基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，本發(fā)明涉及基于動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是，通過(guò)所提出的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，獲取動(dòng)力定位船舶波頻模型的參數(shù)。波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)(2)包括：波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊(4)、時(shí)間窗提取模塊(5)、測(cè)量信息序列提取模塊(6)、主導(dǎo)頻率預(yù)估器(7)、高通濾波器(8)、擴(kuò)展卡爾曼濾波器(9)、數(shù)據(jù)處理分析功能模塊(10)、波頻模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊(11)、模型更新系統(tǒng)(12)，完成波頻模型的更新功能。本發(fā)明適用于動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì) 系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及基于動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著技術(shù)的發(fā)展，人們的活動(dòng)范圍也逐漸從沿岸和近海擴(kuò)展到深遠(yuǎn)海海域。各項(xiàng) 海洋工程都需要裝有動(dòng)力定位的船舶保障和支持。動(dòng)力定位系統(tǒng)采用推力器來(lái)提供抵抗 風(fēng)、浪、流等作用在船上的環(huán)境力，從而使船盡可能地保持在海平面上要求的位置上。隨著 海上油氣資源的開(kāi)發(fā)不斷向深海拓展，傳統(tǒng)的錨泊定位方式正逐漸被動(dòng)力定位所取代，依 靠海洋結(jié)構(gòu)物的自身動(dòng)力進(jìn)行定位已經(jīng)成為深海油氣生產(chǎn)設(shè)施的主要選擇。其定位成本不 會(huì)隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便，因此動(dòng)力定位技術(shù)成為深海開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技 術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于海洋鉆井船、平臺(tái)支持船、潛水器支持船、管道和電纜敷設(shè)船、科學(xué)考察 船、深海救生船等船舶上。
[0003] 動(dòng)力定位船舶工作時(shí)受到風(fēng)、浪、流和推力器的作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，其中風(fēng)、二階低 頻浪、流和推進(jìn)器引起的運(yùn)動(dòng)屬于低頻運(yùn)動(dòng)，其頻率范圍為0~0.25rad/s，而一階浪和高頻 浪引起的運(yùn)動(dòng)屬于波頻運(yùn)動(dòng)，其頻率范圍為0.3~1.6rad/s，處于船舶控制帶寬的邊界或者 外界，但處于船舶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)帶寬范圍之內(nèi)。實(shí)際的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)采集到的信號(hào) 為綜合信息，含有低頻運(yùn)動(dòng)分量、波頻運(yùn)動(dòng)分量和測(cè)量噪聲分量。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的目標(biāo) 是控制船舶的低頻運(yùn)動(dòng)，因此需要對(duì)進(jìn)入控制環(huán)路的反饋狀態(tài)變量進(jìn)行濾波處理，將其高 頻運(yùn)動(dòng)分量過(guò)濾掉。濾波的性能依賴于模型參數(shù)的準(zhǔn)確度，尤其是波頻模型參數(shù)的精度。因 此如何獲取動(dòng)力定位船舶波頻模型的參數(shù)成為動(dòng)力定位的關(guān)鍵技術(shù)之一。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的是，通過(guò)所提出的基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型 參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，獲取動(dòng)力定位船舶波頻模型的參數(shù)。
[0005] 上述的發(fā)明目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0006] 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于波頻 模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)包括:波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊、時(shí)間窗提取模塊、測(cè)量信息序列 提取模塊、主導(dǎo)頻率預(yù)估器、高通濾波器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器、數(shù)據(jù)處理分析功能模塊、波頻 模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊；
[0007] 波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊，用于實(shí)現(xiàn)波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)初始 化；
[0008] 時(shí)間窗提取模塊，用于從船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)里提取一段時(shí)間的數(shù)據(jù)；
[0009] 測(cè)量信息序列提取模塊，用于從時(shí)間窗里提取動(dòng)力定位船舶的位置和艏向測(cè)量信 息η;
[0010] 主導(dǎo)頻率預(yù)估器，用于從時(shí)間窗內(nèi)取出動(dòng)力定位船舶位置和艏向的測(cè)量信息η，并 對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取測(cè)量信息的頻譜曲線并確定初始波頻模型參數(shù)；
[0011]高通濾波器，用于對(duì)艏向的測(cè)量信息η進(jìn)行濾波，估計(jì)出波頻運(yùn)動(dòng)分量?# ;
