动态定位系统和方法
【技术领域】
[0001] 本公开设及将使用动态定位值巧系统的船舶所需航向功率最小化的系统和方 法。
【背景技术】
[0002] 已经存在多种解决设及最小化功耗的问题的尝试，其中所述功耗设及针对天气相 关事件的DP船舶的位置和航向控制。一种方案通过估计左艇侧和右艇侧的力并通过最小 化所需的侧向力（即，左艇-右艇方向的推进力）来控制船舶的航向。尽管该方案可提供 比初始路径更理想的航向，但是该方案只能在船舶处于完全DP模式时使用。此外，有可能 最佳的航向控制器在恶劣天气状态下会由于目标航向的变化率增大而不稳定。
【发明内容】
[0003] DP系统本质上是高耗能的，因为DP系统抵消由于天气所产生的力。因此，航向控 制和航向稳定性的低效是DP系统特别关注的领域。运些力随着船舶的偏向度（例如，入射 角）而发生显著变化。最佳船舶航向角上即使小的偏移也会导致推进器功率需求的增加。 对于大多数船舶，使船首指向风和/或水流可减少环境力，从而减少对推进器的功率需求。 此外，基于前面所述的设及最小化DP船舶所使用的推进器功率的缺点，需要一种系统和方 法，使得在DP控制器使用环境力的测量值控制航向时允许对DP航向进行调整且用于在恶 劣天气中稳定航向。 此外，在此描述的系统和方法允许在天气条件恶劣时使用操作员指定的数据选择舒适 的航向并自动调整航向增益。
[0004] 高能效DP系统和方法的一个益处是它通过航向控制减少了由于环境条件在船舶 上所感受到的力的大小。该系统和方法被设计为基于船舶上所测量的施加的侧向力而不是 侧向力需求来改变船舶航向。只使用侧向力需求来确定所需的船舶航向可导致船舶消耗不 需要的能量和耗费额外的燃料。 阳0化]本公开中，该系统和方法通过使用观测器系统估计船舶的侧向力，观测器系统可W是一个线性二次估计程序化犯)，也称为Kalman滤波器。向观测器系统提供位置和航向 的测量值。在某些实施例中，观测器系统应用波形滤波器程序除去与波形运动相关的测量 噪声，且从而产生排除了波形运动的位置和速度的估计值。
[0006] 船舶位置、船舶速度和天气力的估计被发送到控制系统，控制系统计算维持船舶 位置和航向的推进需求。对船舶航向的控制保证由于天气所导致的侧向力最小化。
[0007] 在某些实施例中，还向观测器系统提供天气信息。例如，来自一个或多个风速计的 测量被用于估计船舶上的风力并被馈送给观测器W改进其对天气力的估计。
[0008] 在其它实施例中，观测器系统仅接收它用来提供船舶上天气力估计值的天气信 息。
[0009] 在某些实施例中，如果提供给观测器系统的一些或全部测量值缺失，则观测器系 统继续提供船舶上环境力的估计。
[0010] 在其它实施例中，该系统和方法允许根据天气状态对航向增益进行自动调整。当 恶劣天气期间（大风、高流速或大浪）船舶上的天气力大时，有可能航向控制程序将变得不 稳定，导致大的航向振荡。可通过随着天气力的增加降低航向调整程序的响应速度来避免 大的振荡。另一益处是当船舶的方向参数由人工控制，即船舶不处于完全DP模式时，能够 使用该系统和方法。在完全DP模式中，航向轴和横荡轴都在由DP系统完全控制，因为所需 的横荡力驱动航向改变。相反，在此描述的某些实施例中，仅航向轴由DP系统控制。在运 样的实施例中，航向改变由对来自侧向力，即左艇-右艇方向的力的L犯估计驱动。尽管侧 向力影响航向变化，但即使运动的横荡方向由人工控制该方法也可使用。
[0011]另一益处是能够允许对航向进行调整。本公开的系统和方法包括使操作员提供输 入W向DP系统所确定的航向指定偏移的手段。操作员输入可用于选择对船舶乘员来说更 舒适的航向。
[0012] 本系统和方法的又一益处是可应用于非船形的船舶。在本公开中，该系统和方法 可用于受侧向力的任何船舶。 提供了W下技术方案： 1、 一种动态定位系统，包括： 控制器，包括： 处理器讯 其上保存有计算机可执行指令的存储器，当所述指令被处理器执行时，使得所述处理 器执行操作，所述操作包括： 由所述处理器计算： 基于一个或多个横荡环境力的测量值之和的总和值； 基于所述总和值和控制器增益乘积的乘积值； 基于所述乘积值随时间积分的航向偏移角；和 基于初始航向和所述航向偏移角之和的目标航向。 2、 如技术方案1所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所 述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括基于所述目标航向 产生推进器控制信号。 3、 如技术方案1所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所 述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括： 基于操作员偏移角的正切值乘W纵荡环境力的测量值计算横荡力偏移； 基于W下之和计算该总和值： 所述一个或多个横荡环境力的测量值；和 所述横荡力偏移。 4、 如技术方案3所述的动态定位系统，其中所述横荡力偏移基于W下公式计算： AF巧=Fex体曲tan(S) 其中AFpy是横荡力偏移，Fm是纵荡环境力，Kx2y是偏移增益，且5是操作员偏移角。 5、 如技术方案3所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所 述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括： 基于横荡风力系数和纵荡风力系数计算偏移增益；和 基于所述操作员偏移角的所述正切值乘W所述纵荡环境力的测量值，再乘W所述偏移 增益，计算所述横荡力偏移。 6、 如技术方案5所述的动态定位系统，其中所述偏移增益基于W下公式计算：
