CN115686008A - 基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***设计 - Google Patents

基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***设计 Download PDF

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CN115686008A CN202211330354.3A CN202211330354A CN115686008A CN 115686008 A CN115686008 A CN 115686008A CN 202211330354 A CN202211330354 A CN 202211330354A CN 115686008 A CN115686008 A CN 115686008A
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刘彩云
韩旭
陈兴华
佟海艳
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Harbin University of Science and Technology
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Harbin University of Science and Technology
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Abstract

本发明提供的是一种基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***(Dynamic Positioning Assisted Mooring，简称DPAM)设计方法。包括锚泊***(1)、指令滤波控制器(2)、推进器***(3)、位置参考***(4)、传感器***(5)、DPAM船舶(6)、有限时间干扰观测器(7)、显控计算机(8)、导引***(9)、张力传感器(10)等。本发明采用指令滤波反步法设计控制器，避免了对虚拟控制律复杂的求导运算过程，有效的提高了船舶动力定位***的的定位精度。同时，借助非线性有限时间干扰观测器对时变海洋环境干扰做出有限时间估计，存在外界干扰的情况下***能够获得到较好的控制效果。

Description

基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***设计
技术领域
本发明涉及定位控制***技术领域，具体涉及一种基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***。
背景技术
伴随着人类对海洋资源的不断开发，海洋工程的作业区域也逐步向远海地区推进。与此同时，对船只海洋作业的效率、安全性、自动化程度等也提出了更严格的要求。由于海水深度的增加，传统的锚泊定位方式已经不能够满足海上作业需求，因此动力定位技术应运而生。动力定位***可以使海上平台和船只面对海洋环境干扰(风、浪、流)的情况下，仅使用自身推进***来保持期望的位置或运动轨迹。动力定位***不受海水深度的影响，灵活性强、定位精度高，可在多种海况下作业。但动力定位***工作时需要持续消耗燃料，成本相对较高，并且在恶劣海况下单纯的使用动力定位***并不能达到很好的定位效果，因此将锚泊定位与动力定位相结合的一种混合定位方式是当前领域的重要研究方向之一。
中国专利CN105929825A提出了一种基于神经动态模型的船舶动力定位反步控制方法。该专利采用反步法设计动力定位控制***的控制率，通过定义变量误差、设计虚拟控制信号，有效的提高了无人船的控制精度。与该方法不同的是，本发明在考虑外界环境干扰与船舶推进器动态特性的前提下，采用指令滤波反步法设计控制器，避免了对虚拟控制律复杂的求导运算。并将锚泊***、非线性有限时间干扰观测器与所设计的控制器相结合，借助李雅普诺夫理论证明了综合后闭环***的稳定性。
发明内容
1、发明目的：
本发明的目的在于设计一种抗干扰能力好、安全性较强、定位精度高的的基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***。本发明的目的还在于设计一种基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊控制方法。
