一种具有动力定位系统的科学考察船的制作方法

本发明涉及船舶控制技术领域，尤其涉及一种具有动力定位系统的科学考察船。

背景技术：

科学考察船，是指用于调查研究海洋水文、地质、气象、生物等特殊任务的船舶，随着海洋科考技术的发展，船舶动力定位系统越来越广泛地应用于海上作业船舶(海洋考察船、半潜船等)、海上平台(海洋钻井平台等)、水下潜器(ROV)和军用舰船(布雷舰、潜艇母船等)。它一般由位置测量系统，控制系统，推力系统三部分构成。位置测量系统(传感器)测量当前船位，控制器根据测量船位与期望值的偏差，计算出抗拒环境干扰力(风、流、浪)使船舶恢复到期望位置所需的推力大小和方向，推力系统进行能量管理并对各推力器的推力进行分配，推力器产生的推力使船舶(平台)在风流浪的干扰下保持设定的航向和船位。船舶的动力定位(dynamic positioning，DP)系统从70年代逐渐发展起来，在海洋工程、科学考察等领域有着重要的用途。随着船舶电力推进的成熟和自动控制理论的发展，动力定位系统的性能也不断提高。船舶动力定位系统是一种闭环控制系统，它通过控制系统驱动船舶推进器来抵消风、浪、流等作用于船上的环境外力，从而使船舶保持在海平面某要求的位置上。DP通过测量系统不断检测船舶的实际位置与目标位置的偏差，再根据环境外力的影响计算出使船舶恢复到目标位置所需推力的大小，进而对全船的各推进器进行推力分配，使各推进器产生相应的推力以克服风、浪、流等环境外力的干扰，使船舶保持在某确定位置或沿一定预定航迹航行。DP广泛用于海上作业船舶和海上平台的定点系泊，具有定位精度高、灵活性好、机动性强、适用于多种海况作业等诸多优点，受到广泛关注。

动力定位系统由船位显示仪、电子计算机控制机构和推进器等部件组成。工作时，电子计算机随时可根据船位仪所测定的船位数值，自动地发出控制信号，改变推进器的运转方向、转速或叶片的螺矩，以调节船位。有的动力定位系统，还可根据风力的变化，提前发出信号来抵消风力的影响。动力定位时，通过电脑传输，只需几分钟的时间，就把航行中的船稳稳地停在预定的位置。该系统开启后，位置传感器、航向传感器、姿态传感器、风传感器、海流传感器等仪器开始实时实地测得数据，并把这些数据信息及时传输给计算机，计算机再将其与储存的预定停泊位置资料对照，找出差别，继而向各推进器发出指令，调整其推力大小和方向，实行差别修正，直至到达预定位置，停稳。该系统应用了差分全球定位系统，数字滤波技术，以及最优控制软件等先进技术，使其定位精度在几米之内，达到当今世界先进水平。该系统不仅应用于停船定位，而且还能应用于船与船间的航距固定。海上补给船在行进间进行补给工作时，需要安全可靠的航距保持操纵，该系统通过对船舶推进器的自动精确控制，使海上运动补给不再成为高难动作。此外，该系统还应用于海底电缆铺设、检修，倾倒岩石，采沙挖泥，起重船作业，穿梭油轮，潜水，ROV，海上打捞救生，以及深海石油开采等海洋作业的平台定位。CN 103507938 A一种平台供应船的动力定位系统，所述动力定位系统包括电罗经装置、风速风向仪装置、船舶动态传感器装置、全球差分定位装置、激光定位装置和水声传感器，电罗经装置、风速风向仪装置、船舶动态传感器装置、全球差分定位装置、激光定位装置和水声传感器均与主单元相连，主单元还连接有中央处理单元和推进器控制箱装置，推进器控制箱装置包括多个控制箱，每个控制箱均连接有推进器，推进器控制箱装置还连接有独立联合操纵装置。CN 107554721 A公开了一种船舶动力定位方法。该方法选择动力控制系统至所需模式，将执行机构控制置于“动力定位控制”模式，利用测量设备采集船舶及环境信息，由动力定位控制系统发出指令，通过各执行机构实现船舶的动力定位。

