[发明专利]一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法

说明书

本发明提供一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，通过旋转中心点在船体坐标系下的位置，计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵，计算旋转中心点的运动状态，计算期望运动状态，计算每个推进器的相对位置坐标，计算新的推进器位置布置矩阵，计算每个推进器的期望推力、期望回转方位角，将推进器实际输出的推力合成到旋转中心处，形成合力，计算在旋转中心点处的运动状态，计算在北东坐标系下的位置和姿态，计算旋转中心的位置。本发明能够有效的对动力定位船舶变旋转中心后的定点定位和路径跟踪等任务进行仿真，降低了仿真误差，能真实的反映实际情况，并能为实际的动力定位系统的变旋转中心运动控制提供技术支持。

技术领域

本发明属于动力定位系统控制技术领域，具体涉及一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法。

背景技术

动力定位(DP)是一项在海洋工程中和深海开发中广泛使用的一种技术，目前全世界已经有超过2000艘具有动力定位系统的船舶，动力定位可以通过推进器保持位置和艏向于固定点或设定航迹上，并能够保证控制的精度，灵活有效，尤其是在锚泊受限的深海区，能够展现其强大的优势。

对于高强度、高难度的海上作业需求，普通动力定位能力船舶的旋转中心通常设置在船体中心，逐渐无法适应海洋工程作业需求。在特殊的海洋工程作业中，可以灵活设置船舶的旋转中心，以适应海上特殊操作任务的需求。例如：在海洋铺管作业的过程中，将船尾的托管架设置为船舶旋转中心，以提高铺管的精度，增强铺管作业效率；当DP船舶在执行深海安装任务时，可以将吊机所处的位置设置为旋转中心，以保证水下作业任务的灵活性，提高作业效率，保证水下作业精度；加强型动力定位船的旋转中心可以任意设置在船体的任何位置，可灵活适用海上复杂作业环境，适应海上高强度作业要求，降低海洋作业风险，提高作业精度，由此可见变旋转中心的运动控制对于动力定位船舶具有重要的工程意义和实际意义。

目前，国内外在这方面的研究较少，尽管康士伯公司已有完整的动力定位系统产品，由于技术保密查阅，所以查不到相关的技术文献。因此本文提出一种动力定位船舶变旋转中心的运动控制仿真方法。对于动力定位船舶，当船舶的旋转中心(即运动控制点)发生改变时直接影响到船舶的运动数学模型和动力学模型以及推力分配方法。为了实现动力定位船舶变旋转中心的运动仿真，其关键是要建立船舶变旋转中心的运动学模型以及变旋转中心的推力分配方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，建立了一种船舶变旋转中心三自由度运动数学模型，提出了一种变旋转中心的推力分优化数学模型，并构建了一种具有变旋转中心控制功能的动力定位仿真系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种动力定位船舶的变旋转中心运动控制仿真方法，具体的实现步骤为：

步骤1.根据任务需求和相应的操作模式在旋转中心设置模块中设置船舶的旋转中心点，将旋转中心点在船体坐标系下的位置(x_c,y_c)传给变旋转中心的三自由度运动数学模块、推力分配模块、运动状态转换模块；

步骤2.由设置的旋转中心，计算船舶旋转中心速度和船舶中心速度的切换矩阵；根据船体中心点的运动状态，计算出旋转中心点的运动状态；

步骤3.将旋转中心点的运动状态输入到三自由度运动控制器模块，该模块根据设定的操作模式，选择对应的控制器，根据运动状态的位置偏差、艏向偏差和三自由度速度偏差计算出期望纵向推力、横向推力和转艏力矩；

步骤4.将控制器产生的期望合力指令输入到变旋转中心的推力分配模块，计算每个推进器的相对位置坐标，计算新的推进器位置布置矩阵，最后根据推力分配优化模型采用序列二次规划算法或粒子群算法进行求解，得到每个推进器的期望推力和期望回转方位角；