應(yīng)用于對開式泥駁船的SEADP動態(tài)定位系統(tǒng)
美國國家儀器有限公司
摘要： 對開式泥駁船是一種專用船只,，其主體結(jié)構(gòu)為2個鉸接的半船體。這2個半船體構(gòu)成了一種漏斗狀結(jié)構(gòu),，通過水力系統(tǒng)打開和關(guān)閉,。該船在航運作業(yè)中用來運輸并傾倒材料,，是大壩建筑的基礎(chǔ)。
Abstract：
Key words :
</a></a>PXI" title="PXI">PXI平臺(具備NMEA協(xié)議RS232和RS422串行接口)中的GPS,、陀螺儀,、風(fēng)速計、速度記錄和吃水傳感器來采集數(shù)據(jù),。采樣率的變化范圍從速度記錄的10 s到差分全球定位系統(tǒng)(DGPS)實時運動(RTK)的10 Hz,。PXI硬件還通過RS232串行接口、以75 Hz的頻率對慣性運動單元(IMU)進(jìn)行采樣,。泥駁船的推進(jìn)器系統(tǒng)由3個推動設(shè)備構(gòu)成,，能夠從任意平面角度輸出大小可變的力。當(dāng)功率為2 100 kW時,，推動力為200 kN,。
在解決方案中有2個CompactRIO系統(tǒng)，它們與NI PXI實時控制器以10 Hz頻率同步工作(中斷方式),。其中一個系統(tǒng)完成與SCHOTTEL橫向推力器的數(shù)字邏輯接口,、狀態(tài)與方位角推力方向信號的采集、輸出命令信號,、調(diào)整柴油發(fā)動機(jī)的風(fēng)門并按照方位角方向推力,。客戶端/服務(wù)器TCP結(jié)構(gòu)采用觸摸屏顯示器進(jìn)行信號監(jiān)測和用戶輸入,。借助LabVIEW,，系統(tǒng)可以飛快地運行。
控制總板包含了所有的指示器和按鈕,，從而保證當(dāng)控制計算機(jī)和監(jiān)測管理計算機(jī)之間出現(xiàn)通信故障時,， 系統(tǒng)仍然可以正常工作。另外,，操作人員可使用操縱桿手動控制泥駁船的位置和航向,。將天線位置的GPS和DGPS的三維定位轉(zhuǎn)移到泥駁船中心，用來控制泥駁船的搖擺,、傾斜和偏航角,。泥駁船的位置在通用橫向墨卡托投影(UTM)坐標(biāo)中給出。風(fēng)速計測量相對速度和風(fēng)向,，將其作為氣動阻力模型的輸入，估算除去陣風(fēng)以外的平均風(fēng)力,。
IMU記錄了泥駁船重心處主軸線的旋轉(zhuǎn)速率和加速度,。卡爾曼濾波器計算搖擺幅度和傾斜角,，而陀螺儀則計算偏航角或者真實航向,。使用加速度時間序列的頻域處理方法,，提取高頻(HF)激增、搖擺和偏航運動,。使用遞歸最小方差估計方法,，根據(jù)搖擺角來計算因海浪所引起的泥駁船運動周期。使用推進(jìn)器設(shè)備中的方位角和螺旋槳精度傳感器來估計作用在泥駁船上的所有力和動量,。
SEADP中,，泥駁船模型的SEADP遞歸估計的起點是所采取的吃水程序。在非線性狀態(tài)觀察器和LQR控制器中采用一種具體的泥駁船模型,。
狀態(tài)觀察器和控制器
巨浪,、風(fēng)和水流中的泥駁船運動是波浪頻率的運動(0.05 Hz～0.2 Hz)和由波浪沖擊所引起的低頻運動的疊加。實際上,，由于波浪運動是由泥駁船的寬度力導(dǎo)致的,，所以無法消除。因為這些頻率都落在推進(jìn)器設(shè)備的帶寬內(nèi),，所以必須充分地濾除波浪運動,，以避免船體過度磨損。因此采用一種非線性狀態(tài)觀察器來濾除波浪運動,。該狀態(tài)觀察器由泥駁船運動的低頻(LF)模型,、推進(jìn)器系統(tǒng)響應(yīng)、波浪運動和環(huán)境干擾的隨機(jī)模型等構(gòu)成,，從而可以獲得較平穩(wěn)的低頻運動和船速估計,。
控制器則根據(jù)泥駁船的低頻運動、速度和目標(biāo)位置偏移,，采用線性二次型調(diào)節(jié)(LQR)來計算力和動量,。反饋控制器將最小化位置偏移和功率/推進(jìn)力的加權(quán)積分。更進(jìn)一步,，實時估計的風(fēng)力將前饋,，以提高控制器的性能?？刂破魇謩?自動控制搖擺和偏航運動,，并控制縱向力和橫向力。必須將動量定位在多個不同推進(jìn)設(shè)備的回轉(zhuǎn)點上,，而這在SEADP中由在線二次編程技術(shù)完成,。
未來SEADP開發(fā)
將這項用于對開式泥駁船的技術(shù)應(yīng)用到針對居住泥駁船的DP-1系統(tǒng)中。居住泥駁船是一種停泊在海上平臺附近的水上酒店,。與前面的結(jié)構(gòu)類似,，NI PXI實時控制器從周圍采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采用CompactRIO同步控制泥駁船的運動。為了在這種對時間要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)中分配好控制,，增加了NI 9144 CompactRIO擴(kuò)展機(jī)箱,，借助實時以太網(wǎng)與PXI控制器同步通信。遠(yuǎn)程I/O的高度決定性以及與LabVIEW實時軟件的緊密集成是向系統(tǒng)中增加NI 9144的主要原因,。這種新型的分布式控制結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性與模塊性,，同時降低了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜的整體成本。
