[发明专利]船舶运动控制系统的Kalman三自由度解耦滤波方法

权利要求书

1.一种船舶运动控制系统的Kalman三自由度解耦滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：依据DP船舶的船舶模型获取无因次质量矩阵M和阻尼矩阵D；

步骤2：依据DP船舶在港口不运动时获取的数据记录的样本协方差，获取测量噪声协方差矩阵R；

其中，表示第i个传感器的测量噪声的协方差，通过船舶在港口不运动时获取的数据记录的样本协方差来估计；

步骤3：设定具有正可调参数的对角线的状态噪声协方差Q；

步骤4：设置误差协方差矩阵的初始值为P₀＝I_15×15，通过DP船舶实际位置确定初始位置x₀；

步骤5：依据海浪强度的参数、阻尼系数、主导海浪频率及船舶输出推力矩计算确定偏差矩阵b、矩阵E和矩阵A；

其中：

I_3×3为3阶单位矩阵；

步骤6：依据DP船舶需要滤除一阶波浪力干扰的要求，确定矩阵H；

H＝[C_ω I_3×3 0_3×3 0_3×3]

C_ω＝[0_3×3 I_3×3]

步骤7：依据连续型Kalman滤波方法求解总的Kalman增益，并进行解耦获得单自由度Kalman增益；

步骤8：将单自由度的Kalman增益与对应的单自由度相乘，获得相应的过程噪声向量；

步骤9：依据矩阵A、DP船舶动力学模型和过程噪声向量，重组船舶的运动结构，获取船舶的估计运动位置和一阶波浪力干扰；

步骤10：将传感器测量的DP船舶运动位置与估计运动位置和一阶波浪力干扰之积相减，获得每个自由度的等待与下一次的单自由度的Kalman增益相乘；

步骤11：依据每一时刻DP船舶的输出推力和传感器测量的船舶位置信息，使用连续型Kalman滤波算法迭代计算相关矩阵，确定Kalman增益，重组船舶运动结构，获得船舶的估计运动位置和一阶波浪力；在连续型Kalman滤波器中，状态估计迭代式和误差协方差迭代式如下：

初始条件：P(0)＝P₀；

其中，y为传感器测量出的纵荡、横荡位置及航向角；x为状态变量，η为在北东坐标系下DP船舶三自由度向量，η＝[N E ψ]^T，分别表示纵荡、横荡和艏摇；R(ψ)为转换矩阵，具体为：

v为船体坐标系下的速度向量，v＝[u v r]^T；b_P＝R^T(ψ)b。