[发明专利]一种基于外源卡尔曼滤波的船舶动力定位系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及船舶定位技术领域，尤其涉及一种基于外源卡尔曼滤波的船 舶定力定位系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。