基于船舶运动响应数据的海浪估计方法研究

摘要

船舶动力定位技术在人们探索海洋过程中,正在起着越来越重要的作用。由实际情况可知,在动力定位船舶操作过程中,很多操作是为了抵消外部环境干扰对船舶位置和艏向所带来的影响。因此,能够实时获取动力定位船舶工作海域的海况信息(包括波浪方向、海浪有义波高等变量),进而将其作为控制器的浪前馈,使得动力定位控制器能够根据这些信息进行更有针对性的操作,对于减少操作过程中的能耗,更快的达到所要求的控制效果有很重要的意义。
　　船舶运动响应的时间序列可以从船舶上安装的多种类型的传感器获得,本文在对这些时间序列作交叉谱分析的基础之上,结合船舶运动幅值响应算子及海浪方向谱,开展了基于船舶运动响应数据估计海浪的研究,主要研究内容如下:
　　文中主要针对由海浪引起的船舶横摇,纵摇,升沉响应,因此首先对海浪进行了研究。文中对常用的长峰波海浪谱进行了研究,之后研究了能够对实际海面进行更加详细描述的短峰波谱,即海浪方向谱。对根据海浪谱进行海浪仿真的等能量法和等间隔法进行了研究,验证了等间隔法的有效性。
　　建立了六自由度的船舶运动学和动力学模型,利用matlab的mss工具包,仿真了船舶在海浪激励下纵、横摇和垂荡的运动响应,获取在海浪干扰下的船舶的运动响应数据。从线性角度,对船舶运动响应幅值算子RAO进行了阐述。
　　在得到运动响应时间序列之后,需要对其进行交叉谱分析。针对传统的谱估计方法存在的谱数据丢失和需要进行人为干涉等问题,提出了利用MAR模型计算交叉谱的方法。推导出基于MAR模型求取交叉谱的方法,求取了MAR模型建立过程中的模型参数,基于船舶仿真出的横摇,纵摇,升沉时间序列,利用MFPE和BIC两种最优阶数判据方法给出相应阶数,最后得到了船舶运动响应交叉谱。
　　通过海浪方向谱与船舶运动响应幅值算子RAO,求得船舶运动响应的理论交叉谱。以对时间序列进行基于MAR谱分析得到的交叉谱作为目标谱,应用遗传算法对海浪方向谱参数寻优,不断调整海浪方向谱的参数,使理论交叉谱与目标谱之间的差距最小,该方法能够避免寻优陷入局部最优化。最后对设计的算法分别在中低海况下进行了仿真。

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第1章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 船舶动力定位的发展及现状

1.3 海况描述术语

1.4 国内外研究现状

1.5 论文的主要研究内容

第2章 海浪与海浪谱

2.1 引言

2.2 谐波与遭遇频率

2.3 海浪频率谱

2.4 遭遇谱到绝对谱的转换

2.5 海浪方向谱

2.6 波谱仿真

2.7 本章小结

第3章 船舶运动数学模型

3.1 引言

3.2 船舶坐标系描述

3.3 船舶数学模型

3.4 船舶在海浪激励下响应仿真

3.5 船舶运动幅值响应因子

3.6 本章小结

第4章 基于MAR的交叉谱分析

4.1 引言

4.2 传统谱分析方法

4.3 MAR模型

4.4 基于MAR模型的交叉谱估计

4.5 MAR系数及最优阶数的确定

4.6 递归计算过程

4.7 数字实例仿真

4.8 本章小结

第5章 基于参数法的海浪方向谱估计

5.1 引言

5.2 参数法估计海浪方向谱的原理

5.3 遗传算法

5.4 参数法海浪方向谱估计的数字仿真

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