[发明专利]一种动力定位系统外界环境力测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及实施动力定位的船舶或者深海油气勘探、开采平台等技术领域，尤其是涉及一种动力定位系统外界环境力测量方法。

背景技术

随着人类对油气资源的越加依赖和日益枯竭的陆地油气资源，人类加紧了对海洋资源的开发，越来越多的浅海油气资源已经被开发，深海油气资源开采成为了各个国家迫在眉睫的战略方向，因此掌握深海油气开采技术成为了各个国家战略的重中之重。在深海油气开采的高新技术中，动力定位技术是重要的辅助技术之一。

在动力定位领域中，研究者将大多数的研究目光都集中在控制算法的改进中，从20世纪60年代的运用经典PID(Proportional-Integral-Derivative)控制规律，对船舶进行实时控制；到20世纪70年代中叶，以现代控制理论为基础的最优控制和Kalman滤波理论相结合的动力定位控制方法，近些年来又出现了例如鲁棒控制(H∞)、模糊控制(Fuzzy Logic Control)、神经网络控制(Neural Network Control)和非线性模糊预测控制(Nonlinear Model Predictive Control)等各种智能控制理论和方法，这些控制算法相继应用于动力定位领域中。然而对于外界环境力的测量装置上却没有进行较大的改进，依旧是通过位置参考系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等设备来实现对外界环境力测量。通过这些设备测量出船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件，然后利用风的模型、流的模型、浪的模型等海洋环境模型；对这些测量值进行数学换算。这种测量方法不仅增加了动力定位系统在各个具体环境力测量装置上所花费的成本，使得整个动力定位系统缺乏经济性和灵活性，而且增加了很多换算过程，使得测量系统测量的数据具有很大的延迟性，增大了测量误差，不利于快速对这些干扰力进行补偿。因此，设计一种能直接测量出众多外界环境力的综合影响的装置对动力定位系统具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种动力定位系统外界环境力测量方法，解决了现有动力定位技术中对外界环境干扰力测量缺乏经济性，测量信号存在很大延迟性的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

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。

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。

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：