[发明专利]一种船舶动力定位卡尔曼滤波方法

摘要

本发明涉及动力定位控制领域，具体涉及一种船舶动力定位系统中的滤波方法。本发明包括如下步骤：（1）测量船舶的位置和加速度，并将数据转化到统一的坐标系下；（2）建立包含高频加速度的船舶模型；（3）建立可以对位置、速度、加速度进行估计的卡尔曼滤波器；（4）基于测量的船舶位置和加速度，利用卡尔曼滤波器滤掉高频干扰并得到船舶动力定位系统需要的低频船舶位置速度和加速度将数据发送给动力定位系统。该方法可以估计出船舶所需要的船舶低频位置速度和加速度这样通过对位置和加速度进行综合滤波估计可以获得更加精确的船舶位置、速度和加速度信息。

主权项

1.一种船舶动力定位卡尔曼滤波方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）测量船舶的位置和加速度，并将数据转化到统一的坐标系下；（2）建立包含高频加速度的船舶模型ξ·=Apwξ+Epww1a·=Aawa+Eaww2η·p=vMv·+Dv=bp+τ+w3bp=w4ηw=Cpwξy1=ηp+ηw+v1y2=γv·+Cawa,]]>其中η_p是与北东坐标系的平行坐标系下的船舶低频位置，η_w为平行坐标下高频作用引起的船舶位置，v为船舶速度，y₁和y₂为船舶观测位置和观测加速度，映射矩阵γ=100010;]]>R(ψ)为旋转矩阵，R(ψ)=cosψ-sinψ0sinψcosψ0001,]]>ψ为船舶艏向角；τ是控制器输入向量；偏差是平行坐标系下未建模的环境力和力矩；i＝1,2,3,4是模型零均值高斯白噪声向量，是零均值高斯白噪声测量向量；ξ为在纵荡、横荡和艏摇3个自由度上的高频作用产生的位置和速度向量；式中为高频作用下的横向、纵向线加速度和横摇、纵摇角加速度；质量矩阵M和阻尼矩阵D定义如下：M=m-Xu·000m-Yv·mxG-Yr·0mxG-Nv·Iz-Nr·,]]>D=-Xu000-Yv-Yr0-Nv-Nr]]>其中X_u，Y_v，Y_r，N_v，N_r，I_z为水动力参数，m为刚体质量，x_G为刚体重心在x方向的坐标；为高频位置系统矩阵，为高频加速度系统矩阵、为位置和加速度的转换矩阵，具体形式如下：Ajw=0I-Ωj-Λj,]]>Ejw=0nyj×nyjInyj×nyj,]]>Cjw=0nyj×nyjInyj×nyj,]]>j＝p,a，其中Ωj=diag(ωj,12,···ωj,nyj2),]]>Λj=diag(2ζj,1ωj,1,···2ζj,nyiωj,nyj),]]>n_yp＝3，n_ya＝2；为海浪峰值频率；为相对阻尼系数；（3）建立可以对位置、速度、加速度进行估计的卡尔曼滤波器：z^·=Az^+Bu+PCTR-1(y-Cz^)P·=AP+PAT+GQGT-PCTR-1CP]]>其中状态矩阵P为最优估计方差矩阵，Q(t)＝Q^T(t)＞0是模型白噪声向量的协方差矩阵，R(t)＝R^T(t)＞0是测量噪声的协方差矩阵；其它系统矩阵如下：A=Apw064063063063046Aaw043043043036034033033I33036034033033033036034033M-1-M-1D,]]>B=063043033033M-1,]]>G=Epw064063063043Eaw043043033034I33033033034033M-1,]]>C=Cpw034I33033033033Caw033M-1M-1D]]>（4）基于测量的船舶位置和加速度，利用卡尔曼滤波器滤掉高频干扰并得到船舶动力定位系统需要的低频船舶位置速度和加速度将数据发送给动力定位系统。