[0012] 擴(kuò)展卡爾曼濾波器使用高通濾波器估計(jì)出的波頻運(yùn)動(dòng)分量對(duì)實(shí)際波頻模型參 數(shù)進(jìn)行估計(jì);估計(jì)出對(duì)應(yīng)的波頻模型參數(shù).§和波頻運(yùn)動(dòng)估計(jì);
[0013] 數(shù)據(jù)處理分析功能模塊判斷所估計(jì)波頻模型參數(shù)§是否合理，并影響船舶動(dòng)力定 位控制系統(tǒng)（1)中的模型更新系統(tǒng)；
[0014] 波頻模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊，用于將波頻模型參數(shù)§傳遞出去；
[0015] 波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)將波頻模型參數(shù)§返回給船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)中的模型 更新系統(tǒng)，完成波頻模型的更新功能。
[0016] 發(fā)明效果
[0017] 通過(guò)本發(fā)明基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，可以 實(shí)時(shí)地估計(jì)出船舶的波頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并將其分離開(kāi)來(lái)，進(jìn)而得到控制器需要的狀態(tài)信息。解 決了實(shí)際的海洋環(huán)境是變化的海浪濾波問(wèn)題，提高了狀態(tài)估計(jì)的精度。而且利用本發(fā)明進(jìn) 行波頻模型參數(shù)估計(jì)，所估計(jì)的波頻模型參數(shù)收斂到了真值附近，證明波頻模型參數(shù)估計(jì) 系統(tǒng)估計(jì)成功。從圖2a、2b和2c可以看出波頻模型的參數(shù)估計(jì)值從初值開(kāi)始收斂到真值附 近，因此可以得出結(jié)論，本仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了基于EKF的波頻模型參數(shù)估計(jì)方法的有效性。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，1 為船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng);2為波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng);3為模型更新邏輯系統(tǒng);4為波頻模 型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng);5為時(shí)間窗提取;6為測(cè)量信息序列提取;7為主導(dǎo)頻率預(yù)估器;8為高 通濾波器;9為擴(kuò)展卡爾曼濾波器;10為數(shù)據(jù)處理分析功能；11為波頻模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束；12 為模型更新系統(tǒng)；
[0019] 圖2為波頻模型參數(shù)仿真真值和參數(shù)估計(jì)值對(duì)比圖，其中，圖2a為縱向主導(dǎo)頻率對(duì) 比圖，圖2b為橫向主導(dǎo)頻率對(duì)比圖，圖2c為艏向上的主導(dǎo)頻率對(duì)比圖；。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0020] 一:船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1中模型更新邏輯系統(tǒng)3的參數(shù)需要經(jīng)過(guò) 波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2進(jìn)行估計(jì)，然后將所得波頻模型參數(shù)返回給船舶動(dòng)力定位控制系 統(tǒng)1的模型更新系統(tǒng)12,完成波頻模型的更新功能。本發(fā)明的波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2為基 于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)。動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù) 估計(jì)示意圖如圖1所示。
[0021] 結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位 船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2包括：
[0022] 波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊4、時(shí)間窗提取模塊5、測(cè)量信息序列提取模塊6、 主導(dǎo)頻率預(yù)估器7、高通濾波器8、擴(kuò)展卡爾曼濾波器9、數(shù)據(jù)處理分析功能模塊10、波頻模型 參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊11;
[0023] 波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊4,用于實(shí)現(xiàn)波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)初始 化；
[0024] 時(shí)間窗提取模塊5,用于從船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1數(shù)據(jù)庫(kù)里提取一段時(shí)間的數(shù) 據(jù)；
[0025] 測(cè)量信息序列提取模塊6,用于從時(shí)間窗里提取動(dòng)力定位船舶的位置和艏向測(cè)量 信息η;
[0026] 主導(dǎo)頻率預(yù)估器7,用于從時(shí)間窗內(nèi)取出動(dòng)力定位船舶位置和艏向的測(cè)量信息II， 并對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取測(cè)量信息的頻譜曲線并確定初始波頻模型參數(shù)；
[0027] 高通濾波器8，用于對(duì)艏向的測(cè)量信息II進(jìn)行濾波，估計(jì)出波頻運(yùn)動(dòng)分量·?^,;
[0028] 擴(kuò)展卡爾曼濾波器9)使用高通濾波器8估計(jì)出的波頻運(yùn)動(dòng)分量對(duì)實(shí)際波頻模 型參數(shù)進(jìn)行估計(jì);估計(jì)出對(duì)應(yīng)的波頻模型參數(shù)§和波頻運(yùn)動(dòng)估計(jì)_1.
