船舶動(dòng)力定位技術(shù)簡述

船舶動(dòng)力定位技術(shù)簡述船舶動(dòng)力定位技術(shù)簡介動(dòng)力定位技術(shù)背景隨著船舶作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜化，動(dòng)力定位技術(shù)逐漸成為船舶自動(dòng)化控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，國際上主要的動(dòng)力定位系統(tǒng)制造商有Kongsberg公司、Converteam公司、Nautronix公司等。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)是指動(dòng)力定位系統(tǒng)的位置參考系統(tǒng)和傳感器。位置參考系統(tǒng)主要采用DGPS，水聲位置參考系統(tǒng)主要選擇超短基線或長基線聲吶，微波位置參考系統(tǒng)可選擇ArtemisMk4，張緊索位置參考系統(tǒng)可選擇LTWMk，激光位置參考系統(tǒng)可選擇FanbeamMk4，雷達(dá)位置參考系統(tǒng)可選擇RADius500X。羅經(jīng)、風(fēng)傳感器、運(yùn)動(dòng)參考單元等同樣選擇各專業(yè)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品?？刂萍夹g(shù)動(dòng)力定位系統(tǒng)的第一代產(chǎn)品采用經(jīng)典控制理論來設(shè)計(jì)控制器，通常采用常規(guī)的PID控制規(guī)律。第二代動(dòng)力定位控制方法是以現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)的控制技術(shù)-最優(yōu)控制和卡爾曼濾波理論相結(jié)合。近年來出現(xiàn)的第三代動(dòng)力定位系統(tǒng)采用了智能控制理論和方法，使動(dòng)力定位控制進(jìn)一步向智能化的方向發(fā)展。智能控制方法主要體現(xiàn)在魯棒控制、模糊控制、非線性模型預(yù)測(cè)控制等方面。2001年5月份，挪威的KongsbergSimrad公司推出了一項(xiàng)新產(chǎn)品—綠色動(dòng)力定位系統(tǒng)(GreenDP)，將非線性模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)成功地引入到動(dòng)力定位系統(tǒng)中。GreenDP控制器由環(huán)境補(bǔ)償器和模型預(yù)測(cè)控制器組成。環(huán)境補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)是為了提供一個(gè)緩慢變化的推力指令來補(bǔ)償一般的環(huán)境作用力。模型預(yù)測(cè)控制器是通過不斷求解一個(gè)精確的船舶非線性動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，用以預(yù)測(cè)船舶的預(yù)期行為。模型預(yù)測(cè)控制算法的計(jì)算比一般用于動(dòng)力定位傳統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)更加復(fù)雜且更為耗時(shí)，主要有三個(gè)步驟:1.從非線性船舶模型預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng);2.尋找階躍響應(yīng)曲線;3.求解最佳推力?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖所示:在20世紀(jì)80年代初期，荷蘭的Marin確定了推進(jìn)器和動(dòng)力定位的研究計(jì)劃，并進(jìn)行了動(dòng)力定位的模型實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)包括推進(jìn)器和推進(jìn)器之間的相互作用、推進(jìn)器和船體之間的相互作用以及環(huán)境力和船舶的低頻運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容。研究結(jié)果產(chǎn)生了應(yīng)用于動(dòng)力定位的模擬程序RUNSIM，包括模擬實(shí)驗(yàn)的程序DPCON和理論模型計(jì)算的程序DPSIM。此外，Marin還開展了聯(lián)合使用動(dòng)力定位系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)、擴(kuò)展動(dòng)力定位系統(tǒng)在航跡控制方面的應(yīng)用、性能評(píng)估和功率需求估算等工作。