船舶动力定位系统中的非线性状态估计及推力分配研究

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1、（申请工学博士学位论文）船舶动力定位系统中的非线性状态估计及推力分配研究培养单位：交通学院学科专业：水声工程研究生：李文娟指导老师：吴卫国教授2014年12月万方数据分类号密级UDC学校代码10497学位论文题目船舶动力定位系统中的非线性状态估计及推力分配研究英文StudyofNonlinearStateEstimationandThrustAllocation题目forShipDynamicPositioningSystem研究生姓名李文娟姓名吴卫国职称教授学位指导教师单位名称交通学院邮编430063申请学位级别博士学科专业名称水声工程论文提交日期2014年10月论文答辩日期学位授予单位学位

2、授予日期答辩委员会主席评阅人2014年12月万方数据独创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人承诺所提交的学位论文（含电子学位论文）为答辩后经修改的

3、最终定稿学位论文，并授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。（保密的论文在解密后应遵守此规定）研究生（签名）：导师（签名）：日期：万方数据武汉理工大学博士学位论文摘要随着人类对海洋的开发逐渐普遍，为了保障在复杂多变的海洋环境下海洋工程结构物的安全性，对海洋工程装备及技术提出了新的要求，定位技术就是其中之一。与传统的锚泊定位相比，动力定位因其定位精度高、机动性强且不受水深限制等优点，在海洋开发中倍受青睐。控制系统是动力

4、定位系统的核心部分，其性能的好坏直接影响到定位的精确性、实时性和鲁棒性。本文围绕动力定位控制系统中定位船舶实时状态估计和推力优化分配两个关键问题展开了深入研究，所做的工作和取得的成果主要包括：（1）针对常用的扩展卡尔曼滤波在解决非线性状态估计中存在的局限性，本文将无迹卡尔曼滤波和粒子滤波两种非线性滤波方法引入到船舶动力定位实时状态估计的研究中。大量的仿真结果表明：在滤波精度上，无迹卡尔曼滤波和粒子滤波要明显优于扩展卡尔曼滤波；在实时性上，滤波精度相当的前提下扩展卡尔曼滤波最好，无迹卡尔曼滤波次之，而粒子滤波耗时最长；在工程应用上，无迹卡尔曼滤波能同时满足精度和实时性要求，是当前动力定位系统应用

5、中有前景的一种滤波方法，而粒子滤波在工程应用上还需解决实时性问题。（2）动力定位系统状态估计模型中的过程噪声和量测噪声的统计特性具有未知性和不确定性的特点，针对现有状态估计算法假定过程噪声和量测噪声的统计特性已知且确定的问题，本文引入了Sage-husa算法对动力定位系统状态估计模型中的过程噪声和量测噪声参数进行实时估计，并与无迹卡尔曼滤波结合形成了自适应无迹卡尔曼滤波器。大量的仿真结果表明：自适应无迹卡尔曼滤波器的滤波精度明显优于传统的无迹卡尔曼滤波器。（3）针对现有Sage-husa算法要求过程噪声及量测噪声服从高斯分布且方差均为正定的苛刻条件而限制其应用问题，本文将Sage-husa算法

6、做了推广，解决了动力定位系统滤波模型中过程噪声的方差非负定时的适用性问题。（4）针对常用的推力优化分配算法在待分配的推力产生突变时容易出现分配失败的问题，本文以发挥推进器的最大能力为目标，提出了基于伪逆法的截断和基于多目标优化的截断两种处理方法。仿真结果表明，本文提出的两种方法均能有效地解决因待分配的推力产生突变而导致分配失败的问题。I万方数据武汉理工大学博士学位论文本文的研究将为开发我国具有自主知识产权的动力定位技术打下坚实的理论基础。关键词：动力定位，非线性状态估计，Sage-husa算法，推力分配，伪逆法，多目标优化II万方数据武汉理工大学博士学位论文AbstractInordertog

7、uaranteethesafetyoftheoceanengineeringstructuresunderthecomplexenvironment,thenewtechnologiesandmarineengineeringequipmentrequirementshavebeenputforwardwithhumangraduallyexploitingmarineresources.Posi