【技术实现步骤摘要】
基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊系统设计
[0001]本专利技术涉及定位控制系统
，具体涉及一种基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊系统。
技术介绍
[0002]伴随着人类对海洋资源的不断开发，海洋工程的作业区域也逐步向远海地区推进。与此同时，对船只海洋作业的效率、安全性、自动化程度等也提出了更严格的要求。由于海水深度的增加，传统的锚泊定位方式已经不能够满足海上作业需求，因此动力定位技术应运而生。动力定位系统可以使海上平台和船只面对海洋环境干扰(风、浪、流)的情况下，仅使用自身推进系统来保持期望的位置或运动轨迹。动力定位系统不受海水深度的影响，灵活性强、定位精度高，可在多种海况下作业。但动力定位系统工作时需要持续消耗燃料，成本相对较高，并且在恶劣海况下单纯的使用动力定位系统并不能达到很好的定位效果，因此将锚泊定位与动力定位相结合的一种混合定位方式是当前领域的重要研究方向之一。
[0003]中国专利CN105929825A提出了一种基于神经动态模型的船舶动力定位反步控制方法。该专利采用反步法设计动力定位控制系统的控制率，通过定义变量误差、设计虚拟控制信号，有效的提高了无人船的控制精度。与该方法不同的是，本专利技术在考虑外界环境干扰与船舶推进器动态特性的前提下，采用指令滤波反步法设计控制器，避免了对虚拟控制律复杂的求导运算。并将锚泊系统、非线性有限时间干扰观测器与所设计的控制器相结合，借助李雅普诺夫理论证明了综合后闭环系统的稳定性。
技术实现思路
[0004]1、专利技术目的：<...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊系统，包括锚泊系统(1)、指令滤波控制器(2)、推进器系统(3)、位置参考系统(4)、传感器系统(5)、DPAM船舶(6)、有限时间干扰观测器(7)、显控计算机(8)、导引系统(9)、张力传感器(10)等。其特点是：传感器系统(5)实时采集DPAM船舶(6)的位置和角度信息，简称位姿信息η，并将采集到的位姿信息先后传递给位置参考系统(4)和显控计算机(8)；显控计算机(8)实时显示船舶的实际位姿信号并将期望位姿阶跃信号η
d0
传递给导引系统(9)；导引系统(9)对期望位姿阶跃信号η
d0
进行处理，得到连续的期望位姿信息η
d
和其一阶、二阶导数并传递给指令滤波控制器(2)；锚泊系统(1)的锚缆对DPAM船舶(6)产生锚泊力τ
m
，并通过张力传感器(10)传递给有限时间干扰观测器(7)；有限时间干扰观测器(7)对时变海洋环境干扰进行估计，得到时变海洋环境干扰估计值并传递给指令滤波控制器(2)；指令滤波控制器(2)构造虚拟信号β
i
和虚拟控制量α
i
，对期望位姿阶跃信号η
d
进行计算得到各跟踪误差e
i
。构造误差补偿信号θ1，θ2，θ3，并传递给各跟踪误差补偿向量系统输出各跟踪误差补偿向量s1，s2，s3；时变海洋环境干扰估计值和虚拟信号β
i
进行指令滤波控制，得到推进器系统(3)的控制指令τ
c
；推进器系统(3)根据指令滤波控制器(2)输出的控制指令τ
c
对DPAM船舶(6)进行控制，使船舶运动到期望的位置和艏向。考虑到外界环境干扰与船舶推进器动态特性，动力定位系统的三自由度数学模型如下：下：下：其中η＝[x y ψ]
T
是大地坐标系下船舶的位置和艏向；υ＝[u v r]
T
是船体坐标系下船舶的速度向量；τ∈R3是推进系统产生的力及力矩；τ
d
∈R3表示由风、流、海浪等作用再船舶上产生的干扰力和力矩组成的向量；τ
m
∈R3表示锚泊系统产生的力；矩阵A∈R3×3和B∈R3×3为对角阵，τ
c
∈R3是控制指令；M∈R3×3是惯性质量矩阵；C(v)∈R3×3是科里奥利及向心力矩阵；D(v)∈R3×3是阻尼矩阵；R(ψ)∈R3×3为旋转矩阵，具体表示为：锚泊系统锚缆提供的力和力矩可以表示为：锚泊系统锚缆提供的力和力矩可以表示为：锚泊系统锚缆提供的力和力矩可以表示为：式中，F
i
表示第i根锚缆的水平张力；b
i
是第i根锚缆与大地坐标系下X轴的夹角；(x
i
,y
i
)是表示船舶到锚的固定点之间的距离分解在船体坐标系X
b
轴和Y
b
轴上的投影。锚泊系统提
供的锚泊力可以表示为：τ
m
＝[τ
X τ
Y τ
Z
]
T
有限时间干扰观测器具体形式为：其中和分别为v和τ
d
的估计值，并将设计为如下形式其中K1∈R3×3和K2∈R3×3为待设计的正定对角观测...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘彩云，韩旭，陈兴华，佟海艳，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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