SEADP动态定位系统在开式泥驳船中的应用-设计应用

精品文档-下载后可编辑SEADP动态定位系统在开式泥驳船中的应用-设计应用对开式泥驳船是一种专门的船只，其主体结构是两个铰接的半船体。这两个半船体构成了一种漏斗状结构，由水力系统来打开和关闭。该船在航运作业中，用来运输并倾倒材料，是大坝建筑的基础。

在倾倒操作中，船的排水量会降低三分之二，而受风面积会增加一倍。这将导致风、海流和海浪冲击力迅速改变，从而使泥驳船产生非预期的偏移。所以在倾倒操作中，可能会导致非常昂贵的材料浪费。

SEADP是一种动态定位（DP）系统，专门用于在整个倾倒过程中，操纵对开式泥驳船并控制泥驳船的位置和航向。在倾倒中，该系统逐渐靠近目标位置，然后控制并保持住位置和方向。

系统描述

我们采用PXI平台（具备NMEA协议RS232和RS422串行接口）中的GPS、陀螺仪、风速计、速度记录和吃水传感器来采集数据。采样率的变化范围为从速度记录的10s到差分定位系统（DGPS）实时运动（RTK）的10Hz.PXI硬件还通过RS232串行接口，以75Hz的频率对惯性运动单元（IMU）进行采样。泥驳船的推进器系统由三个推动设备构成，能够以任意平面角度施出大小可变的力。当功率为2100kW时，推动力为200kN.

在我们的解决方案中有两个CompactRIO系统，它们与NIPXI实时控制器以10Hz频率同步工作（中断方式）。其中一个系统完成与SCHOTTEL横向推力器的数字逻辑接口、状态与方位角推力方向信号的采集、输出命令信号、调整柴油发动机的风门并按照方位角方向推力。

客户端/服务器TCP结构采用触摸屏显示器，进行信号监测和用户输入。借助LabVIEW,系统可以飞快地运行。

控制板总包含了所有的指示器和按钮，从而保证当控制计算机和监测管理计算机之间出现通信故障时，系统仍然可以正常工作。另外，操作人员可是使用操纵杆来手动控制泥驳船的位置和航向。将天线位置的GPS和DGPS的三维定位转移到泥驳船中心，来控制泥驳船的摇摆、倾斜和偏航角。泥驳船的位置在通用横向墨卡托投影（UTM）坐标中给出。风速计测量相对速度和风向，将其作为气动阻力模型的输入，来估算除去阵风以外的平均风力。

IMU记录了泥驳船重心处主轴线的旋转速率和加速度。卡尔曼滤波器计算摇摆幅度和倾斜角，而陀螺仪则计算偏航角或者真实航向。我们使用加速度时间序列的频域处理方法，来提取高频（HF）激增、摇摆和偏航运动。我们还使用递归方差估计的方法，根据摇摆角来计算因海浪所引起的泥驳船运动周期。

我们使用推进器设备中的方位角和螺旋桨精度传感器来估计作用在泥驳船上的所有力和动量。

SEADP中，泥驳船模型的SEADP递归估计的起点是所采取的吃水程序。我们在非线性状态观察器和LQR控制器中采用一种具体的泥驳船模型。

状态观察器和控制器

我们认为巨浪、风和水流中的泥驳船运动，是波浪频率的运动（0.05to0.2Hz）和由波浪冲击所引起的低频运动的叠加。实际上，由于波浪运动是由泥驳船的宽度力（weightmagnitudeforce）导致的，所以无法消除。因为这些频率都落在推进器设备的带宽内，所以我们必须充分地滤除波浪运动，以避免船体过度的磨损。

我们采用一种非线性状态观察器来滤除波浪运动。该状态观察器由泥驳船运动的低频（LF）模型、推进器系统响应、波浪运动和环境干扰的随机模型等构成，从而可以获得较平稳的低频运动和船速估计。

控制器则根据泥驳船的低频运动、速度和目标位置偏移，采用线性二次型调节（LQR）来计算力和动量。反馈控制器将化位置偏移和功率/推进力的加权积分。更进一步，实时估计的风力将前馈，以提高控制器的性能。控制器手动/自动控制摇摆和偏航运动，并控制纵向力和横向力。我们必须将动量定位在多个不同推进设备的回转点上，而这在SEADP中则由在线二次编程技术完成。

未来SEADP开发

我们将这项用于对开式泥驳船的技术应用到针对居住泥驳船（accommodationbarge）的DP-1系统中。居住泥驳船是一种停泊在海上平台附近的水上酒店。与前面的结构类似，NIPXI实时控制器从周围采集环境数据。我们采用CompactRIO同步控制泥驳船的运动。为了在这种对时间要求比较严格的系统中分配好控制，我们增加了NI9144CompactRIO扩展机箱，借助实时以太网与PXI控制器同步通信。远程I/O的高度决定性，以及与LabVIEW实时软件的紧密集成，是向系统中增加NI9144的主要原因。这种新型的分布式控制结构提高了系统的可靠性与模块性，同时降低了标准以太网电缆的整体成本。

SEADP解决了层（ClassI）的DP的要求，而推进设备或控制器的任意故障都可能导致位置信息丢失。更高层ClassII和ClassIII的要求则涉及到物理和逻辑方面的冗余，以及一些特殊的应用特征如在线单次故障后果分析。我们期望NI的硬件和软件能够克服这些挑战。

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