应用于对开式泥驳船的SEADP动态定位系统

PXI" title="PXI">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。采样率的变化范围从速度记录的10 s到差分全球定位系统(DGPS)实时运动(RTK)的10 Hz。PXI硬件还通过RS232串行接口、以75 Hz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3个推动设备构成，能够从任意平面角度输出大小可变的力。当功率为2 100 kW时，推动力为200 kN。
　　在解决方案中有2个CompactRIO系统，它们与NI PXI实时控制器以10 Hz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。
　　控制总板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，操作人员可使用操纵杆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，用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，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。使用加速度时间序列的频域处理方法，提取高频(HF)激增、摇摆和偏航运动。使用递归最小方差估计方法，根据摇摆角来计算因海浪所引起的泥驳船运动周期。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。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
　　巨浪、风和水流中的泥驳船运动是波浪频率的运动(0.05 Hz～0.2 Hz)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，所以必须充分地滤除波浪运动，以避免船体过度磨损。因此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。反馈控制器将最小化位置偏移和功率/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。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中由在线二次编程技术完成。
未来SEADP开发
   　将这项用于对开式泥驳船的技术应用到针对居住泥驳船的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，NI PXI实时控制器从周围采集环境数据，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，增加了NI 9144 CompactRIO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NI 9144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解决了第一层(Class I)的DP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Class II和Class III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。期望NI的硬件和软件能够克服这些挑战。