一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统，包括船舶期望位置设置模块用于设置船舶的期望位置，控制器模块用于获取动力定位系统需要输出的控制力和控制力矩，环境力提取模块用于建立风、浪、流及其他因素扰动数学模型，并传递至船舶低频运动模块，由船舶运动低频模块所建立的船舶运动低频模型和船舶运动高频模块所建立的船舶高频运行模型获得船舶运动总模型，外源卡尔曼滤波模块用于对船舶运动总模型进行两阶段估计，船舶状态信息模块用于获取船舶运动信息，并将其返回至控制器模块。本发明专利技术能够改善控制系统对保持船舶姿态的控制效果。且具有良好的状态估计效果和滤波精度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统
本专利技术涉及船舶定位
，尤其涉及一种基于外源卡尔曼滤波的船舶定力定位系统。
技术介绍
近十几年来，世界上许多国家都面临着陆上能源和资源不足的挑战，以往不受人们所重视的海洋开始凭借其丰富的各类资源逐渐进入人们的视野之内，世界上的各大强国也纷纷将能源战略重心转移至海洋领域内。大力支持发展海洋工程装备及技术，改善海洋工程装备技术的研发环境，能够极大地有助于我国深海资源开发、维护我国领海权益和保障我国领海安全。伴随着海洋各类资源开发利用的渐渐深入与海洋生物化学研究的慢慢开展，海上作业对于船舶定位的精度与稳定性要求也越来越高，然而传统的锚泊定位方式受到作业水深浅、定位精度不高、位置转换不灵活等原因的影响，已然逐渐显露弊端。因此，为了满足克服海上各类复杂多变的环境的要求，提高船舶与平台等海洋结构物的作业定位精度和稳定性，船舶动力定位系统作为一种全新的定位方式被人们开发出来并得到了极大的发展。由于环境干扰的存在，船舶的位置信息难于测量，会直接影响船舶的控制效果。针对这种情况，设计了一种基于外源信号的卡尔曼滤波器，来估计船舶位置信息。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于外源卡尔曼滤波的船舶定力定位系统，以克服上述技术问题。一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统，包括船舶期望位置设置模块、控制器模块、环境力提取模块、船舶运动低频模块、船舶运动高频模块、外源卡尔曼滤波模块和船舶状态信息模块共七个模块，船舶期望位置设置模块用于设置船舶的期望位置；控制器模块用于获取动力定位系统需要输出的控制力和控制力矩、期望位置艏向与实际位置艏向间的偏差；环境力提取模块用于建立风扰动数学模型、浪扰动数学模型、流扰动数学模型及其他因素扰动数学模型，传递至船舶低频运动模块；船舶运动低频模块用于建立船舶低频运动模型，该模型中只考虑船舶纵荡、横荡和艏摇；船舶运动高频模块用于建立船舶高频运动模型，由船舶运动低频模块所建立的船舶运动低频模型和船舶运动高频模块所建立的船舶高频运行模型获得船舶运动总模型；外源卡尔曼滤波模块用于设计辅助状态观测器和设计卡尔曼滤波器，所述辅助状态估计器用于去除船舶运动总模型的噪声项，所述卡尔曼滤波器采用卡尔曼滤波算法；船舶状态信息模块用于获取船舶运动信息，包括船舶在固定坐标系中的位移以及艏向位置，环境力，船舶位置和艏摇角角度，并将其返回至控制器模块。优选地，两阶段估计包括设计辅助状态观测器和设计卡尔曼滤波器，所述辅助状态估计器具有全局稳定性和收敛性，用于去除船舶运动总模型的噪声项，所述卡尔曼滤波器采用卡尔曼滤波算法。优选地，控制器模块包括PID控制器。优选地，流扰动数学模型包括两种建模方法：一种是将均匀流对船舶运动的影响简化为船舶速度的变化；另一种是在船舶动力学模型中将海流作为流扰动力。一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位装置，包括基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统。本专利技术一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统，对处于复杂海洋噪声中的船舶，能满意的预测出船舶低频信息，并且用于控制器的输入，进而改善控制系统对保持船舶姿态的控制效果。仿真结果验证了外源卡尔曼滤波算法在动力定位系统中具有良好的状态估计效果和滤波精度，对于智能船、无人船等的状态估计极具借鉴价值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术流程图；图2是绝对风与相对风示意图；图3是本专利技术船舶水平位置；图4是本专利技术船舶纵荡位置；图5是本专利技术船舶横荡位置；图6是本专利技术艏摇角度；图7是本专利技术纵荡估计误差；图8是本专利技术横荡估计误差；图9是本专利技术艏摇估计误差具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术的流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统，该系统包括船舶期望位置设置模块、控制器模块、环境力提取模块、船舶运动低频模块、船舶运动高频模块、外源卡尔曼滤波模块和船舶状态信息模块共七个模块。