其中Kx2y是偏移增益，C胃是横荡风力系数，是纵荡风力系数。 7、 如技术方案3所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所 述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括： 基于风速除W纵荡环境力计算乘数值； 确定调整值的值，其中该调整值的值为： 如果所述乘数的绝对值小于1，则等于所述乘数值；或 如果所述乘数的绝对值大于1，则等于1 及 基于所述总和值、所述控制器增益和所述调整值的乘积计算所述乘积值。 8、 如技术方案7所述的动态定位系统，其中所述乘数基于W下公式计算：
其中化）是所述乘数，V。。。是所述风速，Fex是所述纵荡环境力。 9、 如技术方案8所述的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所 述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括当所述风速超过预 定速度时计算所述乘数。 10、 如技术方案8所述的动态定位系统，其中横荡力偏移基于W下公式计算： AF巧=Fex体曲tan(S) 其中AFey是所述横荡力偏移，Fex是所述纵荡环境力，Kx2y是偏移增益，且5是所述操 作员偏移角。 11、 根据技术方案10的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所 述指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括： 基于横荡风力系数和纵荡风力系数计算所述偏移增益。 12、 根据技术方案11的动态定位系统，其中所述偏移增益基于W下公式计算：
其中Kx2y是所述偏移增益，C胃是所述横荡风力系数，是所述纵荡风力系数。 13、 根据技术方案1的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述 指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括： 将所述航向偏移角与界限比较；W及 如果所述航向偏移角大于所述界限则选择所述航向偏移角作为所述界限。 14、 根据1的动态定位系统，所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所 述处理器执行时，使得所述处理器执行操作，所述操作包括： 基于风速除w纵荡环境力计算乘数值； 确定调整值的值，其中所述调整值的值为： 如果所述乘数的绝对值小于1，则等于所述乘数值；或 如果所述乘数的绝对值大于1，则等于1及 基于所述总和值、所述控制器增益和所述调整值的乘积计算所述乘积值。 15、 根据技术方案14的动态定位系统，其中所述乘数基于W下公式计算：
其中（K)是所述乘数，V。。。是所述风速，Fex是所述纵荡环境力。 16、 根据技术方案1的动态定位系统，包括被配置为测量天气状态数据的测量系统， 所述存储器上保存有计算机可执行指令，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述处理 器执行操作，所述操作包括基于所述天气状态数据计算所述一个或多个横荡环境力的测量 值。 17、 根据技术方案16的动态定位系统，其中所述天气状态数据包括风的速度和方向。 18、 根据技术方案1的动态定位系统，包括推进器系统。 19、 根据技术方案18的动态定位系统，所述推进器系统包括隧道式推进器、方位推进 器、方向舱、螺旋奖、喷水式喷射器和摆线型螺旋奖中的至少一个。 20、 一种用于动态定位系统的控制器，包括： 处理器讯 其上保存有计算机可执行指令的存储器，在所述指令被所述处理器执行时，使得所述 处理器执行操作，所述操作包括： 由所述处理器计算： 基于一个或多个横荡环境力的测量值之和的总和值； 基于所述总和值和控制器增益的乘积的乘积值； 基于所述乘积值随时间积分的航向偏移角；和 基于初始航向和所述航向偏移角之和的目标航向。
[0013] 下面将参考附图详细地描述本公开的进一步特征和优点，W及本公开各种实施例 的结构和操作。注意本公开并不局限于在此描述的特定实施例。运些实施例在此提出仅仅 是出