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1、第1章 绪论1.1 课题的背景与研究意义众所周知，随着世界经济的高速发展，地球上人口的急剧增加，能源和资源短缺问题越来越突出。人们把目光更多的投向资源广阔的海洋，这是因为占地球总面积2/3以上的浩瀚大海里，有极其丰富的海水化学资源、海底矿产资源、海洋动力资源和海洋生物资源。21世纪人类将全面步人海洋经济时代，人们对海洋的开发和探索的范围也将越来越广，从而对深海作业的浮式生产系统（包括半潜平台，生产油轮等）的系泊方式的研究日益重视。一般水深情况下，浮式生产系统的系泊主要采用锚泊系统，但随着水深的增加，锚泊系统的抓底力减小，抛锚的困难程度增加，同时锚泊系统的锚链长度和强度都要增加，进而重量剧增，海
2、上布链作业也变得复杂，系泊锚链的造价和安装费用猛增，其定位功能也受到很大限制。随着近海工程的大规模建设和海洋资源的开发，为这些工程服务的技术水平也在迅速发展。在这方面拥有先进技术与装备的国家，在竞争中将占有明显的优势。海洋工程与陆地工程相比，对技术和设备的依赖性更大，要求更高。由于海洋环境的复杂和多变，如果没有先进的技术与装备来支持，即使面对丰富的海洋资源，想予以开发和利用也是无能为力。新的联合国海洋公约法实施后，中国已拥有太平洋部分海域的优先勘探和开发权，这对我们是机遇，但更多的是挑战。海洋工程技术的需求日益迫切，而海上作业系统动力定位作为其中基础性的关键技术，其发展则有着极为重要的意义。1
3、.1.1 动力定位系统概况海上作业系统的动力定位系统（Dynamic Positioning system）是一个闭环的控制系统，它是指海上作业系统，比如轮船、深海钻井平台等系统，利用其本身具有的动力来克服风、波浪、海流等外部环境干扰，从而使之能够保持在一定的位置和方向上。更进一步说明，是指不借助锚泊系统的作用，而用精密、先进的仪器来测定海上作业系统因为风、浪、流等外界扰动作用而发生的位移和方向变化，检测出船舶的实际位置与目标位置的偏差，同时通过计算机等自动控制系统对信息进行处理和计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，并对船舶上各推力器进行推力分配，进而使各推力器产生相应的推力，从而使船尽
4、可能地保持在海平面上要求的位置上。其优点是定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便。此外，如果将定位点以一定速度沿预定轨迹运动，也可实现航迹保持。与普通依靠舵实线航迹保持相比，动力定位系统具有横向运动的能力，从而为实现更高精度的航迹保持提供了可能性。随着人类对海洋的开发和探索，动力定位技术显得越来越重要，因此对动力定位系统的研究也就具有越来越重要的意义。国际上许多国家都开展了对船舶动力定位的研究。对于现代船舶而言，除了要求安装传统的自动驾驶系统外，还要求更多的自动控制系统（如辅以导航系统的自动轨迹控制系统、精确的按气候制定航线和计划的系统）。为了适应多种海上操作的需要，现在动力定位系
5、统被安装在多种类型的船上。将来，自动停靠系统以及在限制水域里采用动力定位系统的精确定位系统，会得到更多的应用。动力定位系统可以广泛的用于深水打捞、海上钻探、平台补给、海洋考察、海底测量、海底管线敷设和维修、支援潜水作业、援潜救生、猎扫雷作战、海上消防以及渔业等多种民用和军事用途。对动力定位系统给出一个比较全面的描述，从理论和实践上解决动力定位系统构成与应用，对发展我国的船舶动力定位技术、提高我国造船工业技术水平有着重要的意义。船舶动力定位系统的实现对于提高我国造船工业中的高附加值产品技术的开发和推广有着十分重要的理论意义与实用价值。动力定位系统的未来充满了许多引人注目的潜在用途和发展可能性。1