2、技术方案
本发明的基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***，包括锚泊***(1)、指令滤波控制器(2)、推进器***(3)、位置参考***(4)、传感器***(5)、DPAM船舶(6)、有限时间干扰观测器(7)、显控计算机(8)、导引***(9)、张力传感器(10)等。其特点是：传感器***(5)实时采集DPAM船舶(6)的位置和角度信息，简称位姿信息η，并将采集到的位姿信息先后传递给位置参考***(4)和显控计算机(8)；显控计算机(8)实时显示船舶的实际位姿信号并将期望位姿阶跃信号ηd0传递给导引***(9)；导引***(9)对期望位姿阶跃信号ηd0进行处理，得到连续的期望位姿信息ηd和其一阶、二阶导数
Figure BDA0003913129380000021
并传递给指令滤波控制器(2)；锚泊***(1)的锚缆对DPAM船舶(6)产生锚泊力τm，并通过张力传感器(10)传递给有限时间干扰观测器(7)；有限时间干扰观测器(7)对时变海洋环境干扰进行估计，得到时变海洋环境干扰估计值
Figure BDA0003913129380000022
并传递给指令滤波控制器(2)；指令滤波控制器(2)构造虚拟信号βi和虚拟控制量αi，对期望位姿阶跃信号ηd进行计算得到各跟踪误差ei，构造误差补偿信号θ1，θ2，θ3。并传递给各跟踪误差补偿向量***输出各跟踪误差补偿向量s1，s2，s3；时变海洋环境干扰估计值
Figure BDA0003913129380000023
和虚拟信号βi进行指令滤波控制，得到推进器***(3)的控制指令τc；推进器***(3)根据指令滤波控制器(2)输出的控制指令τc对DPAM船舶(6)进行控制，使船舶运动到期望的位置和艏向。
3、本发明的基于指令滤波反步法的船舶辅助锚泊定位控制方法为：
(1)传感器***(5)实时采集DPAM船舶(6)的位置和角度信息，简称位姿信息η，并将采集到的位姿信息先后传递给位置参考***和(4)显控计算机(8)；
(2)显控计算机(8)实时显示船舶的实际位姿信号并将期望位姿阶跃信号ηd0传递给导引***(9)；
(3)导引***(9)对期望位姿阶跃信号ηd0进行处理，得到连续的期望位姿信息ηd和其一阶、二阶导数
Figure BDA0003913129380000024
并传递给锚泊***(1)和指令滤波控制器(2)；
(4)锚泊***(1)的锚缆对DPAM船舶(6)产生锚泊力τm，并通过张力传感器(10)传递给有限时间干扰观测器(7)；
(5)有限时间干扰观测器(7)对时变海洋环境干扰进行估计，得到时变海洋环境干扰估计值
Figure BDA0003913129380000025
并传递给指令滤波控制器(2)；
(6)指令滤波控制器(2)构造虚拟信号βi和虚拟控制量αi，对期望位姿阶跃信号ηd进行计算得到各跟踪误差ei。构造误差补偿信号θ1，θ2，θ3，并传递给各跟踪误差补偿向量***输出各跟踪误差补偿向量s1，s2，s3；
(7)时变海洋环境干扰估计值
Figure BDA0003913129380000031
和虚拟信号βi进行指令滤波控制，得到推进器***(3)的控制指令τc；
(8)推进器***(3)根据指令滤波控制器(2)输出的控制指令τc对DPAM船舶(6)进行控制，使船舶运动到期望的位置和艏向。
4、本发明可以提高船舶动力定位***的抗干扰性能与定位精度，且安全性较强，在有外界干扰的情况下能够取得较好的控制效果。
附图说明
图1大地坐标系与船体坐标系；
图2辅助锚泊***锚缆布置方式图；
图3***结构图；
具体实施方法
下面结合附图对本发明做更详细的描述。
本发明的基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***，包括锚泊***(1)、指令滤波控制器(2)、推进器***(3)、位置参考***(4)、传感器***(5)、DPAM船舶(6)、有限时间干扰观测器(7)、显控计算机(8)、导引***(9)、张力传感器(10)等。传感器***(5)实时采集DPAM船舶(6)的位置和角度信息，简称位姿信息η，并将采集到的位姿信息先后传递给位置参考***(4)和显控计算机(8)；显控计算机(8)实时显示船舶的实际位姿信号并将期望位姿阶跃信号ηd0传递给导引***(9)；导引***(9)对期望位姿阶跃信号ηd0进行处理，得到连续的期望位姿信息ηd和其一阶、二阶导数