[0029] 數(shù)據(jù)處理分析功能模塊10判斷所估計(jì)波頻模型參數(shù)§是否合理，并影響船舶動(dòng)力 定位控制系統(tǒng)1中的模型更新系統(tǒng)12;
[0030] 波頻模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊11，用于將波頻模型參數(shù)§傳遞出去，并將船舶動(dòng)力定 位控制系統(tǒng)1中的模型更新邏輯設(shè)為假，完成波頻模型參數(shù)估計(jì)；
[0031] 波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2將波頻模型參數(shù)后返回給船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1中的模 型更新系統(tǒng)12，完成波頻模型的更新功能。
[0032] 基于基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)估 計(jì)，波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2將所得波頻模型參數(shù)返回給船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1的過(guò)程如 下：
[0033] 當(dāng)船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1中的模型更新邏輯系統(tǒng)3邏輯為真時(shí)，波頻模型參數(shù)估 計(jì)功能啟動(dòng)模塊4啟動(dòng)，對(duì)波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2的數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化;如確定時(shí)間窗長(zhǎng)度 等;時(shí)間窗提取模塊5從船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1數(shù)據(jù)庫(kù)里提取一段時(shí)間的數(shù)據(jù);然后測(cè)量 信息序列提取模塊6從時(shí)間窗里提取動(dòng)力定位船舶的位置和艏向測(cè)量信息；主導(dǎo)頻率預(yù)估 器7從數(shù)據(jù)時(shí)間窗內(nèi)取出動(dòng)力定位船舶位置和艏向的測(cè)量信息η并對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變 換，獲取測(cè)量信息的頻譜曲線并確定初始波頻模型參數(shù);高通濾波器8對(duì)測(cè)量信息η進(jìn)行濾 波，估計(jì)出波頻運(yùn)動(dòng)分量％ 擴(kuò)展卡爾曼濾波器9使用高通濾波器8所估計(jì)的波頻運(yùn)動(dòng)分量 對(duì)波頻模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì);數(shù)據(jù)處理分析功能模塊10)判斷所估計(jì)波頻模型參數(shù)§是否 合理，并影響船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1中的模型更新系統(tǒng)12;波頻模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊11 將波頻模型參數(shù)傳遞出去，并將模型更新邏輯設(shè)為假，完成波頻模型參數(shù)估計(jì);至此，波頻 模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)2將所得波頻模型參數(shù)返回給船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)1的模型更新系統(tǒng) 12,完成波頻模型的更新功能。
[0034]
【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:所述的波頻模型參數(shù) 估計(jì)功能啟動(dòng)模塊4進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化時(shí)將時(shí)間窗長(zhǎng)度確定為600秒并調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)紀(jì)錄的內(nèi) 容。
[0035] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0036]
【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是:所述的主導(dǎo)頻率 預(yù)估器7,用于從時(shí)間窗內(nèi)取出動(dòng)力定位船舶位置和艏向的測(cè)量信息II，并對(duì)其進(jìn)行快速傅 里葉變換，獲取測(cè)量信息的頻譜曲線選取合理的頻譜曲線數(shù)據(jù)段進(jìn)行曲線擬合，獲取所擬 合曲線的極大值，并從極大值里選取最大值，其對(duì)應(yīng)的頻率作為預(yù)估主導(dǎo)頻率向量00。
[0037]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一或二相同。