船舶在海上的动力学特性很难用精确的数学模型加以描述，而风、浪、流等外部随机干扰的统计特性也随着不同的海况而发生很大的变化且难以预知。如何对动力定位系统进行控制是动力定位系统需要解决的关键问题之一。应用于海上作业船舶和海洋平台动力定位系统的主要性能指标包括：动力定位系统能快速响应外界环境因素的影响，使船舶保持在预期的位置、艏向范围内或沿预期的航迹行驶，并且在确保动力定位系统安全可靠工作前提下使推进系统能耗最小。在此要求下，制定动力定位系统的控制策略时主要考虑功率消耗问题，船舶能产生的功率数量是有限的，推力器只能使用其中的一部分。随着海况、作业类型、服役发动机的数目和故障情况的不同，所分配的功率的数量也有所不同，因此，执行机构得到的控制指令必须受到限制。为了达到最高的性能而不发生执行器饱和，在控制器和推力分配系统中都应考虑功率的约束限制和系统的冗余度。

综上所述，目前应用于船舶上的动力定位系统功能单一并不能够实现手动模式、自动模式之间的灵活切换，单独的自动模式往往不能满足实际工作需要，并且推进系统在接到指令后的功率控制问题一直不能够得到解决，也就是说，如何在确保动力定位系统安全可靠工作前提下使推进系统能耗最小，如何有效保护执行系统避免超负荷造成损坏，成为了目前动力定位系统在船舶应用领域急需解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种实现手动、自动控制灵活切换与配合，能够合理分配的推力器功率，在确保达到最高的性能而不发生执行器饱和，避免因电力推进产生的高峰值推力能损坏齿轮箱的具有动力定位系统的科学考察船。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有动力定位系统的科学考察船，包括船体以及设于船体上的动力定位系统，所述动力定位系统包括测量部分、控制部分及推力器部分，推力器部分包括主推进器及副推进器，所述测量部分包括一用于采集船舶艏向信号的电罗经，一用于采集船舶所处环境风向风速信号的风速风向仪，一用于提供船舶动态参考信号的姿态传感器，一用于接收卫星定位信号的差分全球定位系统，一用于确定水流信号的水声定位系统，所述控制部分包括控制器，以及分别与控制器连接的手动控制单元及自动控制单元，以及分别与控制器相连的用于将测量部分采集的信息进行处理并将控制指令输出至推力器部分以实现预定的船舶艏向控制、定位控制或运动控制的计算机软件系统，所述控制部分还包括一用于对接收控制指令的主推进器及副推进器所输出的功率进行实时监测的动力负荷检测系统，所述动力负荷检测系统检测到主推进器或副推进器任一个超过额定功率时发送信号至控制器，控制器接收信号后根据不同的定位要求，结合测量部分收到的实时信息，经过计算机软件系统处理后，发送降低负荷的信号至相应的主推进器或副推进器，同时发送提高功率的运转信号至未超负荷的主推进器或副推进器，同时改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩，实现船舶动力定位或运动的前提下，进行主推进器或副推进器功率的补偿控制。

上述的具有动力定位系统的科学考察船，所述手动控制单元包括一用于实现船舶的前后、左右及瞬间位移的手动操纵杆，手动操纵杆通过位移模拟输入单元与控制器信号连接，还包括一当手动操纵杆将位移信号输入位移模拟输入单元时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至自动控制单元的自动控制模式切换模块，所述自动控制模式切换模块与控制器信号连接。

上述的具有动力定位系统的科学考察船，所述自动控制单元包括移动参数输入模块，所述移动参数输入模块与控制器信号连接，还包括一当移动参数输入至参数输入模块时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至手动控制单元的手动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。

上述的具有动力定位系统的科学考察船，所述计算机软件系统通过比较器连续地对测量部分传输来的信号与船舶状态参数进行综合比较，在得出一个作用在船舶上实时变化的矢量外力或者误差值后，控制器根据矢量外力和误差值、设定指标不断地进行运算，同时对主推进器及副推进器发出力和力矩指令，通过执行器对主推进器及副推进器的控制，使各推进器产生的矢量合推力随着矢量外力的变化而变化使船舶的推力与外作用力成为一个平衡的状态。

上述的具有动力定位系统的科学考察船，所述移动参数及设定地点参数输入至自动控制单元后，计算机软件系统通过测量部分采集的风、浪、流等实时数据，自动计算并生成到达设定地点的航行轨迹，并发送推进命令至推力器部分，船舶精确地按预定轨迹低速移动或按预定航线高速航行，实现船舶的自动循迹航行