Figure BDA0003913129380000032
并传递给指令滤波控制器(2)；锚泊***(1)的锚缆对DPAM船舶(6)产生锚泊力τm，并通过张力传感器(10)传递给有限时间干扰观测器(7)；有限时间干扰观测器(7)对时变海洋环境干扰进行估计，得到时变海洋环境干扰估计值
Figure BDA0003913129380000033
并传递给指令滤波控制器(2)；指令滤波控制器(2)对期望位姿信息和其一阶、二阶导数ηd,
Figure BDA0003913129380000041
位姿信息估计值及其一阶、二阶导数和时变海洋环境干扰估计值
Figure BDA0003913129380000042
进行指令滤波控制，得到推进器***(3)的控制量τc；推进器***(3)根据指令滤波控制器(2)输出的控制量τc对DPAM船舶(6)进行控制，使船舶运动到期望的位置和艏向。
下面对本发明的基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***做出更详细的说明：
建立图(1)所示的O-XY大地坐标系与Ob-XbYb船体坐标系。考虑到外界环境干扰与船舶推进器动态特性，动力定位***的三自由度数学模型如下
Figure BDA0003913129380000043
Figure BDA0003913129380000044
Figure BDA0003913129380000045
其中η＝[x y ψ]T是大地坐标系下船舶的位置和艏向；υ＝[u v r]T是船体坐标系下船舶的速度向量；τ∈R3是推进***产生的力及力矩；τd∈R3表示由风、流、海浪等作用再船舶上产生的干扰力和力矩组成的向量；τm∈R3表示锚泊***产生的力；矩阵A∈R3×3和B∈R3×3为对角阵，τc∈R3是控制指令；M∈R3×3是惯性质量矩阵；C(v)∈R3×3是科里奥利及向心力矩阵；D(v)∈R3×3是阻尼矩阵；R(ψ)∈R3×3为旋转矩阵，具体表示为：
Figure BDA0003913129380000046
导引***(9)对显控计算机输出的期望位姿阶跃信号ηd0进行处理，得到连续期望位姿信息ηd∈R3×1和其一阶、二阶导数
Figure BDA0003913129380000047
并传递给锚泊***和指令滤波控制器。锚泊***采用如图2所示方式进行布链，锚缆提供的力和力矩可以表示为：
Figure BDA0003913129380000048
Figure BDA0003913129380000049
Figure BDA00039131293800000410
式中，Fi表示第i根锚缆的水平张力；bi是第i根锚缆与大地坐标系下X轴的夹角；(xi,yi)是表示船舶到锚的固定点之间的距离分解在船体坐标系Xb轴和Yb轴上的投影。锚泊***提供的锚泊力可以表示为：
τm＝[τX τY τZ]T
有限时间干扰观测器对时变海洋环境干扰进行估计，其具体形式为：
Figure BDA0003913129380000051
其中
Figure BDA0003913129380000052
和
Figure BDA0003913129380000053
分别为v和τd的估计值，并将
Figure BDA0003913129380000054
设计为如下形式：
Figure BDA0003913129380000055
其中K1∈R3×3和K2∈R3×3为待设计的正定对角观测器增益矩阵；函数sigδ(·)定义为sigσ(·)＝|·|σsign(·)，sign为符号函数，0＜σ＜1；
Figure BDA0003913129380000059
正常数σ1和σ2满足0.5≤σ1＜1和σ2＝2σ1-1。
为了方便对指令滤波控制器进行设计，对船舶模型做出如下变形，令x1＝η，x2＝R(ψ)v，x3＝R(ψ)M-1τ，τd0＝R(ψ)M-1(τd+τm)，
Figure BDA0003913129380000056
则((1))运动数学模型变为：
Figure BDA0003913129380000057
其中
Figure BDA0003913129380000058
定义各跟踪误差为：
e1＝x1-ηd
e2＝x2-α1
e3＝x3-α2
