基于容積卡爾曼濾波的船舶非線性觀測器研究.pdf

1、動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning Systems,DP Systems)是一類重要的船舶控制系統(tǒng)。它利用船舶自身的推進(jìn)器系統(tǒng)使船舶保持期望的位置和艏向,或循著設(shè)定的軌跡航行。觀測器是DP系統(tǒng)的重要組成部分,主要如下的功能:濾除船舶位置和姿態(tài)測量噪聲,分離船舶低頻運(yùn)動(dòng)和高頻運(yùn)動(dòng),估計(jì)船舶速度和角速度,估計(jì)緩慢變化的環(huán)境干擾力。本文旨在設(shè)計(jì)采用容積卡爾曼濾波(Cubature Kalman Filte,CKF)方法的動(dòng)力

2、定位船舶非線性觀測器。
　　本文首先建立了船舶動(dòng)力定位數(shù)學(xué)模型。動(dòng)力定位船舶作業(yè)時(shí),在海洋環(huán)境力和推進(jìn)器系統(tǒng)的共同作用下,將產(chǎn)生復(fù)雜的三維空間內(nèi)的六自由度運(yùn)動(dòng)。對于動(dòng)力定位船舶,該運(yùn)動(dòng)可以看作是低頻運(yùn)動(dòng)和高頻運(yùn)動(dòng)的疊加。根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn),忽略變化較小的船舶升沉、縱搖和橫搖運(yùn)動(dòng),分別建立了水平面內(nèi)的船舶低頻運(yùn)動(dòng)模型和高頻運(yùn)動(dòng)模型,同時(shí)建立了動(dòng)力定位測量模型。并給出了動(dòng)力定位模型的狀態(tài)空間形式。由于用于測量的是數(shù)字測量設(shè)備,輸出信號(hào)是離

3、散的船舶位置和艏向,所以動(dòng)力定位系統(tǒng)是連續(xù)-離散型系統(tǒng),建立的模型就是連續(xù)-離散型狀態(tài)空間模型。
　　其次建立了海洋環(huán)境力模型。海洋環(huán)境力是導(dǎo)致動(dòng)力定位船舶偏離期望位置或航跡的主要因素。在本論文中,為了更好的設(shè)計(jì)觀測器,以及進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,建立了海洋環(huán)境力數(shù)學(xué)模型,包括風(fēng)數(shù)學(xué)模型、海浪數(shù)學(xué)模型和海流數(shù)學(xué)模型。
　　然后根據(jù)CKF的基本原理和方法,給出了平方根連續(xù)-離散容積卡爾曼濾波(Square-Root Continue-

4、Discrete Cubature Kalman Filter,SCD-CKF)算法。為了解決模型存在誤差和時(shí)變參數(shù),過程噪聲和觀測噪聲統(tǒng)計(jì)特性時(shí)變未知等問題,本文把參數(shù)狀態(tài)兩段互耦自適應(yīng)濾波的思想引入到CKF中,設(shè)計(jì)了兩段互耦自適應(yīng)容積卡爾曼濾波(Two-Stage Bootstrap Cubature Kalman Filter,TSB-CKF)算法。為提高方法的穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了平方根形式的TSB-CKF算法,并把這種方法應(yīng)用到連續(xù)-

5、離散型系統(tǒng)的濾波問題中,得到了平方根連續(xù)-離散兩段互耦自適應(yīng)容積卡爾曼濾波(Square-Root Continue-Discrete Two-Stage Bootstrap Cubature Kalman Filter,SCDTSB-CKF)算法。
　　接下來采用SCD-CKF和SCDTSB-CKF方法,完成了兩種船舶非線性觀測器的設(shè)計(jì)。前者適用于船舶動(dòng)力定位模型較為精確,海況不變或變化很小,且過程噪聲和測量噪聲統(tǒng)計(jì)特性已知的情

6、況。后者適用于船舶動(dòng)力定位模型存在誤差和時(shí)變參數(shù),海況變化較大,且過程噪聲和測量噪聲統(tǒng)計(jì)特性時(shí)變未知的情況。
　　最后完成了所設(shè)計(jì)的兩種動(dòng)力定位船舶非線性觀測器的仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)包括采用SCD-CKF方法的非線性觀測器仿真,采用SCD-CKF方法的非線性觀測器與PID控制器結(jié)合的仿真,這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都包括與無源非線性觀測器的對比仿真。同時(shí)還完成了采用SCDTSB-CKF方法的非線性觀測器仿真。通過仿真實(shí)驗(yàn),證實(shí)了本文設(shè)計(jì)的兩種船舶非線性