[0038]【具體實(shí)施方式】四：本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至三之一不同的是:所述的高通 濾波器8的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：
[0039] 高通濾波器（11)從數(shù)據(jù)時(shí)間窗內(nèi)取出動(dòng)力定位船舶位置和艏向的測(cè)量信息n，通 過(guò)高通濾波器，估計(jì)出波頻運(yùn)動(dòng)分量
[0040] 根據(jù)船舶推力響應(yīng)特性和波頻運(yùn)動(dòng)分量的特點(diǎn)，將高通濾波器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)為
[0042] 其中，H(e>)為濾波器的的幅頻特性，j表示虛數(shù)，ω為圓頻率(也稱(chēng)角頻率），與頻 率f的關(guān)系是
[0043] ω=2η? (2)
[0044] 信號(hào)的最高圓頻率c〇max為
[0045] comax = jrrad/s (3)
[0046] 根據(jù)奈奎斯特定理和高通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，動(dòng)力定位控制系統(tǒng)的最低采樣圓頻 率為
[0047] ωs min = 23Trad/s (4)
[0048] 對(duì)應(yīng)的采樣周期為T(mén)s max=ls;
[0049] 實(shí)際動(dòng)力定位控制系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到工程需要留一個(gè)設(shè)計(jì)裕量，取為
[0050] Ts = 0.5s (5)
[0051] 在設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)，一般以原型低通濾波器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過(guò)映射變 換得到需要的高通濾波器；
[0052] 原型低通濾波器為歸一化的原型低通濾波器，其截止頻率為
[0053] ω 〇= 1 (6)
[0054] 原型低通濾波器的傳遞函數(shù)為
[0056] 式中，s是傳遞函數(shù)變量，η是傳遞函數(shù)階數(shù)；參數(shù)bi-bn+i和ai-an+i，采用10階 Butterworth逼近方法確定；
[0057]目標(biāo)高通濾波器的截止頻率為
[0058] ~(〇 =0.35 C8)
[0059]頻率映射關(guān)系為
[0061 ]式中，s為傳遞函數(shù)變量，j表示虛數(shù)，s '為新的傳遞函數(shù)的變量；
[0062]得到高通濾波器系統(tǒng)函數(shù)
[0064]經(jīng)過(guò)離散化，將上述高通濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)化為差分方程
[0066]式中，X為濾波系統(tǒng)的狀態(tài)，下標(biāo)k表示當(dāng)前采樣時(shí)刻，A、B、C、D為高通濾波器系統(tǒng) 函數(shù)對(duì)應(yīng)的差分方程的參數(shù)，u為濾波器的輸入；
[0067] 至此，高通濾波器公式（11)已由低通濾波器的歸一化原型再經(jīng)頻率變換得到。 [0068]其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至三之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0069] 五:本實(shí)施方式與一至四之一不同的是:所述擴(kuò)展卡 爾曼濾波器9使用高通濾波器8估計(jì)出的波頻運(yùn)動(dòng)分量對(duì)實(shí)際波頻模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)； 估計(jì)出對(duì)應(yīng)的波頻模型參數(shù)谷：
[0070] 根據(jù)高通濾波器估計(jì)出的波頻運(yùn)動(dòng)分量分_，基于給定的波頻模型結(jié)構(gòu)，估計(jì)出對(duì) 應(yīng)的波頻模型參數(shù)§和波頻運(yùn)動(dòng)估計(jì)
[0071] 波頻運(yùn)動(dòng)的仿真模型結(jié)構(gòu)如下
[0074] 其中A4PCWS波頻模型參數(shù)矩陣;ξ為波頻模型狀態(tài);ξ為ξ的一階導(dǎo)數(shù)，~為船舶的 波頻運(yùn)動(dòng)分量，即波頻模型的輸出；ω為高斯白噪聲；
[0075] 根據(jù)波頻運(yùn)動(dòng)的仿真模型，得到波頻運(yùn)動(dòng)的估計(jì)模型
[0077] 其中，上標(biāo)&表示估計(jì)值，ξ為波頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)向量，Aw和Cw為波頻模型參數(shù)矩陣， ε為估計(jì)殘差向量，.為估計(jì)的波頻運(yùn)動(dòng)分量;L為估計(jì)增益矩陣；
[0078] 上述波頻模型中并沒(méi)有白噪聲驅(qū)動(dòng)，原因在于，在估計(jì)波頻模型參數(shù)時(shí)，波頻模型 是由估計(jì)殘差驅(qū)動(dòng)的；
