一种水深变化的动力定位船舶控制方法技术

本发明专利技术涉及船舶运动控制技术领域，提供一种水深变化的动力定位船舶控制方法

【技术实现步骤摘要】
一种水深变化的动力定位船舶控制方法


[0001]本专利技术涉及船舶运动控制
，尤其涉及一种水深变化的动力定位船舶控制方法
。

技术介绍

[0002]部分特殊作业船舶由于作业任务需要，经常会在深水区域和浅水区域切换作业，工作水深变化明显
。
当船舶由深水区域航行至浅海等浅水区域时，船舶将处于限制航道状态而遭受浅水效应，进而影响其水动力性能，改变被控体的动力学特性
。
随着水深的减小，船体周围的水流呈二维空间的流动，航道受到限制，另外由于水的粘性在船底与底面边界形成边界层，使过水断面变小，水流因受到挤压而加速流动，船体周围的流体压力降低，船体下沉，湿表面积增大，导致摩擦阻力
、
粘压阻力有所增大
。
此外，船舶在浅水区域航行时，船行波变为浅水波，波幅
、
波形随着水深变浅急剧变化，波频运动主导频率产生变化
。
同时在浅水区域，船舶推进器的推力也会有一定的损失
。
[0003]而当前的船舶控制法只是将得到的满足精度要求的船舶的位置和艏向信息发送给状态反馈控制器，在无风静水的海洋理想环境下，根据具体设计的控制器的不同调节相应的控制参数进行控制，并没有考虑水深变化造成的推力
、
流体压力
、
阻力等对动力定位船舶的控制性能的影响
。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一
。
为此，本专利技术提供一种水深变化的动力定位船舶控制方法
。
[0005]本专利技术提供一种水深变化的动力定位船舶控制方法，包括：
S1
：预设船舶的第一吃水工况及第二吃水工况，分别采集第一吃水工况下的船舶的阻尼系数及推进器推力系数，分别采集第二吃水工况下的船舶的阻尼系数及推进器推力系数；
S2
：根据采集到的不同吃水工况下的阻尼系数及推进器推力系数，构建船舶的推进器模型及低频运动模型；
S3
：构建船舶的高频运动模型，根据所述高频运动模型及所述低频运动模型建立船舶的状态估计模型；
S4
：通过固定时间间隔的对船舶的位置测量信息及艏向测量信息频谱分析，更新所述状态估计模型中的高频参数；
S5
：由船舶的位置测量信息及艏向测量信息分离高频运动信息及低频运动信息，输入至更新后的状态估计模型，获得状态估计向量；
S6
：通过风洞试验计算获得船舶的风载荷；
S7
：通过基于状态估计向量的偏差控制及基于风载荷的环境力反馈，计算船舶的控制合力，以完成控制船舶
。
[0006]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S1
中所述第一吃水工况为船舶的两倍吃水工况，所述第二吃水工况为船舶的三倍吃水工况
。
[0007]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S1
中的阻尼系统通过船模拖曳水池试验法获取，推进器推力系数通过螺旋桨敞水水池试验法获取
。
[0008]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S1
中采集获得的阻尼系数表达式为：；其中，为两倍吃水工况下获得的阻尼系数，为三倍吃水工况下获得的阻尼系数，为两倍吃水水深，为三倍吃水水深，为采样水深；
[0009]步骤
S1
中采集获得的推进器推力系数的表达式为：；其中，为两倍吃水工况下获得的推进器推力系数，为三倍吃水工况下获得的推进器推力系数
。
[0010]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S2
中的所述推进器模型的表达式为：；其中，为船舶所有推进器产生的推力可用向量，为推进器控制配置矩阵，为推力系数矩阵，为输入的控制变量；
[0011]步骤
S2
中的所述低频运动模型表达式为：；其中，为大地坐标系下船舶包括北向位置
、
东向位置及艏向的状态向量，为船舶艏向，为船舶坐标变换矩阵，为船体坐标系下船舶包括运动速度及角速度的状态向量，为船舶惯性矩阵
,
为阻尼系数矩阵，为船舶推进器产生的推力向量，
为船舶风载荷向量，为转置矩阵，为船舶北向
、
东向及艏向三自由度环境干扰载荷，为表示过程噪声幅值的三维对角矩阵，为第一零均值高斯白噪声向量，为包含时间常数的三维对角矩阵，为表示环境干扰载荷幅值的三维对角矩阵，为第二零均值高斯白噪声向量
。
[0012]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S3
中构建船舶的高频运动模型的步骤，进一步包括：
[0013]S311
：建立船舶的初步高频运动数学模型，所述初步高频运动数学模型的表达式为：；其中，为初步高频运动数学模型，为波浪强度，为虚变量，为相对阻尼系数，为主导频率；
[0014]S312
：将所述初步高频运动数学模型改写为状态空间形式，获得高频运动模型，所述高频运动模型的表达式为：；其中，为船舶高频状态向量，为第一系数矩阵，为第二系数矩阵，为第三零均值高斯白噪声向量，为包括高频运动纵荡，横荡位置及艏向角度的三维向量，为第三系数矩阵
