动力定位船舶的固定角度推力分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，它包括：步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。本发明专利技术能减小推进器磨损。

【技术实现步骤摘要】
动力定位船舶的固定角度推力分配方法
本专利技术涉及船舶推力分配
，具体涉及一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法。
技术介绍
随着人类对海洋开发探索的深入，能源的巨大需求迫使海洋开发进入深水区作业，随之而来的是更恶劣的海洋环境，在深水区作业的平台供应船、钻井平台和钻探船等对定位作业精度和设备操纵条件要求较高，而传统的锚泊系统受水深和机动性限制，实现高精度定点定位的动力定位技术是进行海洋开发的关键技术之一。动力定位船舶是由控制系统、传感器测量系统和推进系统组成。动力定位技术是通过位置传感器获得位置偏差数据，由控制器计算出克服风、浪、流等环境载荷所需的推力和力矩，经过推进系统实现船舶保持在预定位置。推力分配系统作为动力定位船舶的重要技术环节，主要根据上层控制器所要求的待分配力和力矩给出各个推进器的推力，使船舶到达预定位置和方向的控制系统，以推进器本身推力大小和推进器之间的水动力干扰等约束为前提条件，寻找推进系统能量消耗最小的推力分配组合优化问题。推力分配必须考虑推进器的物理限制，以降低能耗和减少推进器磨损为目标，与时刻变化推进器角度的可变角度推力分配相比，固定角度模式下的推力分配已然成为解决该问题的较好方法，现有的方法是固定角度和可变角度模式，固定角度模式只是给出一组推进器固定角度，并不能适用于多种推力分配情况，这种情况下的推力分配效果并不是很好；而可变角度模式则是时刻根据目标推力时刻变化推进器角度，但是这种方式对推进器磨损太大，降低推进器的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，该方法能解决动力定位船舶Joystick模式下定向移动控制力分配的问题，以达到减小推进器磨损的目的。为解决上述技术问题，本专利技术公开的一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定由上层控制器给定的使船舶运动的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。本专利技术提供一种固定角度下的推力分配策略，实现根据控制力选择对应固定角度进行推力分配(推力分配必须考虑推进器的物理限制，以降低能耗和减少推进器磨损为目标，与时刻变化推进器角度的可变角度推力分配相比，固定角度模式下的推力分配已然成为解决该问题的较好方法)，降低推进磨损和延长推进器寿命。另外，与现有的推力分配的可变角度模式相比较，本专利技术根据目标推力设计了8个推力象限以实现8种推力情况下的固定角度推力分配，采用此方法可以提高推进效率，有效减低推进器磨损。相比于可变角度模式，该方法可以实现当目标推力属于同一象限时，保持推进器角度不变，因在一定程度上避免了因全回转推进器时刻变化角度导致的推力损失，因此提高了动力定位船舶在定向移动时的推进效率。因在实际船舶运动过程中，如果推进器频繁变化角度，容易导致驱动电机损坏，所以大多数动力定位船舶尝试采用固定角度模式，但由于所实验的动力定位船舶为全驱推进系统，使推力分配优化算法无法实现采用一组固定角度来解决多种情况的目标推力问题，故本专利技术提出的方法可以实现全驱推进系统下的固定角度推力分配问题，在降低推进器磨损的同时又能保证推进效率和推进系统所需的推力精度。附图说明图1为动力定位船舶的推进器布置图；图2为动力定位船舶固定角度推力分配程序框图；图3为Y向移动下推力分配结果；图4为Y向移动下各个推进器的推力变化情况；图5为Y向移动下各个推进器的角度变化情况；图6为定点定位的推力分配结果；图7为定点定位的推进器推力变化情况；图8为定点定位的推进器角度变化情况；具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明：本专利技术的动力定位船舶的固定角度推力分配方法，如图1所示，它包括如下步骤：步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。上述技术方案的步骤1中，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限的具体方法为：根据动力定位船舶的运动模式，目标推力中纵向推力、横向推力和艏向推力正负，以及合推力方向角度来确定对应目标推力所在象限，所述动力定位船舶的运动模式包括定向移动模式和定点旋转模式，所述纵向推力和横向推力组合后为合推力，其方向为合推力方向角，一共划分为8个象限，如下式：定向移动模式：定点旋转模式：其中，Quadrant为象限值；Tx、Ty、Tz分别为纵向推力值、横向推力值和艏向推力值，α和β分别为第7、8象限对应的象限角度，符号&表示并且关系。上述技术方案的步骤1中，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度的具体方法见如下公式1.3：其中，Angle为固定推进角度。