Marin在動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究方面已經(jīng)處于世界前沿。在20世紀(jì)90年代，挪威進(jìn)行了動(dòng)力定位方面的實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)放在控制理論和控制方法上。他們采用狀態(tài)反饋和輸出反饋兩種形式，設(shè)計(jì)不同的狀態(tài)觀測(cè)器來觀測(cè)速度和干擾，并以此代替卡爾曼濾波。在比例為1:70的船模實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了定位的效果。由于系統(tǒng)模型的不精確性和所受環(huán)境力的擾動(dòng)性對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)穩(wěn)定性有很大的影響，因此H控制理論和魯棒控制越來越受到人們的關(guān)注。日本的九州(Kyushu)大學(xué)在1:100的船模實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了控制結(jié)果的有效性。目前，國際上應(yīng)用得較為成熟的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)一般都采用第二代控制方法。然而，基于第三代控制方法(如自適應(yīng)模糊控制、自學(xué)習(xí)模糊控制等)及實(shí)時(shí)測(cè)量和計(jì)算二階波浪慢漂力以提升更高精度的動(dòng)力定位系統(tǒng)研制是一種趨勢(shì)，世界各國都正在加緊研制中。隨著現(xiàn)代船舶自動(dòng)化程度的提高，越來越多的船舶采用了船舶電站功率管理系統(tǒng)，以滿足24小時(shí)無人值守的需要。這種系統(tǒng)可以基于主配電板或機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，Kongsberg公司的DC-C20型機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)中的功率管理系統(tǒng)是以機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)為平臺(tái)的典型代表。Kongsberg公司是世界上最大的動(dòng)力定位系統(tǒng)制造廠商之一。其對(duì)動(dòng)力定位技術(shù)的探索始于1975年，當(dāng)時(shí)由國防部門的一個(gè)工程師小組開展，之后轉(zhuǎn)到了石油部門。經(jīng)過30多年的發(fā)展，Kongsberg公司已經(jīng)研制出了多種動(dòng)力定位系統(tǒng)，包括早期采用KV技術(shù)的Kongsberg500原型系統(tǒng)和基于單片機(jī)系統(tǒng)的SBC系列計(jì)算機(jī)。Kongsberg公司在1500個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制出了KongsbergK-pos系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)將動(dòng)力定位系統(tǒng)的魯棒性、靈活性、功能性與操作的簡易性上升到了一個(gè)新的水平。KongsbergK-Pos具有良好的結(jié)合性和透明性，可以滿足不同經(jīng)濟(jì)和操作需求，同時(shí)具有一系列定制功能來輔助某些特定的操作。Kongsberg的K-pos系統(tǒng)是一種能夠高精度保持船舶位置和航向的系統(tǒng)。在操作中，該系統(tǒng)能夠容忍推進(jìn)器和測(cè)量系統(tǒng)的瞬態(tài)誤差，并且適應(yīng)性擴(kuò)展卡爾曼濾波器能夠估計(jì)船舶的航向、位置和速度，以及來自海流和海浪的干擾。估計(jì)器使用船舶的精確數(shù)學(xué)模型，而卡爾曼濾波技術(shù)使用模型預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)測(cè)量，從而為其提供了良好的濾波質(zhì)量、魯棒性和位置保持特性。KongsbergK-pos系統(tǒng)的基本配置包括SDP11（基本系統(tǒng)）和SDP12（集成系統(tǒng)）、SDP21（基本系統(tǒng)）和SDP22（集成系統(tǒng)）、以及SDP31（基本系統(tǒng)）和SDP32（集成系統(tǒng)）。此外，圖1.9展示了L3公司的NMS6000，而圖1.10則展示了Kongsberg公司動(dòng)力定位系統(tǒng)的發(fā)展。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)最初的應(yīng)用開始于60年代，第一批裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶的排水量僅為450-1000t。