耙吸挖泥船的船舶运动建模及滤波技术研究

论文摘要

船舶动力定位是指船舶无须借助锚泊系统的作用，而能不断检测出船舶的实际位置和目标位置的偏差，通过控制器计算出船舶克服外界干扰到达或恢复到目标位置所需要的推力和推力矩的大小，然后由推力分配系统使各个推进器做出相应的响应，进而使船舶尽可能的保持在目标位置或轨迹上。对于海洋中作业的耙吸挖泥船而言，动力定位系统的主要目的是实现船舶纵荡、横荡和艏摇三个自由度的控制。耙吸挖泥船在海平面上的运动主要包括低频运动和高频运动两部分。其中，低频运动是由风、流、二阶波浪力、耙头拖力和推进器等相互作用引起的低频漂移，高频运动是因一阶波浪力引起的船舶往复振荡。影响船舶动力定位精度的因素主要来源于船舶的高频往复振荡和测量系统的误差，为了实现精确的动力定位，需要通过滤波器滤除这些干扰因素的影响，准确的估计出船舶的实时位置信息（纵荡方向和横荡方向）和艏摇角度。本文来源于中国交通建设集团2009年度重点科技攻关项目，以耙吸挖泥船为研究对象，通过机理建模法建立了耙吸挖泥船动力定位状态下的船舶运动数学模型，包括船舶低频运动模型、高频运动模型、测量模型、艏喷反推力模型、推进器模型及环境扰动力模型等，并且给出了模型中相关参数如流体动力计算的经验公式。同时，本文又采用了机理建模法和辨识建模法相结合的灰箱建模方法，运用递推最小二乘法辨识出模型中的相关参数，从而提高了建模的精度。建立的船舶运动模型为动力定位系统中控制器和滤波器的设计提供了模型支撑。在动力定位系统滤波器设计方面，本文分析了耙吸挖泥船船舶运动的特点，将动力定位过程中的船舶划分为两种状态：自由航行状态和变吃水作业状态。在自由航行状态下，引入了Sage-Husa自适应滤波算法；变吃水作业状态下，采用了Sage-Husa自适应滤波和强跟踪卡尔曼滤波相结合的改进的自适应滤波算法，很好的解决了动力定位系统中的滤波问题。本文的部分研究成果已经进行过实船试验，在一定程度上获得了成功。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和实用价值
• 1.2 国内外的研究现状及发展趋势
• 1.3 论文的研究内容和研究方法
• 第2章 耙吸挖泥船动力定位系统数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 参考坐标系
• 2.3 船舶运动模型
• 2.3.1 船舶六自由度运动建模
• 2.3.2 船舶平面运动数学模型
• 2.3.3 流体动力的计算
• 2.3.4 艏喷反推力模型
• 2.3.5 推进器模型
• 2.4 耙吸挖泥船动力定位系统的数学模型
• 2.4.1 船舶低频运动数学模型
• 2.4.2 船舶高频运动数学模型
• 2.4.3 测量方程
• 2.5 环境扰动力模型
• 2.5.1 风的模型
• 2.5.2 波浪的模型
• 2.5.3 海流的模型
• 2.5.4 耙臂拖拽力模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 递推最小二乘法在耙吸挖泥船运动建模中的应用
• 3.1 引言
• 3.2 系统辨识基础知识
• 3.2.1 系统辨识的定义
• 3.2.2 系统辨识的基本原理
• 3.2.3 递推最小二乘法
• 3.3 耙吸挖泥船运动模型辨识
• 3.3.1 耙吸挖泥船运动模型辨识的基本思想
• 3.3.2 耙吸挖泥船运动模型辨识的试验设计
• 3.3.3 耙吸挖泥船运动模型辨识试验仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 耙吸挖泥船船舶动力定位滤波技术研究
• 4.1 耙吸挖泥船动力定位船舶运动的特点
• 4.2 船舶动力定位滤波器技术的发展
• 4.3 耙吸挖泥船动力定位的滤波技术
• 4.3.1 卡尔曼滤波理论
• 4.3.2 Sage‐Husa 自适应滤波算法
• 4.3.3 改进的自适应滤波算法
• 4.4 本章小结
• 第5章 耙吸挖泥船动力定位滤波器设计及仿真
• 5.1 耙吸挖泥船动力定位系统概述
• 5.2 耙吸挖泥船动力定位滤波器设计
• 5.2.1 自由航行状态下耙吸挖泥船动力定位滤波器设计
• 5.2.2 变吃水作业状态下耙吸挖泥船动力定位滤波器设计
• 5.3 耙吸挖泥船动力定位滤波器仿真
• 5.3.1 标准卡尔曼滤波器滤波效果仿真
• 5.3.2 自由航行状态下耙吸挖泥船动力定位滤波器仿真
• 5.3.3 变吃水作业状态下耙吸挖泥船动力定位滤波器仿真
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文及科研成果
• 致谢
• 详细摘要