船舶动力定位系统非线性Kalman滤波器的设计-论文.pdf

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1、船舶动力定位系统非线性Kalman滤波器的设计船舶动力定位系统非线性Kalman滤波器的设计梁仕新王钦若班勃叶宝玉(广东工业大学自动化学院，广东广州510006)摘要针对船舶动力定位系统的非线性数学模型，设计了一个非线性Kalman滤波器，实现在线对非线性系统的状态量进行最优估计。为保证滤波器的稳定性和精确性，讨论了测量粗差在非线性滤波器中如何校正。然后，对所设计的非线性滤波器进行仿真分析，仿真结果表明该非线性Katman滤波器具有良好的状态估计和滤波性能，且船舶运动状态估计值收敛于实际值，验证了所设计滤波器应用在船舶动力定位系统的有效性。关键词：非线性Kalman滤波器，测量粗

2、差，船舶动力定位AbstractForthenon—linearmathematicalmodelofShipDynamicPositioningSystem(SDPS)，thispaperdesignsanon—linearKalmanfilterformeetingtheamountoftheoptimalestimationofstatesinthenon—-linearsystemsonlineToensurethesta—bilityandaccuracyofthefilter，thispaperdiscusseshowtocorrectthegrosserrorsin

3、measuringthenon{inearfilter．Finally，thenon—linearfilterdesignedforsimulationanalysis，simulationresultsshowthatthenon—linearKalmanfilterhasagoodstateestimationandfilteringperformance，andshipmotionstateestimatesconvergetotheactualvaluesKeywords：non—linearKalmanfilter，measuringgrosserror，SDPS船舶动

4、力定位系统一般安置有各种传感器，进行实时数据采集，以便实现及时和准确的动力定位。但是，传感器信号容易l007J受到电磁场，外界环境温度、湿度，以及在信号传输过程中传输错误、同步差错和信道噪声等因素的影响，产生数据失真]。因广●J1●L此，必须对各传感器采样信号进行滤波处理。20世纪60年代一D0Kalman等人提出的一种主要针对雷达、导航等领域对目标进行2U—D定位跟踪的Kalman滤波算法L2]。该算法具有存储量小，跟踪性—强的特点，因此被广泛应用于船舶、雷达以及导航等动态定位的D数据处理中。Kalman滤波是限制在线性的假设之下，而船舶动力定位系统属于非线性系统，具有非线性模

5、型，故不能直接使用传统的Kalman滤波算法⋯。针对非线性系统的应用需要，本文采用一种基于Kalman滤波算法的非线性Kalman滤波器。广m—X00]1船舶动力定位系统的运动数学模型M0m—mXG-l，在风、浪、流的作用下，无约束的船舶运动具有6个自由度L0mxG一一J的运动特征，包括纵荡、横荡、艏摇、纵摇、横摇和升沉，包含高频运动和低频运动。一般来说，高频运动只会引起船舶姿态的变化，但并不会使船舶产生位置的变化。因此，动力定位控制系统=[FJ，Fv，]一般仅考虑纵荡、横荡和艏摇三个自由度在水平面的低频运动。XYN、、分别表示水力在纵荡、横荡、艏摇三个方向的由于为了研究船舶在三

6、个自由．．，，，度上的低频运动特征，通常采各自加速度引起的附加质量；Y，为船舶的横荡和艏摇运动在水用两种坐标系来描述船舶数学平面相互耦合而引起的附加质量。X、Y、Y、N和N分别表示船模型：大地坐标系OExEYEZE和舶在各个运动方向的水动力线性阻尼系数；FFv、Fr分别为动力随船坐标系OXYZ，见图1。在定位系统中纵荡、横荡和艏摇三个自由度上所受到的给定力的大地坐标系中，OE)(指向正动力(矩)；向量T。为其它环境作用力]。北，0EYE指向正东，OEZE指向根据文献[6】中辨识建模的方法，经过对船舶系统进行参数地心；在随船坐标系中，坐标原识别，得到无量纲化惯性矩阵、阻尼矩阵如下：

7、点O位于船舶的质心，OX指『1．1271001fo．o534Jf00]向船艏，QY指向船的右舷，OZ图1大地坐标系与随船坐标系M=}【0T7801—0．0832l，D()=l001208—0．0617．r．I轴指向船底，‘p为船舶的艏摇角⋯。0—0．0832D1305jlD一00048．0057_9』由图1可以得到大地坐标系和随船坐标系的转换关系为：由于船舶运动模型是在随船坐标系下讨论的，而位置测量系统获得的是在固定坐标系中的位置信号，因此在船舶低频运=J(‘p)v动模型中必须考