動態(tài)定位系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001] 本公開設及將使用動態(tài)定位值巧系統(tǒng)的船舶所需航向功率最小化的系統(tǒng)和方 法。
【背景技術】
[0002] 已經(jīng)存在多種解決設及最小化功耗的問題的嘗試，其中所述功耗設及針對天氣相 關事件的DP船舶的位置和航向控制。一種方案通過估計左艇側和右艇側的力并通過最小 化所需的側向力（即，左艇-右艇方向的推進力）來控制船舶的航向。盡管該方案可提供 比初始路徑更理想的航向，但是該方案只能在船舶處于完全DP模式時使用。此外，有可能 最佳的航向控制器在惡劣天氣狀態(tài)下會由于目標航向的變化率增大而不穩(wěn)定。

【發(fā)明內容】

[0003] DP系統(tǒng)本質上是高耗能的，因為DP系統(tǒng)抵消由于天氣所產(chǎn)生的力。因此，航向控 制和航向穩(wěn)定性的低效是DP系統(tǒng)特別關注的領域。運些力隨著船舶的偏向度（例如，入射 角）而發(fā)生顯著變化。最佳船舶航向角上即使小的偏移也會導致推進器功率需求的增加。 對于大多數(shù)船舶，使船首指向風和/或水流可減少環(huán)境力，從而減少對推進器的功率需求。 此外，基于前面所述的設及最小化DP船舶所使用的推進器功率的缺點，需要一種系統(tǒng)和方 法，使得在DP控制器使用環(huán)境力的測量值控制航向時允許對DP航向進行調整且用于在惡 劣天氣中穩(wěn)定航向。 此外，在此描述的系統(tǒng)和方法允許在天氣條件惡劣時使用操作員指定的數(shù)據(jù)選擇舒適 的航向并自動調整航向增益。
[0004] 高能效DP系統(tǒng)和方法的一個益處是它通過航向控制減少了由于環(huán)境條件在船舶 上所感受到的力的大小。該系統(tǒng)和方法被設計為基于船舶上所測量的施加的側向力而不是 側向力需求來改變船舶航向。只使用側向力需求來確定所需的船舶航向可導致船舶消耗不 需要的能量和耗費額外的燃料。 陽0化]本公開中，該系統(tǒng)和方法通過使用觀測器系統(tǒng)估計船舶的側向力，觀測器系統(tǒng)可W是一個線性二次估計程序化犯)，也稱為Kalman濾波器。向觀測器系統(tǒng)提供位置和航向 的測量值。在某些實施例中，觀測器系統(tǒng)應用波形濾波器程序除去與波形運動相關的測量 噪聲，且從而產(chǎn)生排除了波形運動的位置和速度的估計值。
[0006] 船舶位置、船舶速度和天氣力的估計被發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計算維持船舶 位置和航向的推進需求。對船舶航向的控制保證由于天氣所導致的側向力最小化。
[0007] 在某些實施例中，還向觀測器系統(tǒng)提供天氣信息。例如，來自一個或多個風速計的 測量被用于估計船舶上的風力并被饋送給觀測器W改進其對天氣力的估計。
[0008] 在其它實施例中，觀測器系統(tǒng)僅接收它用來提供船舶上天氣力估計值的天氣信 息。
[0009] 在某些實施例中，如果提供給觀測器系統(tǒng)的一些或全部測量值缺失，則觀測器系 統(tǒng)繼續(xù)提供船舶上環(huán)境力的估計。
[0010] 在其它實施例中，該系統(tǒng)和方法允許根據(jù)天氣狀態(tài)對航向增益進行自動調整。當 惡劣天氣期間（大風、高流速或大浪）船舶上的天氣力大時，有可能航向控制程序將變得不 穩(wěn)定，導致大的航向振蕩?？赏ㄟ^隨著天氣力的增加降低航向調整程序的響應速度來避免 大的振蕩。另一益處是當船舶的方向參數(shù)由人工控制，即船舶不處于完全DP模式時，能夠 使用該系統(tǒng)和方法。在完全DP模式中，航向軸和橫蕩軸都在由DP系統(tǒng)完全控制，因為所需 的橫蕩力驅動航向改變。相反，在此描述的某些實施例中，僅航向軸由DP系統(tǒng)控制。在運 樣的實施例中，航向改變由對來自側向力，即左艇-右艇方向的力的L犯估計驅動。盡管側 向力影響航向變化，但即使運動的橫蕩方向由人工控制該方法也可使用。
[0011]另一益處是能夠允許對航向進行調整。本公開的系統(tǒng)和方法包括使操作員提供輸 入W向DP系統(tǒng)所確定的航向指定偏移的手段。操作員輸入可用于選擇對船舶乘員來說更 舒適的航向。
[0012] 本系統(tǒng)和方法的又一益處是可應用于非船形的船舶。在本公開中，該系統(tǒng)和方法 可用于受側向力的任何船舶。 提供了W下技術方案： 1、 一種動態(tài)定位系統(tǒng)，包括： 控制器，包括： 處理器訊 其上保存有計算機可執(zhí)行指令的存儲器，當所述指令被處理器執(zhí)行時，使得所述處理 器執(zhí)行操作，所述操作包括： 由所述處理器計算： 基于一個或多個橫蕩環(huán)境力的測量值之和的總和值； 基于所述總和值和控制器增益乘積的乘積值； 基于所述乘積值隨時間積分的航向偏移角；和 基于初始航向和所述航向偏移角之和的目標航向。 2、 如技術方案1所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括基于所述目標航向 產(chǎn)生推進器控制信號。 3、 如技術方案1所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于操作員偏移角的正切值乘W縱蕩環(huán)境力的測量值計算橫蕩力偏移； 基于W下之和計算該總和值： 所述一個或多個橫蕩環(huán)境力的測量值；和 所述橫蕩力偏移。 4、 如技術方案3所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述橫蕩力偏移基于W下公式計算： AF巧=Fex體曲tan(S) 其中AFpy是橫蕩力偏移，F(xiàn)m是縱蕩環(huán)境力，Kx2y是偏移增益，且5是操作員偏移角。 5、 如技術方案3所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于橫蕩風力系數(shù)和縱蕩風力系數(shù)計算偏移增益；和 基于所述操作員偏移角的所述正切值乘W所述縱蕩環(huán)境力的測量值，再乘W所述偏移 增益，計算所述橫蕩力偏移。 6、 如技術方案5所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述偏移增益基于W下公式計算：
