基于联邦滤波位置参考系统信息融合研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文
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第滦髀课题的研究目的和意义动力定位位置参考系统简介随着世界经济的发展,能源与资源成为人类日趋尖锐的问题,过去人们不太重视海洋资源,现在却已成为国际间激烈争夺的领域。在众多海洋开发领域中,就属石油资源的竞争最为激烈。人类相继研究出了各式各样的开采机器。现在,人类发明了钻井平台来开采海底石油,而钻井平台等动力定位船舶的造价非常高,若是不能控制好船舶在海面的位置,在工作的同时,很可能会使方向数据丢失难以实现开采功能,还有可能导致船舶破损。因此必须为整个动力定位控制系统提供可靠的船舶位置、速度及姿态等信息。随着海洋工程作业中对控制精度和可靠性的要求不断提高,这两点就慢慢成为了衡量一个动力定位系统性能优劣的准则。目前航空航天等领域利用信息融合实现对系统精度与可靠性的提高,但是针对动力定位船舶实用的信息融合方法较少,所以研究出一种适用于动力定位船舶的信息融合方法是非常有意义的。船舶动力定位系统是由控制系统、测量系统和推进器系统三个主要部分组成。其中,测量系统是指动力定位系统的位置参考系统和和船姿、环境测量系统,位置参考系统主要是实现对船舶位置的测量。通常,动力定位船舶都安装有多种位置参考系统,如张紧索、水声、取S捎谏鲜鑫恢貌慰枷低尘哂胁煌墓ぷ髟恚洳饬烤ǘ雀鞑幌嗤因此,采用信息融合方法对其进行融合处理可以有效提高整个位置参考系统的测量精度。同时,基于动力定位船舶安装的不同测量原理本身具有的冗余性,引入联邦滤波结构可以在现有的基础上进一步增强系统的可靠性。目前,主要的多传感器信息融合方法很多,有加权平均法、卡尔曼滤波法和贝叶斯估计等多种方法。而采用联邦滤波结构与信息融合方法相结合,正好能将多种特性不同的传感器进行性能互补,信息优化配置,从而提高了系统精度和可靠性。本文以动力定位船舶位置参考系统为研究对象,以如何提高系统整体的精度和可靠性为目的,系统地研究了动力定位船舶多传感器信息融合问题,上述研究将对海上能源开采或海上工程作业都有着重要理论价值和实现意义。船舶动力定位系统是一系列船用系统的综合,如图所示,它主要由测量系统、控制系统和推进器系统三个主要部分组成。系统中传感器测量系统主要由两部分组成:位置参考系统和船姿环境测量系统,其中位置参考系统主要负责船舶当前位置的测量,船舶姿态环境测量系统主要测量当前风速、风向、艏向及纵、横摇角度信息等。为了满足船舶控制对运动状态和环境信息感知的高可靠性要求,系统冗余配置测量传感器¨】。船舶位置参考系统采用张紧索、水声、⒓す狻⑽⒉ǖ炔煌淼拇ǜ衅骺
图动力定位系统框图⒄沤羲魑恢貌慰枷低张紧索位置参考系统且桓龌迪低常恰钟行У亩叹嗬胛恢貌慰枷低常当船舶在固定点停留很长时间且水深有限的情况下,张紧索系统能发挥更大的优势。张紧索系统中有几个基本元件:角度传感器、索位跟踪器、传感器万向机构和张紧索,张紧索通常是一根钢索,直径为到英寸。张紧索系统通过专用的接口将位置信息传送给系统。张紧索系统的工作原理就是通过测量得到的绳长和两个角度,经过一定的几何推算来得到船舶位置的。这种测量系统受海流的影响比较大,海流的大小可以使绳索变形,角度测量值不准确,从而导致测量误差变大。该系统并不受船舶纵摇,横摇及艏摇的影响,与其他系统相比,它有精度高,可靠性好,安装方便且快速,不需要安装外部辅助设备等优点。张紧索系统主要有三种如图所示,嵝驼沤羲飨低常鲁卣沤羲飨低澈表面张紧索系统。图张紧索系统哈尔滨工程大学硕士学位论文
⑺恢貌慰枷低水声位置参考系统琀殖莆Kㄎ幌低常可用于局部区域精确定位导航系统。水声定位系统属于局部相对定位系统,只能在固定的海域使用,该系统主要由安装在船舶上的换能器和置于海底的应答器组成。换能器一般都安装在船体的底部,应答器布置在海底K墓ぷ髟硎牵河苫荒芷鞣⒊鲅市号,应答器时刻监听询问信号,当应答器收到询问信号后再进行应答;换能器接收到应答信号后便可以确定换能器到应答器之间的距离和方向;通过这个工作方式便可以确定船舶的位置,最后将位置信息反馈至动力定位系统【,。由于光的传播速度受介质密度的影响,安装在船上的水声基阵也会受到船舶纵、横摇的影响,所以水声测量系统会受海水密度及船舶纵、横摇的影响。与张紧索系统相比,它不受海底水深的限制,工作的区域会更大些。水声位置参考系统是由多个基元组成,将基元间的连线称为基线。如表所示,根据基线长度可以将水声位置参考系统分为短基线⒊袒统基线表水声定位系统分类⑽佬嵌ㄎ幌低全球定位系统,简称是挠⑽乃跣础K且恢只谖佬遣饬烤嗬氲奈置参考系统,由颗卫星组成的卫星系统进行全球定位U飧鱿低吃诘厍虻娜我獾上都可观测到盼佬牵庋