一种动力定位系统外界环境力测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种动力定位系统外界环境力测量方法，包括以下步骤：1)将六面形力传感器盒安装在船舶上，其中力传感器盒前后两个面的力传感器实时测量用于修正来自船舶纵向的环境力的信号，左右两个面的力传感器实时测量用于修正来自船舶横向的环境力的信号；2)将力传感器测量值输入到改进后的船舶低频运动模型中，从而完成整个动力定位系统。与现有技术相比，本发明具有可以在不需要具体的测量风、流、浪等装置的前提下，完成动力定位的目的。
【专利说明】一种动力定位系统外界环境力测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实施动力定位的船舶或者深海油气勘探、开采平台等【技术领域】，尤其 是涉及一种动力定位系统外界环境力测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着人类对油气资源的越加依赖和日益枯竭的陆地油气资源，人类加紧了对海洋 资源的开发，越来越多的浅海油气资源已经被开发，深海油气资源开采成为了各个国家迫 在眉睫的战略方向，因此掌握深海油气开采技术成为了各个国家战略的重中之重。在深海 油气开采的高新技术中，动力定位技术是重要的辅助技术之一。
[0003] 在动力定位领域中，研究者将大多数的研究目光都集中在控制算法的改进中，从 20世纪60年代的运用经典PID (Proportional-Integral-Derivative)控制规律，对船舶 进行实时控制；到20世纪70年代中叶，以现代控制理论为基础的最优控制和Kalman滤 波理论相结合的动力定位控制方法，近些年来又出现了例如鲁棒控制（H?）、模糊控制 (Fuzzy Logic Control)、神经网络控制（Neural Network Control)和非线性模糊预测控 制（Nonlinear Model Predictive Control)等各种智能控制理论和方法，这些控制算法相 继应用于动力定位领域中。然而对于外界环境力的测量装置上却没有进行较大的改进，依 旧是通过位置参考系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等设备来实现对外界环境力测量。通 过这些设备测量出船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件， 然后利用风的模型、流的模型、浪的模型等海洋环境模型；对这些测量值进行数学换算。这 种测量方法不仅增加了动力定位系统在各个具体环境力测量装置上所花费的成本，使得整 个动力定位系统缺乏经济性和灵活性，而且增加了很多换算过程，使得测量系统测量的数 据具有很大的延迟性，增大了测量误差，不利于快速对这些干扰力进行补偿。因此，设计一 种能直接测量出众多外界环境力的综合影响的装置对动力定位系统具有重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种动力定位系统 外界环境力测量方法，解决了现有动力定位技术中对外界环境干扰力测量缺乏经济性，测 量信号存在很大延迟性的技术问题。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 1)将六面形力传感器盒安装在船舶上，其中力传感器盒前后两个面的力传感器实 时测量用于修正来自船舶纵向的环境力的信号，左右两个面的力传感器实时测量用于修正 来自船舶横向的环境力的信号；
[0008] 2)将力传感器测量值输入到改进后的船舶低频运动模型中，从而完成整个动力定 位系统。
[0009] 所述的力传感器盒为正方体盒，其前后左右四面均设有力传感器，过船舶的重心 点作沿重力方向的垂线与船舶底部相交于一点，并将此交点通过内嵌数据线的刚体与力传 感器盒的重心进行连接，所述的刚体与力传感器盒的上表面相交于上表面中点。
[0010] 所述的力传感器盒测量信号具体如下：
[0011]当外界环境干扰力作用在实行动力定位的船舶时，船舶会发生纵向、横向的偏移 以及艏摇的旋转，由于力传感器盒与船舶通过刚体连接，当实施动力定位的船舶受外界环 境力作用发生偏移时，力传感器盒和船舶会发生相同的偏移；
[0012] 力传感器盒和船舶具有相同的加速度，通过建立如下测量数学模型，包括船舶处 于静止状态和运动状态；
[0013] 设力传感器盒在静止状态下各表面受到的水的压力值为w ;船舶的质量为Μ ;力传 感器盒的质量为m，船艏方向为正方向；
[0014] (a)实行动力定位的船舶处于静止状态
[0015] 假设船舶受到随机的外界环境力的作用，力传感器盒前、后、左、右侧传感器的测 量值大小为fi，其中i = 1、2、3、4 ;船舶所受到来自后、前、右、左侧外界环境力为Fi，其中 i = 1、2、3、4;船舶的推进器由两部分组成，分别是安装在尾部的全回转主推力器以及安装 在船舶底部力传感器盒与船舶连接点两侧的辅助推进器，根据牛顿运动定律可得：
[0016]
【权利要求】
1. 一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 将六面形力传感器盒安装在船舶上，其中力传感器盒前后两个面的力传感器实时测 量用于修正来自船舶纵向的环境力的信号，左右两个面的力传感器实时测量用于修正来自 船舶横向的环境力的信号； 2) 将力传感器测量值输入到改进后的船舶低频运动模型中，从而完成整个动力定位系 统。
