和艏向期望值和接收到的信息，輸出控制力和 力矩，控制船舶運(yùn)動(dòng)。
[0010] 本發(fā)明一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法，還可以包括：
[0011] 1、利用改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器濾除掉船舶位置和艏向中噪聲部分的方法 為：
[0012] 步驟一：建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間方程：
[0013] i = /(.v-,u, U')
[0014] z = h(x, v)
[0015] 其中，f是船舶系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)矩陣，h是非線性系統(tǒng)量測(cè)函數(shù)，x =
[ητ ντ]τ是選定的狀態(tài)向量，η = [χ y Φ]τ表示在北東坐標(biāo)系下的船舶的位置和姿態(tài) 角，V = [U V r]T表示在船體坐標(biāo)系下的船舶的線速度和角速度，u = [X Y Ν] 7是輸入向 量表示在船體坐標(biāo)系下的船舶所受的力和力矩，z為輸出向量表示在北東坐標(biāo)系下的包含 噪聲部分的船舶位置和艏向，w = ?^和V = w z為互不相關(guān)的零均值高斯白噪聲，
[0016] 將狀態(tài)空間方程的離散化表示為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法，其特征在于，包括以下 幾個(gè)步驟： 步驟一：采集船舶的位置和艏向； 步驟二：利用改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器濾除掉船舶位置和艏向中噪聲部分，得到滿 足精度要求的船舶位置和艏向估計(jì)值發(fā)送給PID控制器； 步驟三：PID控制器根據(jù)船舶位置和艏向期望值和接收到的信息，輸出控制力和力矩， 控制船舶運(yùn)動(dòng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法， 其特征在于：所述的利用改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器濾除掉船舶位置和艏向中噪聲部分的 方法為： 步驟一：建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)空間方程： X = f(x, u, w) z = h (x, v) 其中，f是船舶系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)狀態(tài)函數(shù)矩陣，h是非線性系統(tǒng)量測(cè)函數(shù)，X = [τΓ ντ]τ是選定的狀態(tài)向量，η = [X y Φ]τ表示在北東坐標(biāo)系下的船舶的位置和姿態(tài)角，V =[u V r]T表示在船體坐標(biāo)系下的船舶的線速度和角速度，u = [X Y Ν] 7是輸入向量表示 在船體坐標(biāo)系下的船舶所受的力和力矩，z為輸出向量表示在北東坐標(biāo)系下的包含噪聲部 分的船舶位置和艏向，w = wJP V = w z為互不相關(guān)的零均值高斯白噪聲， 將狀態(tài)空間方程的離散化表示為： Xk - f k-1 (Xk-1，Uk-1，Wk-1) ， zk= h k(xk, vk)； 步驟二：將包含噪聲部分的船舶位置和艏向zk作為改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的輸 入，得到滿足精度要求的船舶位置和艏向估計(jì)值^。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于動(dòng)力定位船舶的改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波方法，其特征在 于：所述的改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器通過以下設(shè)計(jì)步驟實(shí)現(xiàn)： a、 確定狀態(tài)初始值4、誤差協(xié)方差初值Ptl、遺忘因子P、弱化因子β和常數(shù)a Ji)，i =1，2, ...，n ; b、 計(jì)算殘差： ~ zk~ ^A\k-i 其中，Hk為函數(shù)h進(jìn)行泰勒展開所得到的雅格比矩陣，
c、 計(jì)算多重次優(yōu)漸消因于矩陣和矩陣Ayt 確定殘差協(xié)方差陣Vk:
其中，P為預(yù)先設(shè)定的遺忘因子； 求得多重次優(yōu)漸消因子矩陣Ak:
Nk=Vk-HkYkMk^UH rl ~fiRk Mi = ΑΦ,^Ρ^ΦΙ^ΗΙΗ, 其中，Qk和Rk分別為環(huán)境干擾高頻噪聲和測(cè)量噪聲的方差，β為預(yù)先設(shè)定的弱化因子， Pk為誤差估計(jì)協(xié)方差，Φ ,和r k為函數(shù)f進(jìn)行泰勒展開所得的雅格比矩陣，
根據(jù)多重次優(yōu)漸消因子矩陣求得矩陣Xit: X4 = diag[^, ·, ^/?7]； d、 根據(jù)矩陣計(jì)算狀態(tài)預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差Pkllrf: jr^k-\Qk-^"k-l ； e、 根據(jù)狀態(tài)預(yù)報(bào)誤差協(xié)方差Pkllrt計(jì)算濾波增益k k Kk =Pt^lHrk (HtPk^lHrk+RkY i-, f、 更新狀態(tài)估計(jì)4 交k =》k\k-l + Kk{zk - H·, g、 更新誤差估計(jì)協(xié)方差Pk Pk^iI- K, Hk )PU](I- K, Hk )7' + Kk Rk Kl; K保存濾波數(shù)據(jù)結(jié)果4，將毛中的貧作為滿足要求的船舶位置和艏向估計(jì)值4，傳送 給PID控制器，重復(fù)步驟b到步驟h，直到數(shù)據(jù)處理結(jié)束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法， 其特征在于：所述的PID控制器為： '
Ui τ=[τχ τγ τΝ]τ表示船舶推進(jìn)器輸出推力和力矩，KP，K#PKD為PID算法中的比 例系數(shù)；ru為船舶期望目標(biāo)位置姿態(tài)n d和實(shí)際位置姿態(tài)η之間的偏差，即n n d-η， η = [x，y，Φ]τ分別對(duì)應(yīng)船舶實(shí)際北東位置和艏向角；n d= [xd，yd，ih]T分別對(duì)應(yīng)船舶期 望北東位置和艏向角。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器的船舶動(dòng)力定位方法，包括以下步驟：采集船舶的位置和艏向；利用改進(jìn)強(qiáng)跟蹤濾波狀態(tài)觀測(cè)器濾除掉船舶位置和艏向中噪聲部分，得到滿足精度要求的船舶位置和艏向估計(jì)值發(fā)送給PID控制器；PID控制器根據(jù)船舶位置和艏向期望值和接收到的信息，輸出控制力和力矩，控制船舶運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明在外界干擾發(fā)生突變的情況下跟蹤濾波效果更好，本發(fā)明能夠提高船舶的穩(wěn)定性。
【IPC分類】G05D13-04
【公開號(hào)】CN104635773
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510016643
【發(fā)明人】王元慧, 庹玉龍, 付明玉, 丁福光, 王海英, 趙強(qiáng), 張贊, 楊云龍, 遲岑, 劉佳
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2015年1月13日