[发明专利]一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法

说明书

技术领域

本发明属于动力定位船舶控制领域，尤其涉及一种针对外界环境突变情况下的，一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法。

背景技术

对海洋进行充分地探索和研究，进行合理而有效的资源开采，对人类社会的发展起着不可估量的作用。随着海洋资源开采不断向深海推进，现如今的一些海上作业平台，比如浮式生产储油轮、海洋钻井平台等，虽然仍可以完成油气开采、铺管铺缆、海洋地质勘探等，但综合考虑效果均不理想。在此背景下，船舶动力定位系统(Dynamic Positioning System，简称DPS)应运而生。近年来，动力定位系统对获取海洋资源的主导权起着关键性的作用。船舶动力定位系统是一种通过推进系统产生推力以抵抗外界的环境干扰(风、波浪和海流)，从而动态控制船舶定位在某确定的位置或按照一定的预设航线航行的技术。

在海上运动的船舶，会受到风、浪、流和各种噪声的干扰。这些干扰中，风、低频二阶波浪、流会使船舶发生的缓慢的漂移，可以通过动力定位的推进器进行补偿抵消；高频一阶波浪和噪声干扰，不会引起船舶位置的改变，但会引起不规则的振荡运动，加大动力定位系统的推进器的磨损，从而减少推进器的使用寿命。设计的状态观测器，正是要将高频一阶波浪和噪声滤除，使推进器只对低频的干扰做出响应。本专利中所采用的改进强跟踪滤波算法相对于其他的滤波算法来说，在外界干扰发生突变的情况下跟踪滤波效果更好。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够提高船舶稳定性的，一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法，包括以下几个步骤：

步骤一：采集船舶的位置和艏向；

步骤二：利用改进强跟踪滤波状态观测器滤除掉船舶位置和艏向中噪声部分，得到满足精度要求的船舶位置和艏向估计值发送给PID控制器；

步骤三：PID控制器根据船舶位置和艏向期望值和接收到的信息，输出控制力和力矩，控制船舶运动。

本发明一种基于改进强跟踪滤波状态观测器的船舶动力定位方法，还可以包括：

1、利用改进强跟踪滤波状态观测器滤除掉船舶位置和艏向中噪声部分的方法为：

步骤一：建立船舶运动数学模型的状态空间方程：

z＝h(x，v)

其中，f是船舶系统的非线性系统状态函数矩阵，h是非线性系统量测函数，x＝[η^Tν^T]^T是选定的状态向量，η＝[x y ψ]^T表示在北东坐标系下的船舶的位置和姿态角，ν＝[u v r]^T表示在船体坐标系下的船舶的线速度和角速度，u＝[X Y N]^T是输入向量表示在船体坐标系下的船舶所受的力和力矩，z为输出向量表示在北东坐标系下的包含噪声部分的船舶位置和艏向，w＝w_v和v＝w_z为互不相关的零均值高斯白噪声，

将状态空间方程的离散化表示为：

步骤二：将包含噪声部分的船舶位置和艏向z_k作为改进强跟踪滤波状态观测器的输入，得到满足精度要求的船舶位置和艏向估计值

2、改进强跟踪滤波状态观测器通过以下设计步骤实现：

a、确定状态初始值、误差协方差初值p₀、遗忘因子ρ、弱化因子β和常数α_i(i),i＝1,2,…,n；

b、计算残差：

其中，H_k为函数h进行泰勒展开所得到的雅格比矩阵，

c、计算多重次优渐消因子矩阵和矩阵

确定残差协方差阵V_k：

其中，ρ为预先设定的遗忘因子；

求得多重次优渐消因子矩阵λ_k：

其中α_i为常数，系数

其中，Q_k和R_k分别为环境干扰高频噪声和测量噪声的方差，β为预先设定的弱化因子，p_k为误差估计协方差，Φ_k和Γ_k为函数f进行泰勒展开所得的雅格比矩阵，