上述的具有动力定位系统的科学考察船，在高速循迹航行模式下，船舶艏向由计算机软件系统自动根据航线、航速与外界环境力而计算确定，在航线转弯处，系统自动确定转弯半径与船速。

上述的具有动力定位系统的科学考察船，所述电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。

上述的具有动力定位系统的科学考察船，所述控制器接收测量部分收集的各种传感器数据后，通过计算机软件系统对所接收到的数据处理后估算出船舶的实际位置和艏向，发送驱动船舶自动沿着预先设定的一个或若干个设定点行驶的信号指令至推力器部分。

上述的具有动力定位系统的科学考察船，所述控制器接收水声定位系统收集的水下目标距离与方位信号后，计算机软件系统根据当前船舶距离与方位信号与水下目标相比较，计算获得使船舶自动跟踪水下移动目标、并保持船舶与水下目标的距离与方位不变的移动参数至控制器，控制器发送推进命令至推力器部分，进行水下目标跟踪。

本发明具有动力定位系统的科学考察船的优点是：由于船舶能产生的功率数量是有限的，推力器只能使用其中的一部分。随着海况、作业类型、服役发动机的数目和故障情况的不同，所分配的功率的数量也有所不同，因此，执行机构得到的控制指令必须受到限制。为了达到最高的性能而不发生执行器饱和，在控制器和推力分配系统中都应考虑功率的约束限制，本发明采用的动力负荷检测系统，能够对接收控制指令的主推进器及副推进器所输出的功率进行实时监测，主推进器或副推进器任一个超过额定功率时发送信号至控制器，控制器接收信号后根据不同的定位要求，结合测量部分收到的实时信息，经过计算机软件系统处理后，发送降低负荷的信号至相应的主推进器或副推进器，同时发送提高功率的运转信号至未超负荷的主推进器或副推进器，同时改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩，实现船舶动力定位或运动的前提下，进行主推进器或副推进器功率的补偿控制。能够确保动力定位系统安全可靠工作前提下使推进系统能耗最小，实现，光滑的推力变化，螺旋桨的转速可受到安全约束，因此可有效保护推力器系统因超负荷而损坏。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本动力定位系统的电路结构框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1、2所示，一种具有动力定位系统的科学考察船，包括船体1以及设于船体1上的动力定位系统，该动力定位系统包括测量部分、控制部分、推力器部分，推力器部分包括主推进器2及副推进器3，测量部分包括一用于采集船舶艏向信号的电罗经，一用于采集船舶所处环境风向风速信号的风速风向仪，一用于提供船舶动态参考信号的姿态传感器，一用于接收卫星定位信号的差分全球定位系统，一用于确定水流信号的水声定位系统，控制部分包括控制器，以及分别与控制器连接的手动控制单元及自动控制单元，以及分别与控制器相连的用于将测量部分采集的信息进行处理并将控制指令输出至推力器部分以实现预定的船舶艏向控制、定位控制或运动控制的计算机软件系统，控制部分还包括一用于对接收控制指令的主推进器2及副推进器3所输出的功率进行实时监测的动力负荷检测系统，动力负荷检测系统检测到主推进器2或副推进器3任一个超过额定功率时发送信号至控制器，控制器接收信号后根据不同的定位要求，结合测量部分收到的实时信息，经过计算机软件系统处理后，发送降低负荷的信号至相应的主推进器或副推进器，同时发送提高功率的运转信号至未超负荷的主推进器2或副推进器3，同时改变船舶位置或艏向，在平衡作用于船舶的扰动力和扰动力矩，实现船舶动力定位或运动的前提下，进行主推进器2或副推进器3功率的补偿控制。

本发明中的电罗经又称陀螺罗经，它能自动、连续地提供舰船的航向信号，并通过航向发送装置将航向信号传递到舰船需要航向信号的各个部位。从而满足舰船导航及武备系统的要求，是舰船必不可少的精密导航设备，被称为舰船的“眼睛”。全套设备由主罗经、分罗经和附属仪器三部分组成，核心部件是主罗经内的陀螺球。风速风向仪用于测量瞬时风速风向，具有自动显示功能。主要由支杆，风标，风杯，风速风向感应器组成，风标的指向即为来风方向，根据风杯的转速来计算出风速。所以也叫风杯式风向风速仪。姿态传感器是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含三轴陀螺仪、三轴加速度计，三轴电子罗盘等运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器得到经过温度补偿的三维姿态与方位等数据。利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据。LPMS系列和iAHRS-M0姿态传感器可广泛嵌入到航模无人机，机器人，机械云台，车辆船舶，地面及水下设备，虚拟现实，人体运动分析等需要自主测量三维姿态与方位的产品设备中。上述电子设备为现有技术，在此不多解释。

