[发明专利]一种动力定位系统外界环境力测量方法

权利要求书

1.一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1)将六面形力传感器盒安装在船舶上，其中力传感器盒前后两个面的力传感器实时测量用于修正来自船舶纵向的环境力的信号，左右两个面的力传感器实时测量用于修正来自船舶横向的环境力的信号； 

2)将力传感器测量值输入到改进后的船舶低频运动模型中，从而完成整个动力定位系统。 

2.根据权利要求1所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，所述的力传感器盒为正方体盒，其前后左右四面均设有力传感器，过船舶的重心点作沿重力方向的垂线与船舶底部相交于一点，并将此交点通过内嵌数据线的刚体与力传感器盒的重心进行连接，所述的刚体与力传感器盒的上表面相交于上表面中点。 

3.根据权利要求2所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，所述的力传感器盒测量信号具体如下： 

当外界环境干扰力作用在实行动力定位的船舶时，船舶会发生纵向、横向的偏移以及艏摇的旋转，由于力传感器盒与船舶通过刚体连接，当实施动力定位的船舶受外界环境力作用发生偏移时，力传感器盒和船舶会发生相同的偏移； 

力传感器盒和船舶具有相同的加速度，通过建立如下测量数学模型，包括船舶处于静止状态和运动状态； 

设力传感器盒在静止状态下各表面受到的水的压力值为w；船舶的质量为M；力传感器盒的质量为m，船艏方向为正方向； 

(a)实行动力定位的船舶处于静止状态 

假设船舶受到随机的外界环境力的作用，力传感器盒前、后、左、右侧传感器的测量值大小为f_i，其中i＝1、2、3、4；船舶所受到来自后、前、右、左侧外界环境力为F_i，其中i＝1、2、3、4；船舶的推进器由两部分组成，分别是安装在尾部的全回转主推力器以及安装在船舶底部力传感器盒与船舶连接点两侧的辅助推进器，根据牛顿运动定律可得： 

为了实现动力定位的目的，船舶推力系统通过纵向主推力器施加的推力F_Z-treq和横向辅助推力器给船舶施加推力F_H-treq进行修正； 

(b)实行动力定位的船舶处于运动状态 

设运动的船舶在不受外界环境干扰力作用，仅受到推力F_i的作用，其中i＝1、2、3、4，i＝1代表仅受到向前推力F₁作用，i＝2代表仅受到向后推力F₂作用，i＝3代表仅受到向左推力F₃作用，i＝4代表仅受到向右推力F₄作用；力传感器盒的前侧、后侧、左侧、右侧力传感器测量值为f_i，其中i＝1、2、3、4，船舶拥有安装在尾部的全回转主推力器以及安装在船舶底部力传感器盒与船舶连接点两侧的辅助推进器，由受力分析可得： 

当船舶受到外界环境力作用时，力传感器所测的值将会发生变化，假设前侧、后侧、左侧、右侧传感器的实时测量值为其中i＝1、2、3、4，前侧、后侧、左侧、右侧传感器受到外界环境力作用值得大小为其中i＝1、2、3、4；由受力分析可得： 

为了实现动力定位的目的，船舶推力系统通过主推力器或辅助推力器给船舶前侧、后侧、左侧、右侧施加的推力其中i＝1、2、3、4，计算如下： 

。

4.根据权利要求3所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，由于外界环境干扰力的随机性，当干扰力的方向与船舶的纵向存在夹角时，此时实施动力定位的船舶会发生艏摇，力传感器盒的多个面会同时受到力的作用，此时主推力器和辅助推力器会同时工作，从而来抵消艏摇对船舶动力定位造成的影响。 

5.根据权利要求3所述的一种动力定位系统外界环境力测量方法，其特征在于，所述的改进后的船舶低频运动模型具体如下： 

对于水面动力定位的船舶，由于其运动速度比较慢，所以其低频运动模型简化为： 

其中，v表示随船坐标系O-XYZ下的速度向量v＝[u，v，r]^T；表示随船坐标系O-XYZ下的加速度向量；τ_THR代表推进器推力；τ_ENV代表环境扰动力；M代表惯性量矩阵，满足矩阵正定要求M＝M^T＞0；D代表水动力阻尼矩阵，满足矩阵正定，M、D结构如下 

  

式中m为船舶质量，I_z为Z轴转动惯量，为流体动力在三个自由度上引起的附加质量，均定为负数；为横荡和艏摇间耦合所引起的附加质量；为横荡和艏摇间耦合所引起的附加质量；为艏摇和横荡间耦合所引起的附加质量；X_G为重心G在船体坐标系统下X轴方向上的位置向量； 

线性船舶低频运动状态空间模型，其状态空间形式表示如下： 

式中： 

x_k，y_k，为低频运动三自由度上位移与艏摇角向量； 

τ_k，v_k，γ_k为低频运动三自由度上速度与艏摇角向量； 

v_k为三维零均值高斯白噪声； 

ω_k为三维建模扰动变量，本系统为力传感器的测量值和艏摇角； 

u_k为船舶推进器输出力； 

为表示关于纵荡、横荡方向的速度向量、艏摇角向量和三自由度上的加速度与艏摇角加速度向量； 

经过改进后的船舶低频运动模型如下： 

式中： 

x_k，y_k，为低频运动三自由度上位移与艏摇角向量； 

τ_k，v_k，γ_k为低频运动三自由度上速度与艏摇角向量； 

v_k为三维零均值高斯白噪声； 

f_m为力传感器实时测量值； 

M为实行动力定位船舶的质量； 

m为力传感器盒的质量； 

w为力传感器盒在未受外界力作用下，水对力传感器盒各个面的压力值； 

u_k为三维推力器推力输出； 

为表示关于纵荡、横荡方向的速度向量、艏摇角向量和三自由度上的加速度与艏摇角加速度向量。