[发明专利]变吃水作业状态下耙吸挖泥船动力定位的滤波器设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及船舶动力定位技术，特别涉及特殊工程船舶中的大型耙吸挖泥船动力定位的滤波器设计方法。

背景技术

耙吸挖泥船在海上作业的时候受到海洋环境中风、浪、流的影响，主要表现为会使船舶产生0-0.25rad/s的低频漂移和0.3-1.6rad/s的高频往复振荡。在耙吸挖泥船艏向控制、定点控位和航迹控制的过程中，需要克服上述因素的影响，传统的做法是依靠锚泊系统或驾驶员的准确操作，这种做法费时、费力而且效率也不高。

耙吸挖泥船的动力定位就是为了解决这一问题，实现操作的自动化、智能化，提高作业的效率。高频往复振荡产生的位移能够自行复位，动力定位系统不需要进行响应，但会使位置测量装置发生倾斜，影响测量的精准度。因此需要通过滤波器滤除来自位置和艏向传感器信息中的高频运动分量和噪声，估计出低频位移量，通过动力定位系统的控制器实现精确控制。

作为特殊的工程船舶——耙吸挖泥船，变吃水作业状态下单位时间内吃水变化的幅度较大，包含DT疏浚、定点疏浚、DT抛泥和DP艏喷四种操作模式。在DT抛泥操作模式，耙吸挖泥船沿设定的轨迹线从满载状态不断抛泥至空载状态；在DP艏喷操作模式下，耙吸挖泥船在设定位置和艏向处通过艏喷作业从满载状态至空载状态，此时艏喷对船舶产生巨大的反向作用力；在DT疏浚、定点疏浚操作模式下，耙吸挖泥船沿设定的轨迹线或点通过耙头作业从空载状态至满载状态，此时作业耙头与海底会产生巨大的疏浚力。本发明主要解决此种状态下的滤波器设计问题。

经过对现有技术文献的检索，中国专利申请号：201110080330.2，专利名：自适应干扰补偿的动态面挖泥船动力定位控制系统及其方法，虽然描述了挖泥船动力定位控制系统及其方法，但并没有详尽的描述动力定位控制系统中滤波器的具体设计。中国专利申请号：200910052768.2，专利名：一种基于噪声矩阵实时修正的船舶动力定位方法，在船舶动力定位中采用了基于噪声矩阵实时修正的卡尔曼数字滤波器，但针对的是固定吃水的普通船舶，对于变吃水作业状态下的耙吸挖泥船，不具有适用性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种变吃水作业状态下耙吸挖泥船动力定位的滤波器设计方法。

本发明变吃水作业状态下耙吸挖泥船动力定位的滤波器设计方法，其特征在于包含以下步骤：

a)使用基于OPC标准的数据采集与处理软件获取耙吸挖泥船测量系统中的数据并实时传送到上位机；

b)建立状态空间形式的耙吸挖泥船船舶运动数学模型，经过离散化处理后，在纵荡、横荡、艏向三个自由度上分别设计滤波器；

c)采用改进的Sage自适应滤波算法和强跟踪卡尔曼滤波算法设计滤波器；

d)经滤波器滤波后得到耙吸挖泥船的位置(纵荡方向、横荡方向)和艏向角度。

所述步骤a)中，获取的数据包括：DGPS测得到的船舶位置即纵荡方向和横荡方向、电罗经测得的船舶艏向角度即已转化为大地坐标系下船舶中心点的位置和艏向；风速和风向角；主推进器的功率、螺距百分比，侧推进器的螺距百分比，舵机的舵角，船舶舯吃水、艏吃水、艉吃水，船舶的排水量、型排水体积，船舶对地的速度，船舶对水的速度，左右耙管之间PIN传感器测得的张力，左右耙头入口处压力差，船艏射流泥浆密度、流量。

所述步骤b)中，建立状态空间形式的耙吸挖泥船船舶运动数学模型，结构如下所示：状态方程：

量测方程：Y＝H·X+v

其中，A，B，E，H为系数矩阵，X为状态向量，Y为量测向量，在DT抛泥操作模式下，U为推进机构产生的合力和合力矩项与风对船舶产生的风力和风力矩项之和；在DT疏浚、定点疏浚操作模式下，U为推进机构产生的合力和合力矩项、风对船舶产生的风力和风力矩项和耙头拖曳力项三者之和；在DP艏喷操作模式下，U为推进机构产生的合力和合力矩项、风对船舶产生的风力和风力矩项和艏喷反推力项三者之和；w为过程噪声项，v为观测噪声项。

所述步骤c)中，采用改进的Sage自适应滤波算法和强跟踪卡尔曼滤波算法设计滤波器。

本发明的有益效果是：