[0079]波頻模型參數(shù)向量記為
[0080] θ = [ωχ ωγ ωψ]τ (13)
[0081] 式中，ωχωγωΦ分別表示縱向、橫向和艏向上的主導(dǎo)頻率;Τ為轉(zhuǎn)置矩陣；
[0082]考慮到波頻模型參數(shù)為緩慢變化變量，因此合理地假設(shè)
[0083] 0 = 〇 (14)
[0084] 式中4為波頻模型參數(shù)向量Θ的一階導(dǎo)數(shù)；
[0085] 波頻模型在參數(shù)估計(jì)過(guò)程中的增廣狀態(tài)記為
[0086] χ=[θτ ξτ]τ (15)
[0087] 測(cè)量變量記為
[0088] y = (16)
[0089] 則增廣估計(jì)模型可重構(gòu)為
[0090] i = f(x) + L(y-Cx) (17)
[0091] 式中，i為增廣狀態(tài)的估計(jì)；
[0092]式（17)為抽象函數(shù)；
[0093] 假設(shè)采樣時(shí)間為％，對(duì)增廣估計(jì)模型進(jìn)行一階前向歐拉離散，則有
[0094] i(A: + l)二 F(i(A:)) + K(々}(>.(A：)-Ci(々)） Π 8)
[0095] 其中
[0096] F(i(t)) ?i(^) + r (f(x(A:))) (19)
[0097] K(k)=TsL(k) (20)
[0098] 對(duì)公式（18)進(jìn)行線性化
[0099] i(A- + 1) = Φ(^)χ(/,) + K(/c)(y(^) -Cx(^)) (21)
[0100] 其中
[0102] 式中，I為單位陣；
[0103] 估計(jì)殘差為
[0104] v.(k) = y(/〇-C\(/〇 (23)
[0105] 其中，C為輸出矩陣；
[0106] 選取參數(shù)估計(jì)的性能指標(biāo)為
[0108]基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，得到波頻模型參數(shù)
[0110]擴(kuò)展卡爾曼濾波算法如下：
[0111] 1)任意給定波頻模型參數(shù)初值I。并初始化波頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)向量|;
[0112] 2)選取擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)的設(shè)計(jì)參數(shù)Qident、Rident和Pident;
[0113] 3)預(yù)測(cè)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)向量
[0114] x(/V) = F(x(/c-i)) (.26)
[0115] 4)預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣
[0116] p(^) = F(fe)p(fe -+Q(^) (27)
[0117] 5)估計(jì)殘差
[0118] r.(/<) = _r(A)-Cx(/i) (2:8).
[0119] 6)計(jì)算殘差的協(xié)方差矩陣
[0120] S(a) = Η(α· )Ρ(^)Η'(Α:)+ R(A-) (29)
[0121] 7)計(jì)算次優(yōu)卡爾曼增益
[0122] K(A)-P(^)H'(A-)S-l(^) (30)
[0123] 8)估計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)
[0124] χ(Α) = χ(/?)+Α'(Α)ε(/〇
[0125] 9)估計(jì)協(xié)方差矩陣
[0126] P(/c} = (I-Ka-)H(/c})P(Ai (32)
[0127] 10)將估計(jì)值i.(:/〇傳送出去；
[0128] 11)判斷是否需要終止濾波，若繼續(xù)，轉(zhuǎn)步驟3)，若終止，轉(zhuǎn)步驟12);
[0129] 12)終止濾波。
[0130] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至四之一相同。
[0131 ]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一至五之一不同的是:所述的數(shù)據(jù) 處理分析功能模塊10判斷所估計(jì)波頻模型參數(shù)是否合理，并影響船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng) (1)中的模型更新系統(tǒng)12;具體過(guò)程為：
[0132] 判定所估計(jì)的波頻模型參數(shù)§是否收斂于預(yù)估主導(dǎo)頻率向量θ〇附近，即
[0133] <6 (33)
[0134] 其中，θ〇為預(yù)估主導(dǎo)頻率向量，δ是一個(gè)值很小的向量，如其某元素值為〇. 2rad/s; 如果波頻模型參數(shù)§收斂于預(yù)估主導(dǎo)頻率向量，則將模型更新邏輯設(shè)為假，并記錄所得波頻 模型參數(shù)，如果波頻模型參數(shù)§不收斂于預(yù)估主導(dǎo)頻率向量，則模型更新邏輯不變，并放棄 所得波頻模型參數(shù)?？刂苿?dòng)力定位系統(tǒng)循環(huán)，直至滿足收斂到預(yù)估主導(dǎo)頻率的條件。
