卡尔曼滤波在海洋平台动力定位系统中的应用

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1、2013年9月25日第30卷第5期通毪电．潦技术TelecomPowerTechnologySep．25，2013，V01．30No．5文章编号：1009—3664(2013)05—0025-03卡尔曼滤波在海洋平台动力定位系统中的应用周一苇，黄建忠，冯龙(上海海事大学物流工程学院，上海201306)摘要：介绍了卡尔曼滤波器在动力定位系统中的应用。通过建立相应的线性数学模型，再根据运动模型设计卡尔曼状态观测器，利用卡尔曼滤波方法估计船舶位置和艏向低频运动，同时剔除来自位置和艏向传感器中的高频运动分量和噪声。从测量信号中分离出高频信号和低频信号，完成了对船舶

2、控制所需的低频信号的滤波。仿真结果表明卡尔曼滤波器具有较好的滤波效果。关键词：船舶动力定位系统；高频运动；低频运动；卡尔曼滤波器中图分类号：TM50文献标识码：AApplicationofKalmanFilterintheOceanPlatformofDynamicPositioningSystemZHOUYi-wei，HUANGJian-zhong，FENGLong(LogisticsEngineering，ShanghaiMaritimeUniversity，Shanghai201306，China)Abstract：Thispaperpresente

3、dtheapplicationofKalmanfilterinthedynamicpositioningsystem．Alongwiththeas—tablishentofarelevantlinearmathematicalmodel，thepapardesignedaKalmanstateobservertoestimatethelowpartofshipmovementandheading，andtofilteroutthehighfrequencymovementcomponentandnoise，thenseparatedthehighfrequ

4、encyandlowfrequencysignalsfrommeasuringsignal．Thesimulationresultsshowedthatthesystemhasthegoodfil—tereffect．Keywords：shipdynamicpositioningsystem；highfrequency；noise；Kalmanfilter0引言国际船舶市场持续低迷，重工造船企业纷纷向海工装备产业转型，海工装备市场迎来了空前的发展机遇。由于钻井作业的要求，浮动式平台的运动受到严格的限制，因此浮式系统的定位方式显得尤为重要。平台动力定位系统是

5、指平台用自身的动力系统来提供反力和反力矩以克服风、浪、流等环境力(力矩)的干扰，使平台保持在一定位置和方向的系统。它包括三部分内容：(1)平台位置、艏向测量及传感器系统；(2)计算机控制系统；(3)推力器系统。控制系统只响应船舶的低频运动而不响应高频运动。对于水面平台或者船舶来说，动力定位系统的主要目的是实现水平面的位置和艏向三个自由度的控制。影响三个物理量定位精度的参数是来自传感器的测量误差、阵风、波浪、海流的干扰和推力器的响应速度等。其中，波浪造成的位置移动包含两部分，其一是二阶波浪力产生的慢漂运动使平台缓慢地漂离原来的位置，动力定位系统要对这一运动加

6、以控制；其二是一阶波浪力产生的高频往复运动。动力定位系统很难并收稿日期：2013—04-11作者简介：周一苇，上海海事大学物流工程学院硕士研究生，主要研究方向：控制方法在航运工业领域中的应用。黄建忠，上海海事大学副教授，从事船舶／港口系统的建模与控制研究。且也没有必要对高频位移进行控制，因为这样会大大加速推力器系统的磨损和能量的消耗。故必须在平台位置估计中把这三个高频分量滤掉，滤波器的作用是滤掉高频运动分量和测量噪声，使控制器的输出比较平滑，减少推力器不必要的动作，减少耗能，延长推力器寿命。为此本文主要研究为消除波浪影响的高频响应滤波器。滤波工作是计算机控

7、制系统的一部分。海洋结构物在海上的运动是由风、水流、波浪、推力器等共同产生的。其中，风、水流、二阶波浪慢漂力以及推力器引起的运动速度为0～0．25rad／s，称为低频；一阶波浪引起的运动速度为0．3～1．6rad／s，称为波频。前者引起的慢漂运动使其缓慢地漂离原来的位置，必须加以控制；后者引起高频往复运动。从这个角度考虑，必须在位置估计中采用滤波技术，把这个高频分量滤掉，而滤波器就很好充当了这一角色。在实际的动力定位系统中，采集到控制系统中的信号是综合的运动信息，包括高频信号，也包括低频信号，同时还应该有未建模的干扰以及测量噪声和零均值的高斯噪声。由于高频

8、运动仅仅是表现为周期性的振荡而不会导致平均位置的改变，所以高频运动