式中ηd是期望位姿和艏向；α1＝[α11,α12,α13]T，α2＝[α21,α22,α23]T是由指令滤波器产生的虚拟控制量。
定义补偿跟踪误差信号为：
s1＝e1-θ1
s2＝e2-θ2
s3＝e3-θ3
其中补偿信号θi(i＝(1),2,3)定义为：
Figure BDA0003913129380000061
Figure BDA0003913129380000062
Figure BDA0003913129380000063
式中L1、L2、L3为正定对角阵数；g1＝1、g2＝1、
Figure BDA0003913129380000064
再通过反步法构造虚拟控制器：
Figure BDA0003913129380000065
Figure BDA0003913129380000066
Figure BDA0003913129380000067
其中，控制律为τc，
Figure BDA0003913129380000068
Figure BDA0003913129380000069
由有限时间干扰观测器得到；α1，
Figure BDA00039131293800000610
和α2，
Figure BDA00039131293800000611
由如下形式滤波器输出：
Figure BDA00039131293800000612
Figure BDA00039131293800000613
其中ζ为滤波器阻尼比，ωn为滤波器频率。

Claims (2)

1.基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***，包括锚泊***(1)、指令滤波控制器(2)、推进器***(3)、位置参考***(4)、传感器***(5)、DPAM船舶(6)、有限时间干扰观测器(7)、显控计算机(8)、导引***(9)、张力传感器(10)等。其特点是：传感器***(5)实时采集DPAM船舶(6)的位置和角度信息，简称位姿信息η，并将采集到的位姿信息先后传递给位置参考***(4)和显控计算机(8)；显控计算机(8)实时显示船舶的实际位姿信号并将期望位姿阶跃信号ηd0传递给导引***(9)；导引***(9)对期望位姿阶跃信号ηd0进行处理，得到连续的期望位姿信息ηd和其一阶、二阶导数
Figure FDA0003913129370000011
并传递给指令滤波控制器(2)；锚泊***(1)的锚缆对DPAM船舶(6)产生锚泊力τm，并通过张力传感器(10)传递给有限时间干扰观测器(7)；有限时间干扰观测器(7)对时变海洋环境干扰进行估计，得到时变海洋环境干扰估计值
Figure FDA0003913129370000012
并传递给指令滤波控制器(2)；指令滤波控制器(2)构造虚拟信号βi和虚拟控制量αi，对期望位姿阶跃信号ηd进行计算得到各跟踪误差ei。构造误差补偿信号θ1，θ2，θ3，并传递给各跟踪误差补偿向量***输出各跟踪误差补偿向量s1，s2，s3；时变海洋环境干扰估计值
Figure FDA0003913129370000013
和虚拟信号βi进行指令滤波控制，得到推进器***(3)的控制指令τc；推进器***(3)根据指令滤波控制器(2)输出的控制指令τc对DPAM船舶(6)进行控制，使船舶运动到期望的位置和艏向。
考虑到外界环境干扰与船舶推进器动态特性，动力定位***的三自由度数学模型如下：
Figure FDA0003913129370000014
Figure FDA0003913129370000015
Figure FDA0003913129370000016
其中η＝[x y ψ]T是大地坐标系下船舶的位置和艏向；υ＝[u v r]T是船体坐标系下船舶的速度向量；τ∈R3是推进***产生的力及力矩；τd∈R3表示由风、流、海浪等作用再船舶上产生的干扰力和力矩组成的向量；τm∈R3表示锚泊***产生的力；矩阵A∈R3×3和B∈R3×3为对角阵，τc∈R3是控制指令；M∈R3×3是惯性质量矩阵；C(v)∈R3×3是科里奥利及向心力矩阵；D(v)∈R3×3是阻尼矩阵；R(ψ)∈R3×3为旋转矩阵，具体表示为：
Figure FDA0003913129370000021
锚泊***锚缆提供的力和力矩可以表示为：
Figure FDA0003913129370000022
Figure FDA0003913129370000023
Figure FDA0003913129370000024