[0135] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至五之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0136] 七:本實(shí)施方式與一至六之一不同的是:所述的δ取值 為0.2rad/s。
[0137] 其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】一至六之一相同。
[0138] 采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：
[0139] 實(shí)施例一：
[0140] 本實(shí)施例一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)具 體是按照以下步驟制備的：
[0141] 仿真試驗(yàn)
[0142] 為了驗(yàn)證本發(fā)明的波頻模型辨識(shí)效果，設(shè)計(jì)了波頻模型辨識(shí)仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)的目 的為了驗(yàn)證本發(fā)明的波頻模型辨識(shí)效果，因此要求仿真試驗(yàn)具有兩個(gè)模型：仿真波頻模型 和辨識(shí)波頻模型。波頻模型參數(shù)包括相對(duì)阻尼比和三個(gè)自由度上的主導(dǎo)頻率。選取仿真模 型的相對(duì)阻尼比ζ = 〇 . 1，主導(dǎo)頻率分別為ωχ=1.2、ωγ=1.〇和ωΦ=1.〇5。選取辨識(shí)模型的 相對(duì)阻尼ζ = 〇. 1，初始化主導(dǎo)頻率分別*ωχ = 〇.4、ωγ = 〇.4和ωΦ = 〇.55。時(shí)間窗長(zhǎng)度為 300秒，采樣時(shí)間為0.5秒。測(cè)量噪聲的特性矩陣心<^ = (^8([16-3 16-3 26-2])，過(guò)程噪聲 的特性矩陣弘<1(^ =乜&8([56-3 56-3 56-2 56-156-116-186-186-116-1])，初始化協(xié) 方差矩陣Pident = diag([le3 le3 le6 le5 le5 le7 le5 le5 le7])。
[0143] 仿真過(guò)程中時(shí)間窗內(nèi)記錄的三個(gè)自由度上的測(cè)量值ri中即包含波頻運(yùn)動(dòng)分量也包 括低頻運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。
[0144] 對(duì)上述取到的測(cè)量值進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取三個(gè)自由度上測(cè)量信息的頻譜特 性曲線。仿真模型的預(yù)估主導(dǎo)頻率都為l.Orad/s左右。
[0145] 選取0.35rad/s作為高通濾波器的通帶剪切頻率，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的10階 Butterworth高通濾波器的頻響特性曲線，把頻率較高的波頻運(yùn)動(dòng)分量和頻率較低的低頻 運(yùn)動(dòng)分量分離開(kāi)，濾出了船舶位姿的低頻運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，獲得波頻運(yùn)動(dòng)分量。
[0146] 測(cè)量信號(hào)經(jīng)過(guò)高通濾波器后得到波頻運(yùn)動(dòng)濾波值（然后對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展卡爾 曼濾波估計(jì)，得到波頻模型參數(shù)估計(jì)值，所估計(jì)波頻模型參數(shù)的曲線與仿真波頻模型參數(shù) 的真值對(duì)比如圖2a、2b和2c所示，可以看出波頻模型的參數(shù)估計(jì)值從初值開(kāi)始收斂到真值 附近，因此可以得出結(jié)論，本仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了基于EKF的波頻模型參數(shù)估計(jì)方法的有效性。
[0147] 本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域 技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于 本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)，其特征在于波頻模 型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)（2)包括:波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊(4)、時(shí)間窗提取模塊(5)、測(cè)量 信息序列提取模塊(6)、主導(dǎo)頻率預(yù)估器(7)、高通濾波器(8)、擴(kuò)展卡爾曼濾波器(9)、數(shù)據(jù) 處理分析功能模塊(10)、波頻模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊(11); 波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊(4)，用于實(shí)現(xiàn)波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)(2)的數(shù)據(jù)初始 