這些船舶用于鉆探、敷設(shè)電纜或?qū)λ伦鳂I(yè)進(jìn)行水面支援。第一艘裝有自動(dòng)反饋系統(tǒng)的動(dòng)力定位船是“尤勒卡”號(hào)。1961年，美國殼牌石油公司的鉆井船Eureka號(hào)完成下水，很快自動(dòng)控制推進(jìn)器的設(shè)備就進(jìn)行了裝船，它是由HowardShatto設(shè)計(jì)完成的。這艘船配備了一套最基本類型的模擬式控制系統(tǒng)，并和外部的一個(gè)張緊索參考系統(tǒng)相連。除了主推進(jìn)器外，還在船頭和船尾加裝了易于操縱的5推進(jìn)器，船長為40m，排水量為4.5×10kg。動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)船體的尺寸和形狀并沒有影響，最顯著的標(biāo)志是它裝有多臺(tái)推力器。在世界上早期的動(dòng)力定位船舶中，最成功也最出名的是“格洛馬挑戰(zhàn)者”號(hào)。該船幾乎遍游地球的每一個(gè)海洋，收集水深大于600m處的巖心，為地質(zhì)學(xué)上的發(fā)現(xiàn)尤其是為板塊構(gòu)造理論提供了大量有利的證據(jù)。第二代動(dòng)力定位船舶使用幾乎相同的傳感元件和數(shù)字計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)組成的數(shù)字控制器。位置傳感器從單一型發(fā)展成綜合型，可同時(shí)采用聲學(xué)、張緊索和豎管角三種位置基準(zhǔn)傳感器。最具代表性的第二代動(dòng)力定位船舶是“SEDC0445”號(hào)，采用數(shù)字式控制器，包括一臺(tái)16位的小型計(jì)算機(jī)，具有冗余，可長期不間斷的運(yùn)行。此外，“SEDC0445”號(hào)還裝有多臺(tái)推力裝置，包括11只輔助推進(jìn)器和2只主螺旋槳。第三代動(dòng)力定位系統(tǒng)從80年代初開始形成，主要采用當(dāng)時(shí)剛開始發(fā)展的微處理機(jī)技術(shù)和Mutibus、Vme多總線標(biāo)準(zhǔn)等。典型的有Kongsberg公司的SDP11系列，Navis公司的NavDP4000系列，L3公司的NMS6000系列。這些動(dòng)力定位系統(tǒng)具有開放性的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶位置和航向的高精度保持，廣泛用于海洋工程領(lǐng)域。目前最先進(jìn)的DP可以在2級(jí)流、6級(jí)風(fēng)的海況下實(shí)現(xiàn)0.35m的位置定位精度，0.1?的艏向保持精度和1m的航跡保持精度。第四代船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中典型的有美國NAUTRONlx公司的ASK400O系列、挪威的ADP700系列、法國的DPS90O系列等動(dòng)力定位控制臺(tái)，這些系統(tǒng)采用高性能的微處理機(jī)、圖形發(fā)生器、高速數(shù)據(jù)通道作為系統(tǒng)的控制核心，傳感器也從模擬傳感器逐漸變成數(shù)字傳感器。動(dòng)力定位技術(shù)在20世紀(jì)60年代初期產(chǎn)生，目前已經(jīng)迅速發(fā)展為一項(xiàng)高新而成熟的技術(shù)。1980年，具有動(dòng)力定位能力的船舶數(shù)量為65艘，到1985年增長到150艘，到2002年其數(shù)量超過了1000艘，目前全世界已有2000多艘具有動(dòng)力定位能力的船舶。動(dòng)力定位技術(shù)在軍事和海洋工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)動(dòng)力定位技術(shù)的發(fā)展相對(duì)較晚，但近年來得到了快速發(fā)展。目前國內(nèi)已有多家企業(yè)生產(chǎn)動(dòng)力定位系統(tǒng)，如中船重工集團(tuán)、中海油、中國船舶重工集團(tuán)公司等。國內(nèi)動(dòng)力定位技術(shù)的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，包括海洋工程、油氣勘探、船舶作業(yè)等領(lǐng)域。1)從七十年代末開始，國內(nèi)就開始研究動(dòng)力定位技術(shù)。然而，大多數(shù)研究單位仍然處于理論研究或?qū)嶒?yàn)研究階段。邊信黔教授在哈爾濱工程大學(xué)率先提出了進(jìn)行動(dòng)力定位技術(shù)研究工作的想法，并成為領(lǐng)航者。2)1996年，邊信黔教授的課題組完成了國內(nèi)第一套裝備實(shí)船的水下動(dòng)力定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在我國的深潛救生艇上運(yùn)行。