[发明专利]基于UKF滤波和约束模型预测控制的动力定位控制方法

说明书

本发明提供了一种基于UKF滤波和约束模型预测控制的动力定位控制方法，该方法包括：通过传感器获取船舶的位置和航向信息；UKF滤波器接收该测量信息，滤除其中的噪声干扰和波浪高频振荡成分，同时对未测量状态进行状态估计；模型预测控制器接收UKF滤波的低频状态估计值作为预测未来动态的初始条件，在线考虑系统推力器约束和操作区约束，对目标函数进行最优求解，产生最优控制指令传送给被控船舶，从而控制船舶保持在设定船位和航向。方法能避免推力器的频繁动作，减少推力器磨损及能耗，同时提高模型预测控制的控制效果和稳定性，具有较强的工程运用价值。

技术领域

本发明涉及船舶动力定位控制领域，具体涉及一种基于UKF滤波和约束模型预测控制的船舶动力定位控制方法。

背景技术

船舶动力定位(Dynamic Positioning,DP)是深海开发关键技术。动力定位系统对极深海域和恶劣海况具有极强适应性，定位能力强，故广泛地用于深海石油钻井平台、海洋考察船、半潜船、水下潜器、海洋补给/装卸船、海底电缆铺设、海上打捞救生以及军用舰船的定点、循迹、循线或跟踪控制上。

动力定位系统的核心是有计算机组成的控制系统，控制系统的关键是控制器。作为一种智能的计算机控制算法，模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)不需要精确的过程模型、在线计算方便、能在线处理约束问题，具有较高的鲁棒性和控制效果。模型预测控制非常适用于船舶动力定位系统这种复杂的多变量控制系统，特别在处理约束问题方面有着明显的优势，使动力定位系统工作点可以接近允许的操作范围边缘，从而可以获得更好的性能与经济效益。

船舶定位过程中，会受到风、浪、流等环境干扰力的作用而使船舶偏离设定船位。其中，一阶波浪力将使船舶产生高频振荡运动，控制器在运算时并不需要对其进行响应，否则将造成推进器频繁动作加剧磨损，同时增加能耗。因而，需要通过滤波器将运动信号中的高频成分和测量噪声滤除，而仅将低频运动分量作为控制器的输入。同时，当状态不可测时，也需要通过状态观测以估计出未知状态。

王元慧等(王元慧，施小成，边信黔.基于模型预测控制的船舶动力定位约束控制.船舶工程,2007,29(3):22-25)在进行模型预测控制器设计时，并未考虑状态估计和滤波，当状态不可测时控制效果会受到影响。王刚等(王刚，李文华，晨海泉，蔺本洁.基于状态估计器的船舶动力定位模型预测控制.大连海事大学学报,2015,41(3):24-28)虽然考虑了对不可测状态进行估计，但并未考虑滤波器设计，则由于测量信号中的噪声和船舶高频运动的存在，会使推进器频繁动作而造成不必要的能量消耗及磨损。

发明内容

本发明的目的是为解决以上问题，提供一种基于UKF滤波和约束模型预测控制的船舶动力定位控制方法，将无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filtering，UKF)和MPC控制相结合，通过UKF进行动力定位系统状态估计和滤波设计，以估计出未知状态，并滤除掉高频运动分量和测量噪声，仅将低频运动分量作为控制器的输入设计模型预测控制器，以进一步提高MPC控制器的稳定性和可靠性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

通过位置参考系统和罗经传感器获取船舶的实际船位(x,y)和航向信息Ψ，传送给UKF滤波器；

UKF状态估计滤波器根据接收到的船位和航向信息(x,y,Ψ)，滤除掉测量信息中的噪声信号以及其中的高频振荡成为，得到低频船位和航向估计值并对未测量状态进行状态估计，得出纵向/横向线速度和转首角速度估计值并将状态估计信息传送给MPC控制器；

MPC控制器将接收到的UKF状态估计滤波值作为预测未来动态的初始条件，通过预测模型预测未来动态，与设定船位(x_d,y_d,ψ_d)相比较，在线考虑系统的推力器约束、操作区约束，对目标函数进行最优求解，产生最优控制指令(X,Y,N)传送给被控的动力定位船舶，从而控制船舶保持在设定船位和航向。