2. 根据权利要求1所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，所述 的力传感器盒为正方体盒，其前后左右四面均设有力传感器，过船舶的重心点作沿重力方 向的垂线与船舶底部相交于一点，并将此交点通过内嵌数据线的刚体与力传感器盒的重心 进行连接，所述的刚体与力传感器盒的上表面相交于上表面中点。
3. 根据权利要求2所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，所述 的力传感器盒测量信号具体如下： 当外界环境干扰力作用在实行动力定位的船舶时，船舶会发生纵向、横向的偏移以及 艏摇的旋转，由于力传感器盒与船舶通过刚体连接，当实施动力定位的船舶受外界环境力 作用发生偏移时，力传感器盒和船舶会发生相同的偏移； 力传感器盒和船舶具有相同的加速度，通过建立如下测量数学模型，包括船舶处于静 止状态和运动状态； 设力传感器盒在静止状态下各表面受到的水的压力值为w ;船舶的质量为Μ ;力传感器 盒的质量为m，船艏方向为正方向； (a) 实行动力定位的船舶处于静止状态 假设船舶受到随机的外界环境力的作用，力传感器盒前、后、左、右侧传感器的测量值 大小为其中i = 1、2、3、4 ;船舶所受到来自后、前、右、左侧外界环境力为Fp其中i = 1、 2、3、4;船舶的推进器由两部分组成，分别是安装在尾部的全回转主推力器以及安装在船舶 底部力传感器盒与船舶连接点两侧的辅助推进器，根据牛顿运动定律可得：
为了实现动力定位的目的，船舶推力系统通过纵向主推力器施加的推力Fz_trai和横向 辅助推力器给船舶施加推力FH_taq进行修正；
(b) 实行动力定位的船舶处于运动状态 设运动的船舶在不受外界环境干扰力作用，仅受到推力匕的作用，其中i = 1、2、3、4， i = 1代表仅受到向前推力Fi作用，i = 2代表仅受到向后推力F2作用，i = 3代表仅受到 向左推力F3作用，i = 4代表仅受到向右推力F4作用；力传感器盒的前侧、后侧、左侧、右侧 力传感器测量值为fi，其中i = 1、2、3、4,船舶拥有安装在尾部的全回转主推力器以及安装 在船舶底部力传感器盒与船舶连接点两侧的辅助推进器，由受力分析可得：
当船舶受到外界环境力作用时，力传感器所测的值将会发生变化，假设前侧、后侧、左 侦I右侧传感器的实时测量值为
其中i = 1、2、3、4,前侧、后侧、左侧、右侧传感器受到 外界环境力作用值得大小为
其中i = 1、2、3、4 ;由受力分析可得：
为了实现动力定位的目的，船舶推力系统通过主推力器或辅助推力器给船舶前侧、后 侦I左侧、右侧施加的推力
其中i = 1、2、3、4,计算如下：
4. 根据权利要求3所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，由于 外界环境干扰力的随机性，当干扰力的方向与船舶的纵向存在夹角时，此时实施动力定位 的船舶会发生艏摇，力传感器盒的多个面会同时受到力的作用，此时主推力器和辅助推力 器会同时工作，从而来抵消艏摇对船舶动力定位造成的影响。
5. 根据权利要求3所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，所述 的改进后的船舶低频运动模型具体如下： 对于水面动力定位的船舶，由于其运动速度比较慢，所以其低频运动模型简化为：
其中，v表示随船坐标系0-ΧΥΖ下的速度向量v = [u, v, r]T ;
表示随船坐标系0-ΧΥΖ 下的加速度向量；τΤΗΚ代表推进器推力；τΕΝν代表环境扰动力；Μ代表惯性量矩阵，满足矩 阵正定要求Μ = ΜΤ > 0 ;D代表水动力阻尼矩阵，满足矩阵正定，M、D结构如下
式中m为船舶质量，IzSZ轴转动惯量，
为流体动力在三个自由度上引起 的附加质量，均定为负数；
为横荡和艏摇间耦合所引起的附加质量；
为横荡和艏摇间耦 合所引起的附加质量；
为艏摇和横荡间耦合所引起的附加质量；Xe为重心G在船体坐标 系统下X轴方向上的位置向量； 线性船舶低频运动状态空间模型，其状态空间形式表示如下：
式中： xk，yk，
为低频运动三自由度上位移与艏摇角向量； τ k，vk，Y k为低频运动三自由度上速度与艏摇角向量； Vk为三维零均值高斯白噪声； ?k为三维建模扰动变量，本系统为力传感器的测量值和艏摇角； Uk为船舶推进器输出力；
为表不关于纵荡、横荡方向的速度向量、艏摇角向量和三自由度上的加速度与艏摇 角加速度向量；
经过改进后的船舶低频运动模型如下：
式中： Xk，yk，
为低频运动三自由度上位移与艏摇角向量； τ k，vk，Y k为低频运动三自由度上速度与艏摇角向量； vk为三维零均值高斯白噪声； fm为力传感器实时测量值； Μ为实行动力定位船舶的质量； m为力传感器盒的质量； w为力传感器盒在未受外界力作用下，水对力传感器盒各个面的压力值； uk为三维推力器推力输出；
为表不关于纵荡、横荡方向的速度向量、艏摇角向量和三自由度上的加速度与艏摇 角加速度向量。
【文档编号】G05B13/04GK104155043SQ201410386581
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】张卫东, 孙志坚, 杨博 申请人:上海交通大学