SEADP解決了第一層(Class I)的DP要求,，而推進(jìn)設(shè)備或控制器的任意故障都可能導(dǎo)致位置信息丟失,。更高層Class II和Class III的要求則涉及到物理和邏輯方面的冗余，以及一些特殊的應(yīng)用特征,，如在線單次故障后果分析,。期望NI的硬件和軟件能夠克服這些挑戰(zhàn)。
在解決方案中有2個CompactRIO系統(tǒng)，它們與NI PXI實時控制器以10 Hz頻率同步工作(中斷方式),。其中一個系統(tǒng)完成與SCHOTTEL橫向推力器的數(shù)字邏輯接口,、狀態(tài)與方位角推力方向信號的采集、輸出命令信號,、調(diào)整柴油發(fā)動機(jī)的風(fēng)門并按照方位角方向推力,。客戶端/服務(wù)器TCP結(jié)構(gòu)采用觸摸屏顯示器進(jìn)行信號監(jiān)測和用戶輸入,。借助LabVIEW,，系統(tǒng)可以飛快地運行。
控制總板包含了所有的指示器和按鈕,，從而保證當(dāng)控制計算機(jī)和監(jiān)測管理計算機(jī)之間出現(xiàn)通信故障時,， 系統(tǒng)仍然可以正常工作。另外,，操作人員可使用操縱桿手動控制泥駁船的位置和航向,。將天線位置的GPS和DGPS的三維定位轉(zhuǎn)移到泥駁船中心，用來控制泥駁船的搖擺,、傾斜和偏航角,。泥駁船的位置在通用橫向墨卡托投影(UTM)坐標(biāo)中給出。風(fēng)速計測量相對速度和風(fēng)向,，將其作為氣動阻力模型的輸入，估算除去陣風(fēng)以外的平均風(fēng)力,。
IMU記錄了泥駁船重心處主軸線的旋轉(zhuǎn)速率和加速度,。卡爾曼濾波器計算搖擺幅度和傾斜角,，而陀螺儀則計算偏航角或者真實航向,。使用加速度時間序列的頻域處理方法,，提取高頻(HF)激增、搖擺和偏航運動,。使用遞歸最小方差估計方法,，根據(jù)搖擺角來計算因海浪所引起的泥駁船運動周期。使用推進(jìn)器設(shè)備中的方位角和螺旋槳精度傳感器來估計作用在泥駁船上的所有力和動量,。
SEADP中,，泥駁船模型的SEADP遞歸估計的起點是所采取的吃水程序。在非線性狀態(tài)觀察器和LQR控制器中采用一種具體的泥駁船模型,。
狀態(tài)觀察器和控制器
巨浪,、風(fēng)和水流中的泥駁船運動是波浪頻率的運動(0.05 Hz～0.2 Hz)和由波浪沖擊所引起的低頻運動的疊加。實際上,，由于波浪運動是由泥駁船的寬度力導(dǎo)致的,，所以無法消除。因為這些頻率都落在推進(jìn)器設(shè)備的帶寬內(nèi),，所以必須充分地濾除波浪運動,，以避免船體過度磨損。因此采用一種非線性狀態(tài)觀察器來濾除波浪運動,。該狀態(tài)觀察器由泥駁船運動的低頻(LF)模型,、推進(jìn)器系統(tǒng)響應(yīng)、波浪運動和環(huán)境干擾的隨機(jī)模型等構(gòu)成,，從而可以獲得較平穩(wěn)的低頻運動和船速估計,。
控制器則根據(jù)泥駁船的低頻運動、速度和目標(biāo)位置偏移,，采用線性二次型調(diào)節(jié)(LQR)來計算力和動量,。反饋控制器將最小化位置偏移和功率/推進(jìn)力的加權(quán)積分。更進(jìn)一步,，實時估計的風(fēng)力將前饋,，以提高控制器的性能?？刂破魇謩?自動控制搖擺和偏航運動,，并控制縱向力和橫向力。必須將動量定位在多個不同推進(jìn)設(shè)備的回轉(zhuǎn)點上,，而這在SEADP中由在線二次編程技術(shù)完成,。
未來SEADP開發(fā)
將這項用于對開式泥駁船的技術(shù)應(yīng)用到針對居住泥駁船的DP-1系統(tǒng)中。居住泥駁船是一種停泊在海上平臺附近的水上酒店,。與前面的結(jié)構(gòu)類似,，NI PXI實時控制器從周圍采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采用CompactRIO同步控制泥駁船的運動。為了在這種對時間要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)中分配好控制,，增加了NI 9144 CompactRIO擴(kuò)展機(jī)箱,，借助實時以太網(wǎng)與PXI控制器同步通信。遠(yuǎn)程I/O的高度決定性以及與LabVIEW實時軟件的緊密集成是向系統(tǒng)中增加NI 9144的主要原因,。這種新型的分布式控制結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性與模塊性,，同時降低了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜的整體成本。
SEADP解決了第一層(Class I)的DP要求,，而推進(jìn)設(shè)備或控制器的任意故障都可能導(dǎo)致位置信息丟失,。更高層Class II和Class III的要求則涉及到物理和邏輯方面的冗余，以及一些特殊的應(yīng)用特征,，如在線單次故障后果分析,。期望NI的硬件和軟件能夠克服這些挑戰(zhàn)。
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