。
[0015]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S3
中建立船舶的状态估计模型的步骤，进一步包括：
[0016]S321
：建立包括位置测量及艏向测量的系统测量模型，所述系统测量模型的表达式为：；其中，为系统测量模型，为第四零均值高斯白噪声向量；
[0017]S322
：结合所述高频运动模型
、
所述低频运动模型及所述系统测量模型，构建船舶的状态估计非线性数学模型，所述状态估计非线性数学模型的表达式为：
；
[0018]S323
：将所述状态估计非线性数学模型改写为空间形式，获得船舶的状态估计模型，所述状态估计模型的表达式为：；其中，为包括
、、、
在内的
15
维状态向量，为非线性状态转移函数，为噪声系数矩阵，为观测矩阵，为第五零均值高斯白噪声向量
。
[0019]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S6
中所述风载荷的表达式为：；其中，为船舶纵向的风载荷，为船舶横向的风载荷，为船舶艏向的风载荷，为船舶纵向的无因次风载荷系数，为船舶横向的无因次风载荷系数，为船舶艏向的无因次风载荷系数，为相对风向角，为空气密度，为相对风速，为船舶船体的正向风投影面积，为船舶船体的侧向风投影面积，为船舶船体总长
。
[0020]根据本专利技术提供的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，步骤
S4
包括：
S41
：通过快速傅里叶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种水深变化的动力定位船舶控制方法，其特征在于，包括：
S1
：预设船舶的第一吃水工况及第二吃水工况，分别采集第一吃水工况下的船舶的阻尼系数及推进器推力系数，分别采集第二吃水工况下的船舶的阻尼系数及推进器推力系数；
S2
：根据采集到的不同吃水工况下的阻尼系数及推进器推力系数，构建船舶的推进器模型及低频运动模型；
S3
：构建船舶的高频运动模型，根据所述高频运动模型及所述低频运动模型建立船舶的状态估计模型；
S4
：通过固定时间间隔的对船舶的位置测量信息及艏向测量信息频谱分析，更新所述状态估计模型中的高频参数；
S5
：由船舶的位置测量信息及艏向测量信息分离高频运动信息及低频运动信息，输入至更新后的状态估计模型，获得状态估计向量；
S6
：通过风洞试验计算获得船舶的风载荷；
S7
：通过基于状态估计向量的偏差控制及基于风载荷的环境力反馈，计算船舶的控制合力，以完成控制船舶
。2.
根据权利要求1所述的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，其特征在于，步骤
S1
中所述第一吃水工况为船舶的两倍吃水工况，所述第二吃水工况为船舶的三倍吃水工况
。3.
根据权利要求1所述的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，其特征在于，步骤
S1
中的阻尼系统通过船模拖曳水池试验法获取，推进器推力系数通过螺旋桨敞水水池试验法获取
。4.
根据权利要求2所述的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，其特征在于，步骤
S1
中采集获得的阻尼系数表达式为：；其中，为两倍吃水工况下获得的阻尼系数，为三倍吃水工况下获得的阻尼系数，为两倍吃水水深，为三倍吃水水深，为采样水深；步骤
S1
中采集获得的推进器推力系数的表达式为：；其中，为两倍吃水工况下获得的推进器推力系数，为三倍吃水工况下获得的推进器推力系数
。5.
根据权利要求1所述的一种水深变化的动力定位船舶控制方法，其特征在于，步骤
S2
中的所述推进器模型的表达式为：；其中，为船舶所有推进器产生的推力可用向量，为推进器控制配置矩阵，为推力系数矩阵，为输入的控制变量；步骤
S2
中的所述低频运动模型表达式为：；其中，为大地坐标系下船舶包括北向位置
、
东向位置及艏向的状态向量，为船舶艏向，为船舶坐标变换矩阵，为船体坐标系下船舶包括运动速度及角速度的状态向量，为船舶惯性矩阵
,
为阻尼系数矩阵，为船舶推进器产生的推力向量，为船舶风载荷向量，为转置矩阵，为船舶北向
、
东向及艏向三自由度环境干扰载荷，为表示过程噪声幅值的三维对角矩阵，为第一零均值高斯白噪声向量，为包含时间常数的三维对角矩阵，为表示环境干扰载荷幅值的三维对角矩阵，为第二零均值高斯白噪声向量
。6.
根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小东，徐凯，王岭，王福，赵宾，李佳川，黄炜，郭颖，孟令桐，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七，
类型：发明
国别省市：