式中，Fi表示第i根锚缆的水平张力；bi是第i根锚缆与大地坐标系下X轴的夹角；(xi,yi)是表示船舶到锚的固定点之间的距离分解在船体坐标系Xb轴和Yb轴上的投影。锚泊***提供的锚泊力可以表示为：
τm＝[τX τY τZ]T
有限时间干扰观测器具体形式为：
Figure FDA0003913129370000025
其中
Figure FDA0003913129370000026
和
Figure FDA0003913129370000027
分别为v和τd的估计值，并将
Figure FDA0003913129370000028
设计为如下形式
Figure FDA0003913129370000029
其中K1∈R3×3和K2∈R3×3为待设计的正定对角观测器增益矩阵；函数sigδ(·)定义为sigσ(·)＝|·|σsign(·)，sign为符号函数，0＜σ＜1；
Figure FDA00039131293700000210
正常数σ1和σ2满足0.5≤σ1＜1和σ2＝2σ1-1。
定义各跟踪误差为：
e1＝x1-ηd
e2＝x2-α1
e3＝x3-α2
式中ηd是期望位姿和艏向；x1＝η，x2＝R(ψ)v，x3＝R(ψ)M-1τ，x3＝R(ψ)M-1τ；α1＝[α11,α12,α13]T，α2＝[α21,α22,α23]T是由指令滤波器产生的虚拟控制量。
定义补偿跟踪误差信号为：
s1＝e1-θ1
s2＝e2-θ2
s3＝e3-θ3
其中补偿信号θi(i＝1,2,3)定义为：
Figure FDA0003913129370000031
Figure FDA0003913129370000032
Figure FDA0003913129370000033
式中L1、L2、L3为正定对角阵数；g1＝1、g2＝1、
Figure FDA0003913129370000034
再通过反步法构造虚拟控制器：
Figure FDA0003913129370000035
Figure FDA0003913129370000036
Figure FDA0003913129370000037
其中，控制律为τc，
Figure FDA0003913129370000038
Figure FDA0003913129370000039
由有限时间干扰观测器得到；α1，
Figure FDA00039131293700000310
和α2，
Figure FDA00039131293700000311
由如下形式滤波器输出：
Figure FDA00039131293700000312
Figure FDA00039131293700000313
其中ζ为滤波器阻尼比，ωn为滤波器频率。
2.一种基于权利要求1所述的基于指令滤波反步法的船舶动力定位辅助锚泊***的控制方法，其特征是：
(1)传感器***(5)实时采集DPAM船舶(6)的位置和角度信息，简称位姿信息η，并将采集到的位姿信息传递给位显控计算机(8)和位置参考***(4)；
(2)显控计算机(8)实时显示船舶的实际位姿信号并将期望位姿阶跃信号ηd0传递给导引***(9)；
(3)导引***(9)对期望位姿阶跃信号ηd0进行处理，得到连续的期望位姿信息ηd和其一阶、二阶导数
Figure FDA0003913129370000041
并传递给锚泊***(1)和指令滤波控制器(2)；
(4)锚泊***(1)的锚缆对DPAM船舶(6)产生锚泊力τm，并通过张力传感器(10)传递给有限时间干扰观测器(7)；
(5)有限时间干扰观测器(7)对时变海洋环境干扰进行估计，得到时变海洋环境干扰估计值
Figure FDA0003913129370000042
并传递给指令滤波控制器(2)；
(6)指令滤波控制器(2)构造虚拟信号βi和虚拟控制量αi，对期望位姿阶跃信号ηd进行计算得到各跟踪误差ei。构造误差补偿信号θ1，θ2，θ3，并传递给各跟踪误差补偿向量***输出各跟踪误差补偿向量s1，s2，s3；
(7)时变海洋环境干扰估计值
Figure FDA0003913129370000043
和虚拟信号βi进行指令滤波控制，得到推进器***(3)的控制指令τc；
(8)推进器***(3)根据指令滤波控制器(2)输出的控制指令τc对DPAM船舶(6)进行控制，使船舶运动到期望的位置和艏向。
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