为实现船舶灵活的操控方式，提高船舶控制效率，本发明设置有手动控制单元，手动控制单元包括一用于实现船舶的前后、左右及瞬间位移的手动操纵杆，手动操纵杆通过位移模拟输入单元与控制器信号连接，还包括一当手动操纵杆将位移信号输入位移模拟输入单元时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至自动控制单元的自动控制模式切换模块，所述自动控制模式切换模块与控制器信号连接。手动与自动两种模式自动切换的工作方式，能够有效提高船舶在进出港等特殊需求下的高效、快速的控制效率。

自动控制单元包括移动参数输入模块，所述移动参数输入模块与控制器信号连接，还包括一当移动参数输入至参数输入模块时发送信号至控制器，控制器发送暂停信号至手动控制单元的手动控制模式切换模块，所述手动控制模式切换模块与控制器信号连接。

在复杂多变的海况下，船舶需要完成各种作业，同时还要保持船舶自身的安全稳定性。因而对船舶的控制尤其显得重要，动力定位系统对船舶的控制主要由其计算机软件系统来完成的。传感器系统测量出船舶的船位经纬度、艏向、环境影响外力以及参照目标的相对位置等参数，将实时参数传输到计算机，动力定位计算机软件系统通过其比较器连续地对传感器传输来的信号与船舶状态参数进行综合比较，在得出一个作用在船舶上实时变化的矢量外力或者误差值后，由控制器根据矢量外力和误差值、设定指标不断地进行运算，同时对各推进器发出力和力矩指令，通过执行器对各个推进器的控制，使各推进器产生的矢量合推力随着矢量外力的变化而变化进而使船舶的推力与外作用力成为一个平衡的状态，来达到维持船舶的艏向及船位稳定的目的。本发明采用所述计算机软件系统通过比较器连续地对测量部分传输来的信号与船舶状态参数进行综合比较，在得出一个作用在船舶上实时变化的矢量外力或者误差值后，控制器根据矢量外力和误差值、设定指标不断地进行运算，同时对主推进器及副推进器发出力和力矩指令，通过执行器对主推进器2及副推进器3的控制，使各推进器产生的矢量合推力随着矢量外力的变化而变化使船舶的推力与外作用力成为一个平衡的状态。位置控制(HOLD POSITION MODE)通过位置信号参考系统产生的位置信号将船舶位置自动维持在一固定点上。在这种控制方式中，船舶的实际位置取决于位置信号参考系统，通过实际位置与设定位置的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际位置与设定位置之间的偏差最小，达到位置控制目的。

自动循迹航行时，移动参数及设定地点参数输入至自动控制单元后，计算机软件系统通过测量部分采集的风、浪、流等实时数据，自动计算并生成到达设定地点的航行轨迹，并发送推进命令至推力器部分，船舶精确地按预定轨迹低速移动或按预定航线高速航行，实现船舶的自动循迹航行在高速循迹航行模式下，船舶艏向由计算机软件系统自动根据航线、航速与外界环境力而计算确定，在航线转弯处，系统自动确定转弯半径与船速。

自动艏向航行控制时，电罗经采集到船舶艏向信号后发送至控制器，计算机软件系统通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，进行航向控制。航向控制(HOLD HEADIND MODE)使船舶自动保持在固定的航向上。航向参考信号来自于两套电罗经。在这种控制方式中，船舶的实际航向取决于两套电罗经，通过实际航向与设定航向的比较产生控制信号输出到推进器，使推进器动作，保持船舶实际航向与设定航向之间的偏差最小，达到航向控制目的。

控制器接收测量部分收集的各种传感器数据后，通过计算机软件系统对所接收到的数据处理后估算出船舶的实际位置和艏向，发送驱动船舶自动沿着预先设定的一个或若干个设定点行驶的信号指令至推力器部分。

水下目标跟踪时，控制器接收水声定位系统收集的水下目标距离与方位信号后，计算机软件系统根据当前船舶距离与方位信号与水下目标相比较，计算获得使船舶自动跟踪水下移动目标、并保持船舶与水下目标的距离与方位不变的移动参数至控制器，控制器发送推进命令至推力器部分，进行水下目标跟踪。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。