動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開(kāi)設(shè)及將使用動(dòng)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(shù)】
[0002] 已經(jīng)存在多種解決設(shè)及最小化功耗的問(wèn)題的嘗試，其中所述功耗設(shè)及針對(duì)天氣相 關(guān)事件的DP船舶的位置和航向控制。一種方案通過(guò)估計(jì)左艇側(cè)和右艇側(cè)的力并通過(guò)最小 化所需的側(cè)向力（即，左艇-右艇方向的推進(jìn)力）來(lái)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(shí)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(huì)由于目標(biāo)航向的變化率增大而不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] DP系統(tǒng)本質(zhì)上是高耗能的，因?yàn)镈P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(guān)注的領(lǐng)域。運(yùn)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(huì)導(dǎo)致推進(jìn)器功率需求的增加。 對(duì)于大多數(shù)船舶，使船首指向風(fēng)和/或水流可減少環(huán)境力，從而減少對(duì)推進(jìn)器的功率需求。 此外，基于前面所述的設(shè)及最小化DP船舶所使用的推進(jìn)器功率的缺點(diǎn)，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(cè)量值控制航向時(shí)允許對(duì)DP航向進(jìn)行調(diào)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(shí)使用操作員指定的數(shù)據(jù)選擇舒適 的航向并自動(dòng)調(diào)整航向增益。
[0004] 高能效DP系統(tǒng)和方法的一個(gè)益處是它通過(guò)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(shè)計(jì)為基于船舶上所測(cè)量的施加的側(cè)向力而不是 側(cè)向力需求來(lái)改變船舶航向。只使用側(cè)向力需求來(lái)確定所需的船舶航向可導(dǎo)致船舶消耗不 需要的能量和耗費(fèi)額外的燃料。 陽(yáng)0化]本公開(kāi)中，該系統(tǒng)和方法通過(guò)使用觀測(cè)器系統(tǒng)估計(jì)船舶的側(cè)向力，觀測(cè)器系統(tǒng)可W是一個(gè)線性二次估計(jì)程序化犯)，也稱為Kalman濾波器。向觀測(cè)器系統(tǒng)提供位置和航向 的測(cè)量值。在某些實(shí)施例中，觀測(cè)器系統(tǒng)應(yīng)用波形濾波器程序除去與波形運(yùn)動(dòng)相關(guān)的測(cè)量 噪聲，且從而產(chǎn)生排除了波形運(yùn)動(dòng)的位置和速度的估計(jì)值。
[0006] 船舶位置、船舶速度和天氣力的估計(jì)被發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)計(jì)算維持船舶 位置和航向的推進(jìn)需求。對(duì)船舶航向的控制保證由于天氣所導(dǎo)致的側(cè)向力最小化。
[0007] 在某些實(shí)施例中，還向觀測(cè)器系統(tǒng)提供天氣信息。例如，來(lái)自一個(gè)或多個(gè)風(fēng)速計(jì)的 測(cè)量被用于估計(jì)船舶上的風(fēng)力并被饋送給觀測(cè)器W改進(jìn)其對(duì)天氣力的估計(jì)。
[0008] 在其它實(shí)施例中，觀測(cè)器系統(tǒng)僅接收它用來(lái)提供船舶上天氣力估計(jì)值的天氣信 息。
[0009] 在某些實(shí)施例中，如果提供給觀測(cè)器系統(tǒng)的一些或全部測(cè)量值缺失，則觀測(cè)器系 統(tǒng)繼續(xù)提供船舶上環(huán)境力的估計(jì)。
[0010] 在其它實(shí)施例中，該系統(tǒng)和方法允許根據(jù)天氣狀態(tài)對(duì)航向增益進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。當(dāng) 惡劣天氣期間（大風(fēng)、高流速或大浪）船舶上的天氣力大時(shí)，有可能航向控制程序?qū)⒆兊貌?穩(wěn)定，導(dǎo)致大的航向振蕩。可通過(guò)隨著天氣力的增加降低航向調(diào)整程序的響應(yīng)速度來(lái)避免 大的振蕩。另一益處是當(dāng)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(shí)，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?yàn)樗?的橫蕩力驅(qū)動(dòng)航向改變。相反，在此描述的某些實(shí)施例中，僅航向軸由DP系統(tǒng)控制。在運(yùn) 樣的實(shí)施例中，航向改變由對(duì)來(lái)自側(cè)向力，即左艇-右艇方向的力的L犯估計(jì)驅(qū)動(dòng)。盡管側(cè) 向力影響航向變化，但即使運(yùn)動(dòng)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(duì)航向進(jìn)行調(diào)整。本公開(kāi)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(duì)船舶乘員來(lái)說(shuō)更 舒適的航向。
[0012] 本系統(tǒng)和方法的又一益處是可應(yīng)用于非船形的船舶。在本公開(kāi)中，該系統(tǒng)和方法 可用于受側(cè)向力的任何船舶。 提供了W下技術(shù)方案： 1、 一種動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，包括： 控制器，包括： 處理器訊 其上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器，當(dāng)所述指令被處理器執(zhí)行時(shí)，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(jì)算： 基于一個(gè)或多個(gè)橫蕩環(huán)境力的測(cè)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(shí)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(biāo)航向。 2、 如技術(shù)方案1所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括基于所述目標(biāo)航向 產(chǎn)生推進(jìn)器控制信號(hào)。 3、 如技術(shù)方案1所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，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(cè)量值計(jì)算橫蕩力偏移； 基于W下之和計(jì)算該總和值： 所述一個(gè)或多個(gè)橫蕩環(huán)境力的測(cè)量值；和 所述橫蕩力偏移。 4、 如技術(shù)方案3所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述橫蕩力偏移基于W下公式計(jì)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(shù)方案3所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于橫蕩風(fēng)力系數(shù)和縱蕩風(fēng)力系數(shù)計(jì)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(cè)量值，再乘W所述偏移 增益，計(jì)算所述橫蕩力偏移。 6、 如技術(shù)方案5所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述偏移增益基于W下公式計(jì)算：