整体流程工作原理说明：船舶期望位置设置模块用于设置船舶的期望位置；控制器模块用于获取动力定位系统需要输出的控制力和控制力矩、期望位置艏向与实际位置艏向间的偏差，包括PID控制器，通过PID控制器，计算期望位置艏向与实际位置艏向间的偏差，利用坐标系转置矩阵将模型从北东坐标系变换至船体坐标系，并根据船舶动力定位PID控制公式(1)得到动力定位系统需要输出的控制力，控制律为：式(1)中：ξ为船舶艏向位置期望值的积分；ξx船舶艏向位置实际值的积分；η为艏向位置期望值；ηx为艏向位置实际值；τ为控制器的输出值，即系统输出的力的大小；Kd为PID控制器的微分调节系数；Kp控制器的比例调节系数；R(ψ)为船舶运动学方程的旋转矩阵。船舶在海上运动过程中，为确保动力定位船舶到达或维持在期望位置艏向，主要的作业任务就是如何抵抗风、浪、流以及其他未确定外界海洋环境因素的干扰，环境力提取模块用于建立风扰动数学模型、浪扰动数学模型、流扰动数学模型及其他因素扰动数学模型，传递至船舶低频运动模块。海面上的风扰动力直接作用于船舶水线以上船体及建筑，导致船舶发生转向、偏航和操纵困难等不良结果，从而影响船舶航行姿态。同时风作用于海水产生海浪，从而对船舶水线以下船体造成一定的影响。环境力提取模块的风扰动数学模型建立过程为：对于各类海洋环境扰动中的风扰动，采用绝对风与相对风来描述风扰动。如图2所示，绝对风是一种基于惯性坐标系(北东坐标系)的描述风扰动的方式，绝对风通常用UT表示，风向角定义为绝对风与北东坐标系北轴的夹角，通常用ψT表示，规定绝对风风向角为正北方向时为0°；相对风通常用UR表示，相对风向角用αR表示，规定相对风风向与船艏方向一致时风向角αR为0°，并选取顺时针方向为正方向，逆时针方向为负方向，其取值范围为[-180°，180°]。绝对风速度矢量和相对风速度矢量之间的关系，由图2可知。为船舶航行速度的矢量。将式(2)中的绝对风速矢量和相对风速矢量进行正交分解投影在船体坐标系下的x坐标与y坐标，得到相对风速的具体计算形式：式(3)中，uR、vR是相对风速UR在船体坐标系下的x坐标轴与y坐标轴上的两个分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统，包括船舶期望位置设置模块、控制器模块、环境力提取模块、船舶运动低频模块、船舶运动高频模块、外源卡尔曼滤波模块和船舶状态信息模块共七个模块，/n船舶期望位置设置模块用于设置船舶的期望位置；/n控制器模块用于获取动力定位系统需要输出的控制力和控制力矩、期望位置艏向与实际位置艏向间的偏差；/n环境力提取模块用于建立风扰动数学模型、浪扰动数学模型、流扰动数学模型及其他因素扰动数学模型，传递至船舶低频运动模块；/n船舶运动低频模块用于建立船舶低频运动模型，该模型中只考虑船舶纵荡、横荡和艏摇；/n船舶运动高频模块用于建立船舶高频运动模型，由船舶运动低频模块所建立的船舶运动低频模型和船舶运动高频模块所建立的船舶高频运行模型获得船舶运动总模型；/n外源卡尔曼滤波模块用于对船舶运动总模型进行两阶段估计；/n船舶状态信息模块用于获取船舶运动信息，包括船舶在固定坐标系中的位移以及艏向位置，环境力，船舶位置和艏摇角角度，并将其返回至控制器模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统，包括船舶期望位置设置模块、控制器模块、环境力提取模块、船舶运动低频模块、船舶运动高频模块、外源卡尔曼滤波模块和船舶状态信息模块共七个模块，
船舶期望位置设置模块用于设置船舶的期望位置；
控制器模块用于获取动力定位系统需要输出的控制力和控制力矩、期望位置艏向与实际位置艏向间的偏差；
环境力提取模块用于建立风扰动数学模型、浪扰动数学模型、流扰动数学模型及其他因素扰动数学模型，传递至船舶低频运动模块；
船舶运动低频模块用于建立船舶低频运动模型，该模型中只考虑船舶纵荡、横荡和艏摇；
船舶运动高频模块用于建立船舶高频运动模型，由船舶运动低频模块所建立的船舶运动低频模型和船舶运动高频模块所建立的船舶高频运行模型获得船舶运动总模型；
外源卡尔曼滤波模块用于对船舶运动总模型进行两阶段估计；
船舶状态信息模块用于获取船舶运动信息，包括船舶在固定坐标系中的位移以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：何治斌，陆昊，林杰，张均东，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21