6、.1.2 水下机器人概况人类关注海洋，是因为陆上的资源有限，海洋中却蕴藏着丰富的矿产资源、生物资源和能源。另一个重要原因是，占地球表面积49的海洋是国际海底区域，该区域内的资源不属于任何国家，而属于全人类。但是如果哪一个国家有技术实力，就可以独享这部分资源。因此争夺国际海底资源也是一项造福子孙后代的伟大事业。水下机器人作为一种高技术手段，在海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。20世纪，水下机器人技术作为人类探索海洋的最重要的手段，受到了人们普遍的关注。进入21世纪，海洋作为人类尚未开发的处女地，已成为国际上战略竞争的焦点，因而也成为高技术研
7、究的重要领域。毫不夸张地说，本世纪是人类进军海洋的世纪。水下机器人也称作潜水器（Underwater Vehicles），准确地说，它不是人们通常想象的具有人形的机器，而是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置，其外形更像一艘潜艇。水下机器人的种类很多，其中载人潜水器、有缆遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicles, ROV）、无缆自治水下机器人（Autonomous Underwater Vehicle, AUV）是三类最重要的潜水器。ROV通过电缆由母船向其提供动力，人在母船上通过电缆对ROV进行遥控。而AUV自带能源，依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成人赋
8、予的使命。它们比载人潜水器要小，也更灵活。本文所研究的水下目标跟踪作为船舶动力定位系统的一项重要功能，要求系统能使船舶自动跟踪水下移动目标（如水下遥控潜器ROV），并保持本船与水下目标的距离与方位不变。该功能为水下的科研工作提供了方便和保障。1.2 课题的发展与研究现状船舶动力定位系统在20世纪60年代开始出现雏形，第一艘装有自动反馈系统的动力定位船是“尤勒卡”号。在第一代的动力定位船舶中，最成功的而且也是最出名的是“格诺玛挑战者”号。该船是勘探船，他的冒险业绩遍布全球，几乎遍游地球的每一个大洋，收集水深达2000英尺处的岩心物质，为地质学的发现提供了有力的证据。早期的动力定位系统对船舶的尺寸
9、和形状没有什么影响，船上装有动力定位系统的最显著的标志，就是它装有多台推力器，第一代动力定位系统是采用常规的PID控制器，其控制方式也大多是采用模拟式控制器，一般无冗余技术和风前馈控制技术，位置传感器单一。1.2.1 动力定位系统的发展历程进入70年代，随着人们对海洋资源的开发，动力定位系统的应用日益广泛，需求促进发展，第二代动力定位系统开始安装到各种船舶。第二代动力定位系统一般采用数字式控制器，系统中普遍采用了风前馈控制和冗余技术，位置传感器由单一型发展成综合性。第二代动力定位系统船舶“塞德柯45号”，是1971年投入营运的。该船的动力定位系统主要是采用了有16位的微机组成的数字式控制器，系
10、统中的各个元件都有冗余，这样该船可以长期不间断运行。装有第二代动力定位系统的船舶有钻探船、支援近海水面作业船、检查管道等水下工程船和采矿船等。“休士格洛马探险者号”是第一艘动力定位采矿船，也是装备动力定位系统的最大船舶，排水量六万三千多吨。Pholas号是英国20世纪70年代最早应用动力定位技术的船之一，这是一艘钻井船，钻取岩心用来实地考察。这艘船至今仍在工作，只是安装了一套新的DP控制系统。70年代末，由于海上开发有向深海发展的趋势，对动力定位船舶的需求量不断增长，同时要求也日益提高。要求动力定位控制系统必须在一定的气候条件下，维持船舶的位置和艏向，最大允许的位置误差通常规定为水深的百分之三
11、左右，要求控制系统不必控制船舶的高频波动，这是因为船上的推力器功率有限，不可能有效地抵消高频周期运动，相反却使推力器系统增加能量消耗和磨损。若在PID控制器的基础上，采用低通滤波技术，可以滤除高频信号，但它却使定位误差信号产生相位滞后。这种相位滞后限制了可以用于控制器的相角裕量，因此滤波效果越好，则对控制器带宽和定位精度的限制就愈大。这些矛盾促使第二代动力定位系统的出现，第二代动力定位系统是应用最优随机控制理论设计控制器，将船舶运动系统数学模型分为高频系统模型和低频系统模型，采用Kalman滤波技术给出状态反馈控制用的低频状态估计值。由于状态反馈信号只从Kalman滤波器低频段获得，因此控制系