其中Kx2y是偏移增益，C胃是橫蕩風力系數(shù)，是縱蕩風力系數(shù)。 7、 如技術方案3所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于風速除W縱蕩環(huán)境力計算乘數(shù)值； 確定調整值的值，其中該調整值的值為： 如果所述乘數(shù)的絕對值小于1，則等于所述乘數(shù)值；或 如果所述乘數(shù)的絕對值大于1，則等于1 及 基于所述總和值、所述控制器增益和所述調整值的乘積計算所述乘積值。 8、 如技術方案7所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述乘數(shù)基于W下公式計算：
其中化）是所述乘數(shù)，V。。。是所述風速，F(xiàn)ex是所述縱蕩環(huán)境力。 9、 如技術方案8所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括當所述風速超過預 定速度時計算所述乘數(shù)。 10、 如技術方案8所述的動態(tài)定位系統(tǒng)，其中橫蕩力偏移基于W下公式計算： AF巧=Fex體曲tan(S) 其中AFey是所述橫蕩力偏移，F(xiàn)ex是所述縱蕩環(huán)境力，Kx2y是偏移增益，且5是所述操 作員偏移角。 11、 根據(jù)技術方案10的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于橫蕩風力系數(shù)和縱蕩風力系數(shù)計算所述偏移增益。 12、 根據(jù)技術方案11的動態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述偏移增益基于W下公式計算：
其中Kx2y是所述偏移增益，C胃是所述橫蕩風力系數(shù)，是所述縱蕩風力系數(shù)。 13、 根據(jù)技術方案1的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所述 指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 將所述航向偏移角與界限比較；W及 如果所述航向偏移角大于所述界限則選擇所述航向偏移角作為所述界限。 14、 根據(jù)1的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所述指令被所 述處理器執(zhí)行時，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于風速除w縱蕩環(huán)境力計算乘數(shù)值； 確定調整值的值，其中所述調整值的值為： 如果所述乘數(shù)的絕對值小于1，則等于所述乘數(shù)值；或 如果所述乘數(shù)的絕對值大于1，則等于1及 基于所述總和值、所述控制器增益和所述調整值的乘積計算所述乘積值。 15、 根據(jù)技術方案14的動態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述乘數(shù)基于W下公式計算：
其中（K)是所述乘數(shù)，V。。。是所述風速，F(xiàn)ex是所述縱蕩環(huán)境力。 16、 根據(jù)技術方案1的動態(tài)定位系統(tǒng)，包括被配置為測量天氣狀態(tài)數(shù)據(jù)的測量系統(tǒng)， 所述存儲器上保存有計算機可執(zhí)行指令，在所述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述處理 器執(zhí)行操作，所述操作包括基于所述天氣狀態(tài)數(shù)據(jù)計算所述一個或多個橫蕩環(huán)境力的測量 值。 17、 根據(jù)技術方案16的動態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述天氣狀態(tài)數(shù)據(jù)包括風的速度和方向。 18、 根據(jù)技術方案1的動態(tài)定位系統(tǒng)，包括推進器系統(tǒng)。 19、 根據(jù)技術方案18的動態(tài)定位系統(tǒng)，所述推進器系統(tǒng)包括隧道式推進器、方位推進 器、方向艙、螺旋獎、噴水式噴射器和擺線型螺旋獎中的至少一個。 20、 一種用于動態(tài)定位系統(tǒng)的控制器，包括： 處理器訊 其上保存有計算機可執(zhí)行指令的存儲器，在所述指令被所述處理器執(zhí)行時，使得所述 處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 由所述處理器計算： 基于一個或多個橫蕩環(huán)境力的測量值之和的總和值； 基于所述總和值和控制器增益的乘積的乘積值； 基于所述乘積值隨時間積分的航向偏移角；和 基于初始航向和所述航向偏移角之和的目標航向。
[0013] 下面將參考附圖詳細地描述本公開的進一步特征和優(yōu)點，W及本公開各種實施例 的結構和操作。注意本公開并不局限于在此描述的特定實施例。運些實施例在此提出僅僅 是出