本發(fā)明屬于船舶操縱與控制領(lǐng)域，特別涉及該領(lǐng)域中的一種基于海浪峰值頻率的船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)是一種典型的抗干擾控制系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是以較少的執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作和能量消耗控制船舶的位置和航向保持在設(shè)定位置。動(dòng)力定位船舶在海洋環(huán)境中由于受到風(fēng)、浪、流的干擾其位置和航向角會(huì)偏離設(shè)定值，其中一階波浪干擾力和力矩引起的船舶運(yùn)動(dòng)為高頻運(yùn)動(dòng)。船舶高頻運(yùn)動(dòng)難以通過(guò)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，同時(shí)還會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的過(guò)度磨損和能量消耗。傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力定位濾波器技術(shù)通常采用卡爾曼濾波器設(shè)計(jì)方法，該方法對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)模型精度要求高，且濾波器增益受海洋干擾環(huán)境變化影響大，這增加了濾波器的設(shè)計(jì)難度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種基于海浪干擾峰值頻率的船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計(jì)方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
一種船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計(jì)方法，其改進(jìn)之處在于，包括如下步驟：
s1：船舶運(yùn)動(dòng)模型建立
根據(jù)船舶排水量m，以及水池試驗(yàn)或者水動(dòng)力數(shù)值分析獲得的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)
其中，η＝[neψ]t為固定坐標(biāo)系下東向位置，北向位置和航向角，為低頻位置信息，ν＝[uvr]t為船體平行坐標(biāo)系下縱蕩速度，橫蕩速度和航向角速度，bp＝[b1b2b3]t為船體平行坐標(biāo)系下縱蕩、橫蕩和航向運(yùn)動(dòng)未建模低頻信號(hào)，τ為船體平行坐標(biāo)下控制力和控制力矩，τwind和τwave為船體平行坐標(biāo)系下風(fēng)和流干擾力和干擾力矩，m和d為船舶運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)，其中：
s2：非線性濾波器設(shè)計(jì)模型
根據(jù)海浪譜密度特性構(gòu)建地坐標(biāo)系下一階波浪力引起的船舶東向位置、北向位置和航向角高頻運(yùn)動(dòng)模型，其中每個(gè)自由度均采用二階成型濾波器進(jìn)行建模，具體結(jié)構(gòu)如下：
其中，ξ＝[ξxξyξψxwywψw]t，其中ξx、ξy、ξψ為輔助變量，xw、yw、ψw為一階波浪引起的東向位置、北向位置和航向角，ω1＝[ωxωyωψ]t，ωx、ωy、ωψ為白噪聲信號(hào)；
結(jié)合式(1)所示動(dòng)力定位船舶運(yùn)動(dòng)模型和式(5)所示高頻運(yùn)動(dòng)模型，建立動(dòng)力定位船舶非線性濾波器設(shè)計(jì)模型如下：
其中，ω2、ω3為白噪聲信號(hào)，分別代表低頻干擾未建模項(xiàng)和船舶運(yùn)動(dòng)模型未建模項(xiàng)，vm為傳感器測(cè)量噪聲；
s3：非線性濾波器設(shè)計(jì)
根據(jù)式(6)給出的船舶動(dòng)力定位觀測(cè)器設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)非線性濾波器結(jié)構(gòu)如下：
其中，
s4：濾波器增益選擇
根據(jù)式(7)所示各變量維數(shù)，非線性濾波器增益為：
其中，
k2＝diag(k21,k22,k23)(9)
其中，k2i＝ωci為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)截止頻率；
k3＝diag(k31,k32,k33)(10)
k4＝diag(k41,k42,k43)(11)
其中，
本發(fā)明的有益效果是：
本發(fā)明所公開的船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計(jì)方法，對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)模型精度要求低，同時(shí)可以根據(jù)浪級(jí)和浪向?qū)崟r(shí)調(diào)整濾波器參數(shù)，以適應(yīng)海況的變化。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例1設(shè)計(jì)的濾波器與海浪干擾分別對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實(shí)施例1，本實(shí)施例公開了一種船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)非線性濾波器設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：
s1：船舶運(yùn)動(dòng)模型建立
根據(jù)船舶排水量m，以及水池試驗(yàn)或者水動(dòng)力數(shù)值分析獲得的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)
其中，η＝[neψ]t為固定坐標(biāo)系下東向位置，北向位置和航向角，為低頻位置信息，ν＝[uvr]t為船體平行坐標(biāo)系下縱蕩速度，橫蕩速度和航向角速度，bp＝[b1b2b3]t為船體平行坐標(biāo)系下縱蕩、橫蕩和航向運(yùn)動(dòng)未建模低頻信號(hào)，τ為船體平行坐標(biāo)下控制力和控制力矩，τwind和τwave為船體平行坐標(biāo)系下風(fēng)和流干擾力和干擾力矩，m和d為船舶運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)，其中：
s2：非線性濾波器設(shè)計(jì)模型
一階波浪力和力矩引起的船舶高頻運(yùn)動(dòng)為船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)濾波的主要對(duì)象，為設(shè)計(jì)相應(yīng)濾波器在濾除船舶高頻運(yùn)動(dòng)對(duì)控制系統(tǒng)影響的同時(shí)觀測(cè)出其它船舶低頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要根據(jù)海浪干擾環(huán)境特點(diǎn)構(gòu)建濾波器設(shè)計(jì)模型。
根據(jù)海浪譜密度特性構(gòu)建地坐標(biāo)系下一階波浪力引起的船舶東向位置、北向位置和航向角高頻運(yùn)動(dòng)模型，其中每個(gè)自由度均采用二階成型濾波器進(jìn)行建模，具體結(jié)構(gòu)如下：
其中，ξ＝[ξxξyξψxwywψw]t，其中ξx、ξy、ξψ為輔助變量，xw、yw、ψw為一階波浪引起的東向位置、北向位置和航向角，ω1＝[ωxωyωψ]t，ωx、ωy、ωψ為白噪聲信號(hào)；
結(jié)合式(1)所示動(dòng)力定位船舶運(yùn)動(dòng)模型和式(5)所示高頻運(yùn)動(dòng)模型，建立動(dòng)力定位船舶非線性濾波器設(shè)計(jì)模型如下：
其中，ω2、ω3為白噪聲信號(hào)，分別代表低頻干擾未建模項(xiàng)和船舶運(yùn)動(dòng)模型未建模項(xiàng)，vm為傳感器測(cè)量噪聲；
s3：非線性濾波器設(shè)計(jì)
根據(jù)式(6)給出的船舶動(dòng)力定位觀測(cè)器設(shè)計(jì)模型設(shè)計(jì)非線性濾波器結(jié)構(gòu)如下：
其中，
s4：濾波器增益選擇
根據(jù)式(7)所示各變量維數(shù)，非線性濾波器增益為：
其中，
k2＝diag(k21,k22,k23)(9)
其中，k2i＝ωci為船舶縱蕩、橫蕩和艏搖運(yùn)動(dòng)截止頻率；
k3＝diag(k31,k32,k33)(10)
k4＝diag(k41,k42,k43)(11)
其中，
本實(shí)施例設(shè)計(jì)的濾波器與海浪干擾分別對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線如圖1所示，其中實(shí)線為濾波器對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線，虛線為海浪干擾對(duì)應(yīng)的幅頻特性曲線。