上述技术方案的步骤2中，根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型的具体方法为：针对固定角度分配模式建立固定角度分配模式下的推力分配模型，推力分配模型由目标函数和约束函数组成，其中：目标函数为：约束函数为：s.tB·u＝τ(1.5)式中，J为目标函数；s.t表示受约束；n为推进器个数；u为推进器的实际推力；θ为推进器的角度；ui为表示第i个推进器的实际推力；θi为第i个推进器推进的角度；B为用于推进器推力计算的配置矩阵；τ为目标推力。上述技术方案的步骤2中，约束函数包括等式约束和不等式约束，其中，根据式(1.5)建立等式约束，得到推进器和目标推力之间的关系如下：式中，θ1为第一个推进器的推进角度，θ2为第二个推进器的推进角度，θ3为第三个推进器的推进角度，lx1为第一个推进器在纵向的坐标，lx2为第二个推进器在纵向的坐标，lx3为第三个推进器在纵向的坐标，ly1为第一个推进器在横向的坐标，ly2为第二个推进器在横向的坐标，ly3为第三个推进器在横向的坐标；Tx、Ty、Tz分别为纵向推力值、横向推力值和艏向推力值；根据式(1.5)建立不等式约束，考虑到推进器系统的物理约束，如推力上下限和推力变化率，其不等式约束可表示如下：式中，ui为表示第i个推进器的实际推力，ΔT表示各个推进器在时间上的推力变化率；T0为各个推进器在上一周期的推力；Timax、Timin为推进系统的第i个推进器在推力变化率限制下实际能发出的最大推力和最小推力；TiMAX、TiMIN为推进系统的第i个推进器物理限制下所能发出的最大推力和最小推力；建立等式约束与不等式约束后的推力分配优化模型表达为：式中，minJ(u,θ)表示目标函数J(u,θ)的最小值，equ.表示等式约束，inequ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。

【技术特征摘要】
1.一种动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤1：采用3个全回转推进器对动力定位船舶进行推进，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度；步骤2：根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型；步骤3：利用增广拉格朗日乘子算法对所述固定角度分配模式下的推力分配模型进行求解，得到各个推进器的实际推力值；步骤4：将各个推进器的实际推力值转换为相应的推进器电机转速。2.根据权利要求1所述的动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于：所述步骤1中，确定上层控制器给定的船舶三个运动方向的目标推力所属的象限的具体方法为：根据动力定位船舶的运动模式，目标推力中纵向推力、横向推力和艏向推力正负，以及合推力方向角度来确定对应目标推力所在象限，所述动力定位船舶的运动模式包括定向移动模式和定点旋转模式，所述纵向推力和横向推力组合后为合推力，其方向为合推力方向角，一共划分为8个象限，如下式：定向移动模式：定点旋转模式：其中，Quadrant为象限值；Tx、Ty、Tz分别为纵向推力值、横向推力值和艏向推力值，α和β分别为第7、8象限对应的象限角度，符号&表示并且关系。3.根据权利要求1所述的动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于：所述步骤1中，根据上述目标推力所属的象限确定每个全回转推进器的固定推进角度的具体方法见如下公式1.3：其中，Angle为固定推进角度。4.根据权利要求1所述的动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于：所述步骤2中，根据动力定位船舶的推进器布置位置，建立固定角度分配模式下的推力分配模型的具体方法为：针对固定角度分配模式建立固定角度分配模式下的推力分配模型，推力分配模型由目标函数和约束函数组成，其中：目标函数为：约束函数为：s.tB·u＝τ(1.5)式中，J为目标函数；s.t表示受约束；n为推进器个数；u为推进器的实际推力；θ为推进器的角度；ui为表示第i个推进器的实际推力；θi为第i个推进器推进的角度；B为用于推进器推力计算的配置矩阵；τ为目标推力。5.根据权利要求4所述的动力定位船舶的固定角度推力分配方法，其特征在于：所述步骤2中，约束函数包括等式约束和不等式约束，其中，根据式(1.5)建立等式约束，得到推进器和目标推力之间的关系如下：式中，θ1为第一个推进器的推进角度，θ2为第二个推进器的推进角度，θ3为第三个推进器的推进角度，lx1为第一个推进器在纵向的坐标，lx2为第二个推进器在纵向的坐标，lx...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯辉，刘梦佳，徐海祥，余文曌，韩鑫，廖刚，周志杰，卢林枫，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42