1997年，他們又完成了國內(nèi)第一套裝備水面船舶的動(dòng)力定位系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于某試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)的ROV工作母船上，這些研究成果使得動(dòng)力定位技術(shù)從理論研究走向?qū)嵱谩?)2000年，邊信黔教授的課題組開發(fā)了水下六自由度動(dòng)力定位技術(shù)，解決了在混濁海水、且有較大海流的條件下進(jìn)行有傾斜的對(duì)口救生的難題，使我國水下動(dòng)力定位技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。5)2003年，邊信黔教授的課題組提出了一種基于改進(jìn)的二值PMC模型的分布式系統(tǒng)級(jí)故障診斷算法，用于松散耦合的船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)分布式體系結(jié)構(gòu)。采用自診斷與互診斷相結(jié)合的方法，給出了分布式診斷算法、圖論模型、診斷內(nèi)容及算法中使用的報(bào)文種類、故障向量。6)2006年，該課題組研究了模型預(yù)測(cè)控制在船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)約束控制中的應(yīng)用，建立了3自由度動(dòng)力定位船舶的數(shù)學(xué)模型，并提出了船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的各種約束。7)2009年，邊信黔教授的課題組基于自抗擾控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了船舶動(dòng)力定位控制器，以應(yīng)對(duì)船舶在海上的定位和作業(yè)受到海洋環(huán)境的擾動(dòng)力影響。該控制器通過非線性觀測(cè)器估計(jì)出船舶運(yùn)動(dòng)速度和系統(tǒng)的總擾動(dòng)，并采用非線性反饋進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的動(dòng)力定位控制。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制器具有很強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性。8)針對(duì)起重船的作業(yè)特點(diǎn)，該課題組在起重船動(dòng)力定位控制器的設(shè)計(jì)中引入了先進(jìn)的模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，提高了其起重船的作業(yè)效率。9)2011年，邊信黔教授的課題組針對(duì)傳統(tǒng)同步構(gòu)圖定位(SLAM)傳感器具有數(shù)據(jù)量大、處理速度慢等問題，提出了一種新的基于多傳感器融合的SLAM算法，具有更快的處理速度和更高的精度。本文介紹了針對(duì)水下無人航行器(UUV)位置估計(jì)精度低、甚至發(fā)散的缺陷，提出了基于多元測(cè)距聲吶(MRS)的水下無人航行器(UUV)結(jié)構(gòu)環(huán)境SFEKF-SLAM(SuboptimalfadingextendedKalmanfilter-SLAM)方法。相比于常用的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的同步構(gòu)圖定位(EKF-SLAM)方法，SFEKF-SLAM方法具有更高的定位精度，能夠構(gòu)建更加精確的港口堤岸地圖。在移動(dòng)機(jī)器人同步定位與地圖構(gòu)建方面，研究者們針對(duì)FastSLAM算法產(chǎn)生的粒子退化及粒子集重采樣問題，提出了基于自適應(yīng)重采樣的FastSLAM算法。該算法重采樣效率更高，魯棒性更好，在機(jī)器人路徑和陸標(biāo)位置的估計(jì)上也具有更高的精度。此外，結(jié)合容積卡爾曼濾波(cubatureKalmanfilter，CKF)原理，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于平方根CKF(squarerootcubatureKalmanfilter，SRCKF)的SLAM算法RCKF-SLAM)，該算法通過移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型和觀測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)和觀測(cè)，并以目標(biāo)狀態(tài)均值和協(xié)方