化； 時(shí)間窗提取模塊（5)，用于從船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)（1)數(shù)據(jù)庫(kù)里提取一段時(shí)間的數(shù) 據(jù)； 測(cè)量信息序列提取模塊(6)，用于從時(shí)間窗里提取動(dòng)力定位船舶的位置和艏向測(cè)量信 息η; 主導(dǎo)頻率預(yù)估器(7)，用于從時(shí)間窗內(nèi)取出動(dòng)力定位船舶位置和艏向的測(cè)量信息ri，并 對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取測(cè)量信息的頻譜曲線并確定初始波頻模型參數(shù)； 高通濾波器(8)，用于對(duì)艏向的測(cè)量信息II進(jìn)行濾波，估計(jì)出波頻運(yùn)動(dòng)分量％ 擴(kuò)展卡爾曼濾波器(9)使用高通濾波器(8)估計(jì)出的波頻運(yùn)動(dòng)分量馬^對(duì)實(shí)際波頻模型 參數(shù)進(jìn)行估計(jì);估計(jì)出對(duì)應(yīng)的波頻模型參數(shù)§和波頻運(yùn)動(dòng)估計(jì); 數(shù)據(jù)處理分析功能模塊（10)判斷所估計(jì)波頻模型參數(shù)§是否合理，并影響船舶動(dòng)力定 位控制系統(tǒng)（1)中的模型更新系統(tǒng)（12); 波頻模型參數(shù)估計(jì)結(jié)束模塊(11)，用于將波頻模型參數(shù)§傳遞出去，并將船舶動(dòng)力定位 控制系統(tǒng)（1)中的模型更新邏輯設(shè)為假，完成波頻模型參數(shù)估計(jì)； 波頻模型參數(shù)估計(jì)系統(tǒng)(2)將波頻模型參數(shù)|返回給船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)（1)中的模 型更新系統(tǒng)（12)，完成波頻模型的更新功能。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系 統(tǒng)，其特征在于:所述的波頻模型參數(shù)估計(jì)功能啟動(dòng)模塊(4)進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化時(shí)將時(shí)間窗長(zhǎng) 度確定為600秒并調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)紀(jì)錄的內(nèi)容。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系 統(tǒng)，其特征在于:其特征在于所述的主導(dǎo)頻率預(yù)估器(7)，用于從時(shí)間窗內(nèi)取出動(dòng)力定位船 舶位置和艏向的測(cè)量信息η，并對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變換，獲取測(cè)量信息的頻譜曲線選取頻 譜曲線數(shù)據(jù)段進(jìn)行曲線擬合，獲取所擬合曲線的極大值，并從極大值里選取最大值，其對(duì)應(yīng) 的頻率作為預(yù)估主導(dǎo)頻率向量θ〇。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系 統(tǒng)，其特征在于:其特征在于所述的高通濾波器(8)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下： 根據(jù)船舶推力響應(yīng)特性和波頻運(yùn)動(dòng)分量的特點(diǎn)，將高通濾波器的技術(shù)指標(biāo)設(shè)為(1) 其中，H(e>)為濾波器的的幅頻特性，j表示虛數(shù)，ω為圓頻率(也稱(chēng)角頻率）； 在設(shè)計(jì)高通濾波器時(shí)，以原型低通濾波器為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后通過(guò)映射變換得到需 要的高通濾波器； (3) 原型低通濾波器為歸一化的原型低通濾波器，其截止頻率為 ω〇=1 (2) 原型低通濾波器的傳遞函數(shù)為 ~ --'ΙΓ. - 十 i 式中，S是傳遞函數(shù)變量，η是傳遞函數(shù)階數(shù);參數(shù)bi-bn+ι和ai_an+i采用10階Butterworth 逼近方法確定； 目標(biāo)高通濾波器的截止頻率為 ω =0.35 (4) 頻率映射關(guān)系為(5) 式中，s為傳遞函數(shù)變量，j表示虛數(shù)，s '為新的傳遞函數(shù)的變量； 得到高通濾波器系統(tǒng)函數(shù)(6) 經(jīng)過(guò)離散化，將上述高通濾波器系統(tǒng)函數(shù)轉(zhuǎn)化為差分方程(7) 式中，X為濾波系統(tǒng)的狀態(tài)，下標(biāo)k表示當(dāng)前采樣時(shí)刻，A、B、C、D為高通濾波器系統(tǒng)函數(shù) 對(duì)應(yīng)的差分方程的參數(shù)，u為濾波器的輸入； 至此，高通濾波器公式(11)已由低通濾波器的歸一化原型再經(jīng)頻率變換得到。