[发明专利]船舶运动控制系统的Kalman三自由度解耦滤波方法

说明书

本发明属于船舶运动控制技术领域，具体涉及一种船舶运动控制系统的Kalman三自由度解耦滤波方法。本发明利用DP控制系统获取的传感器测量信息和连续型Kalman滤波算法，根据DP船舶的船舶模型和海洋环境参数，设计了Kalman三自由度解耦滤波方法，对船舶的运动信息进行重组和计算，实现位置及航向信息的滤波，并估计出DP船舶的实际位置、航向及一阶波浪力干扰力。通过仿真实现，证明本发明滤波效果明显，有效地消除了一阶波浪力的干扰。本发明对于DP船舶的运动控制滤波来说具有重要的研究意义和工程价值，有利于降低船舶运动控制器的设计难度，减少推进系统的无效推力输出及旋转。

技术领域

本发明属于船舶运动控制技术领域，具体涉及一种船舶运动控制系统的Kalman三自由度解耦滤波方法。

背景技术

当今全球各国的经济正在高速的发展中，各国对能源的消耗也在与日俱增，众多科学家早已将目光投向具有丰富自然矿藏资源的海洋领域。面对海洋环境的复杂多变，必须使得船舶拥有先进的控制系统，因此一个新的系泊方式—动力定位系统诞生了。动力定位系统可以使船舶在深水海域以及复杂环境海域下保持自身位置的恒定以及运动航迹的稳定，同时可以迅速进入以及离开工程地点。

DP船舶在海洋中运动时，周围海洋环境的扰动会明显地影响船舶的运动与控制，而且扰动具有较强的波动性和随机性，其对于研究船舶的运动以及响应特性来说，会产生一定的干扰。船舶运动过程中，主要影响船舶运动的环境因素有风、浪、流，其中海浪导致引起产生的一阶波浪力会导致船舶发生高频运动，并且这种运动是均值为零的往复运动，船舶不应抵抗的运动，如果船舶抵抗响应这种高频运动就会引起很多不必要的控制，进而使得船舶的推进系统会不断的响应这种高频运动，加速推进系统的磨损老化，消耗过多的能量。

如果在DP控制系统中加入了合适的滤波器，滤波器能将位置及航向信号中的的高频运动滤除并估计，同时保留低频信号，并估计船舶的实际位置，从而计算出测量系统中的高斯白噪声，使船舶仅仅响应低频运动的扰动，必然会提升系统的控制以响应能力，同时减少不必要的推力输出和推进器回转，提升动力定位系统的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供实现船舶的高精度运动滤波控制的一种船舶运动控制系统的Kalman三自由度解耦滤波方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：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；