水面船舶動(dòng)力定位模型的若干關(guān)鍵問(wèn)題研究.pdf

1、隨著人們對(duì)海洋資源的不斷探索和開(kāi)發(fā)，對(duì)海洋裝備的需求不斷增加，而我國(guó)船舶動(dòng)力定位產(chǎn)品整體相對(duì)低端，大多依賴進(jìn)口。目前，動(dòng)力定位產(chǎn)品基本被挪威的Kongsberg Simard公司、法國(guó)的Alstom公司、澳大利亞的Nautronix公司這三大公司壟斷。為提升自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和高端產(chǎn)品的研發(fā)能力，我國(guó)政府把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的首位，力爭(zhēng)造就一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)，大幅度提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。廣東省是中國(guó)海岸線最長(zhǎng)、海疆最廣的省區(qū)。全

2、省海岸線長(zhǎng)達(dá)8500公里，占全國(guó)海岸線的三分之一以上，海洋資源豐富，海洋裝備市場(chǎng)需求量大。因此，研發(fā)海洋自動(dòng)化裝備，打破國(guó)外技術(shù)壟斷迫在眉睫。
　　動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System，DPS)是集導(dǎo)航技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、動(dòng)力技術(shù)、可靠性技術(shù)為一體化的系統(tǒng)。船舶動(dòng)力定位技術(shù)不僅包括在動(dòng)力裝置下進(jìn)行位置、姿態(tài)保持，還包括自動(dòng)導(dǎo)航、航向保持、自動(dòng)停泊、避讓、掉頭轉(zhuǎn)彎等。作為船舶動(dòng)力定位的動(dòng)力提供者，推力系統(tǒng)

3、通常為一個(gè)冗余系統(tǒng)，對(duì)于特定的縱向力、橫向力和回轉(zhuǎn)力矩，存在多解。如何快速、高效地進(jìn)行推力分配，保證推進(jìn)器低能耗和低磨損的工作狀態(tài)是動(dòng)力定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。船舶在航行過(guò)程中，不僅需要克服外界擾動(dòng)（例如風(fēng)、浪、流等）保持一定的航速、航向，有時(shí)還要按照需要改變航向、航跡和速度等。因此控制器就要掌握船舶環(huán)境載荷力數(shù)學(xué)模型和船舶的操縱運(yùn)動(dòng)屬性，實(shí)現(xiàn)船舶的靈活作業(yè)。本文主要研究?jī)?nèi)容歸納下:
　　1.動(dòng)力定位船舶風(fēng)載荷力建模。動(dòng)力定位船舶在

4、一定風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾力下需要具有一定的工作狀態(tài)保持的能力，文中采用模擬風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行船舶風(fēng)載荷約束試驗(yàn)，獲取風(fēng)載荷力和力矩特性。由于實(shí)驗(yàn)條件有限，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平滑性較差，文中對(duì)比其他船舶風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證此風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，并采用支持向量機(jī)回歸算法獲得其360°風(fēng)載荷力數(shù)學(xué)模型。對(duì)于浪、流載荷力數(shù)學(xué)模型本文給出常用的數(shù)學(xué)模型。
　　2.動(dòng)力定位船舶推力分配的研究。針對(duì)動(dòng)力定位船舶冗余推力系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器節(jié)約能耗，降低磨損，文中

5、提出一種快速推力分配策略。此策略不僅考慮到推力限幅、推力禁區(qū)、奇異結(jié)構(gòu)，還可以解決回轉(zhuǎn)型推力進(jìn)器角度變化率問(wèn)題。推力分配算法的定位能力直接影響到船舶在環(huán)境干擾下的位置保持能力以及控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和快速性，文中對(duì)該推力分配算法進(jìn)行了定位能力分析，得到該推力分配算法船舶在全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)下風(fēng)浪中定位能力曲線。
　　3.基于支持向量機(jī)的船模航跡回歸。操縱實(shí)際船舶利用其實(shí)時(shí)航跡曲線建立其操縱運(yùn)動(dòng)方程時(shí)，通常采用全球定位系統(tǒng)(Global P

6、osition System，GPS)進(jìn)行航跡采樣。此時(shí)的航跡一般在精度上可以滿足需求。但是實(shí)船試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，人力耗費(fèi)也比較大，通常是利用其縮尺船模研究其操縱運(yùn)動(dòng)屬性。GPS定位系統(tǒng)受環(huán)境限制，很難保證縮尺船模的定位精度，當(dāng)我們采用其他定位系統(tǒng)時(shí)無(wú)法避免采樣航跡還有大量噪聲信號(hào)，不利于我們辨識(shí)船舶水動(dòng)力模型。本文采用支持向量機(jī)算法進(jìn)行航模航跡去噪。無(wú)論是在處理變異高斯噪聲污染的Mariner輪模航跡上，還是在超聲波定位系統(tǒng)采集的實(shí)際船模

7、航跡上，該方法均取得不錯(cuò)的效果。
　　4.基于自航模試驗(yàn)的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模。通常情況下動(dòng)力定位船舶運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)離不開(kāi)其操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，而且船舶操縱運(yùn)動(dòng)特性已經(jīng)被國(guó)際海事組織列為考核船舶機(jī)動(dòng)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)之一。本文通過(guò)解耦試驗(yàn)分析，基于自航模試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了粘性水動(dòng)力的可辨識(shí)性，進(jìn)行了粘性水動(dòng)力、廣義粘性水動(dòng)力建模和慣性類(lèi)水動(dòng)力參數(shù)辨識(shí)。文中將解耦建模與辨識(shí)建模相結(jié)合應(yīng)用于船模操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并利用建立的模型對(duì)船模速度和航