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系 統(tǒng)，其特征在于:所述擴(kuò)展卡爾曼濾波器(9)使用高通濾波器(8)估計(jì)出的波頻運(yùn)動(dòng)分量 對(duì)實(shí)際波頻模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì);估計(jì)出對(duì)應(yīng)的波頻模型參數(shù)§ t 波頻運(yùn)動(dòng)的仿真模型結(jié)構(gòu)如下CwC 其中A4PCW為波頻模型參數(shù)矩陣;ξ為波頻模型狀態(tài);ru為船舶的波頻運(yùn)動(dòng)分量，即波頻 豐旲型的輸出；ω為尚斯白噪聲； 根據(jù)波頻運(yùn)動(dòng)的仿真模型，得到波頻運(yùn)動(dòng)的估計(jì)模型(8) 其中，上標(biāo)'表示估計(jì)值，ξ為波頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)向量，Aw和Cw為波頻模型參數(shù)矩陣，ε為 估計(jì)殘差向量，為估計(jì)的波頻運(yùn)動(dòng)分量;L為估計(jì)增益矩陣； 波頻模型參數(shù)記為 θ = [ ωχ ωγ ωψ]τ (9) 式中，ωχ coy ωΦ分別表示縱向、橫向和艏向上的主導(dǎo)頻率;T為轉(zhuǎn)置矩陣； 假設(shè) θ = 〇 (10) 式中，?為波頻模型參數(shù)Θ的一階導(dǎo)數(shù)； 波頻模型在參數(shù)估計(jì)過(guò)程中的增廣狀態(tài)記為 χ=[θτ ξτ]τ (11) 測(cè)量變量記為 y=%w, (12) 則增廣估計(jì)模型可重構(gòu)為(13) 式中，i為增廣狀態(tài)的估計(jì)； 假設(shè)采樣時(shí)間為^，對(duì)增廣估計(jì)模型進(jìn)行一階前向歐拉離散，則有 其中K(k)=TsL(k) (16) 對(duì)公式(18)進(jìn)行線性化 其中式中，I為單位陣； 估計(jì)殘差為其中，C為輸出矩陣； 選取參數(shù)估計(jì)的性能指標(biāo)為基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法，得到波頻模型參數(shù)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法如下： 1)任意給定波頻模型參數(shù)初值并初始化波頻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)向量.ξ_;_ 2 )選取擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF )的設(shè)計(jì)參數(shù)Qident、Rident和Pident; 3) 預(yù)測(cè)擴(kuò)展?fàn)钐?) 預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣 .........-, (23:)5) 估計(jì)殘差 v,( k) = )(/<)-(；：\(?<) (24) 6) 計(jì)算殘差的協(xié)方差矩陣(2S.) 7) 計(jì)算次優(yōu)卡爾曼增益 …（26) 8) 估計(jì)擴(kuò)展?fàn)顟B(tài) \(k)=x(k)+ K(k)t(k ) (27) 9) 估計(jì)協(xié)方差矩陣(28) 1 〇)將估計(jì)值&傳送出去； 11) 判斷是否需要終止濾波，若繼續(xù)，轉(zhuǎn)步驟3)，若終止，轉(zhuǎn)步驟12); 12) 終止濾波。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系 統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理分析功能模塊（10)判斷所估計(jì)波頻模型參數(shù)§是否合理， 并影響船舶動(dòng)力定位控制系統(tǒng)（1)中的模型更新系統(tǒng)（12);具體過(guò)程為：判定所估計(jì)的波廊爐縣否收斂于預(yù)估主導(dǎo)頻率向量θ〇,即 (2〇) 其中，θ〇為預(yù)估主導(dǎo)頻率向量，δ是一個(gè)向量;如果波頻模型參數(shù)§收斂于預(yù)估主導(dǎo)頻率 向量，則將模型更新邏輯設(shè)為假，并記錄所得波頻模型參數(shù)，如果波頻模型參數(shù)§不收斂于 預(yù)估主導(dǎo)頻率向量，則模型更新邏輯不變，并放棄所得波頻模型參數(shù);控制動(dòng)力定位系統(tǒng)循 環(huán)，直至滿足收斂到預(yù)估主導(dǎo)頻率的條件。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的動(dòng)力定位船舶波頻模型參數(shù)估計(jì)系 統(tǒng)，其特征在于所述的δ取值為0.2rad/s。
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK105867165SQ201610201150
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月1日
【發(fā)明人】夏國(guó)清, 劉菊, 陳興華, 紹興超, 劉建旭
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)