其中Kx2y是偏移增益，C胃是橫蕩風(fēng)力系數(shù)，是縱蕩風(fēng)力系數(shù)。 7、 如技術(shù)方案3所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于風(fēng)速除W縱蕩環(huán)境力計(jì)算乘數(shù)值； 確定調(diào)整值的值，其中該調(diào)整值的值為： 如果所述乘數(shù)的絕對(duì)值小于1，則等于所述乘數(shù)值；或 如果所述乘數(shù)的絕對(duì)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(diào)整值的乘積計(jì)算所述乘積值。 8、 如技術(shù)方案7所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述乘數(shù)基于W下公式計(jì)算：
其中化）是所述乘數(shù)，V。。。是所述風(fēng)速，F(xiàn)ex是所述縱蕩環(huán)境力。 9、 如技術(shù)方案8所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括當(dāng)所述風(fēng)速超過(guò)預(yù) 定速度時(shí)計(jì)算所述乘數(shù)。 10、 如技術(shù)方案8所述的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其中橫蕩力偏移基于W下公式計(jì)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(shù)方案10的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所 述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于橫蕩風(fēng)力系數(shù)和縱蕩風(fēng)力系數(shù)計(jì)算所述偏移增益。 12、 根據(jù)技術(shù)方案11的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述偏移增益基于W下公式計(jì)算：
其中Kx2y是所述偏移增益，C胃是所述橫蕩風(fēng)力系數(shù)，是所述縱蕩風(fēng)力系數(shù)。 13、 根據(jù)技術(shù)方案1的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所述 指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，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(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所述指令被所 述處理器執(zhí)行時(shí)，使得所述處理器執(zhí)行操作，所述操作包括： 基于風(fēng)速除w縱蕩環(huán)境力計(jì)算乘數(shù)值； 確定調(diào)整值的值，其中所述調(diào)整值的值為： 如果所述乘數(shù)的絕對(duì)值小于1，則等于所述乘數(shù)值；或 如果所述乘數(shù)的絕對(duì)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(diào)整值的乘積計(jì)算所述乘積值。 15、 根據(jù)技術(shù)方案14的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述乘數(shù)基于W下公式計(jì)算：
其中（K)是所述乘數(shù)，V。。。是所述風(fēng)速，F(xiàn)ex是所述縱蕩環(huán)境力。 16、 根據(jù)技術(shù)方案1的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，包括被配置為測(cè)量天氣狀態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)， 所述存儲(chǔ)器上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令，在所述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，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(jì)算所述一個(gè)或多個(gè)橫蕩環(huán)境力的測(cè)量 值。 17、 根據(jù)技術(shù)方案16的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，其中所述天氣狀態(tài)數(shù)據(jù)包括風(fēng)的速度和方向。 18、 根據(jù)技術(shù)方案1的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，包括推進(jìn)器系統(tǒng)。 19、 根據(jù)技術(shù)方案18的動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)，所述推進(jìn)器系統(tǒng)包括隧道式推進(jìn)器、方位推進(jìn) 器、方向艙、螺旋獎(jiǎng)、噴水式噴射器和擺線型螺旋獎(jiǎng)中的至少一個(gè)。 20、 一種用于動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)的控制器，包括： 處理器訊 其上保存有計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)器，在所述指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，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(jì)算： 基于一個(gè)或多個(gè)橫蕩環(huán)境力的測(cè)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(shí)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(biāo)航向。
[0013] 下面將參考附圖詳細(xì)地描述本公開(kāi)的進(jìn)一步特征和優(yōu)點(diǎn)，W及本公開(kāi)各種實(shí)施例 的結(jié)構(gòu)和操作。注意本公開(kāi)并不局限于在此描述的特定實(shí)施例。運(yùn)些實(shí)施例在此提出僅僅 是出