12、统只响应船舶低频运动，而不响应高频运动。由于船舶运动方程是非线性的，在不同的海况下，扰动模型也是不同的。要解决这个问题，需要采用扩展的Kalman滤波器，但因为要在线计算Kalman滤波器增益，且状态方程的阶次较高，计算工作量相当大，难以在线应用。80年代，装有动力定位系统的船舶更加广泛，很多新的控制技术应用于船舶动力定位，荷兰Marin在20世纪80年代初期即确定了关于推力器和定位的研究计划，并开展了动力定位的模型试验，内容包括：推力器和推力器之间的相互作用；推力器和船体的相互作用；环境力和低频运动。研究结果产生了应用于动力定位的模拟程序RUNSIM，包括模拟试验的程序DPCON和理论模型计
13、算的程序DPSIM。解决了流力风力、二阶波浪漂移力、推力器力的计算，提出了波前反馈的概念。同时Marin还开展了下述工作：DP-assisted mooring mode，即动力定位系统和系泊系统联合使用的情况；动力定位系统在轨道航行（OT）方面的应用；动力定位设计阶段的性能、要求功率和经济性的估算。而“西伯克斯1号”是八十年代投入使用的功率较大、设备较先进的近海工程供应船。它的动力定位采用了ADP503惯性导航系统，从而提高了定位能力。该船艏艉部各装有功率为1627千瓦，转速为每分钟202转，可调螺距螺旋桨的全向推力器，并设有艏艉侧向推力器各一台（各为590千瓦）。从而在八级风和二级海流的条
14、件下保证船舶有相应的定位能力，定位精度一般可保持为35米。自校正技术已成功地用于船舶动力定位系统，其基本思想是用Kalman滤波器处理低频运动，用自校正滤波器处理高频运动，并采用了LQG最优反馈控制技术。对高频运动采用了自校正滤波以实时修正低频运动估计值。进入90年代以来，随着对海洋开发的深入，人们对动力定位系统的需求越来越大、要求越来越高，这就促使人们开始研究新的控制技术，随着计算机技术的发展和传感器技术的提高，出现了很多新型、智能化的控制方法，控制性能得到很大的提高，动力定位船的可连续工作时间越来越长，可靠性也不断增强。1.2.2 动力定位系统的研究现状船舶动力定位系统近年在国外发展十分迅
15、猛，在军民用特种船舶上获得了广泛应用，挪威、日本等国家对动力定位进行了很多研究，并利用仿真或模型试验来验证其控制策略的有效性。据不完全统计，在70年代末期，全世界装备动力定位系统的船舶与海上平台不超过30艘；到2000年底超过了1000艘，到2002年底超过了1200艘。自1977年挪威船级社首先发布了船舶动力定位规范后，在90年代中期，国外各大船级社均先后制定了相应规范。动力定位技术在我国也引起了愈来愈多的关注，国内自七十年代末开始研究动力定位技术。不少高等院校开展了系统的理论研究，有的院所结合实际课题开展了技术攻关并研制出了样机,建立船舶动力定位技术联调实验室，在小型船舶上开始了试验应用。
16、中国船级社也完成了动力定位规范的编写。本人所在的北飒海洋装置与控制设备研究所在此领域处于国内领先地位。该所于1996年首次完成了国内第一套装备实船的水下动力定位系统，该系统已运行在我国的深潜救生艇上；该所于1997年又完成了国内第一套装备水面船舶的动力定位系统，该系统已运行在某试验场区的ROV工作母船上，这些研究成果使得动力定位技术从理论研究走向了实用。在此之后，该所又结合深潜救生的需要，于2000年开发完成了水下六自由度动力定位技术，解决了在混浊海水、且有较大海流的条件下，进行有倾斜的对口救生的难题，使我国水下动力定位技术达到国际先进水平。该所还将动力定位技术推向海洋石油行业，为胜利油田研制用于海底管线检测和维修装置的动力定位系统。1.2.3 水下机器人的发展与展望早在20世纪50年代，有几个美国人想把人的视觉延伸到神秘的海底世界，他们把摄像机密封起来送到了海底，这就是ROV的雏形。1960年美国研制成功了世界上第一台ROV“CURV1”，它与载人潜器配合，在西班牙外海找到了一颗失落在
