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    對開式泥駁船是一種專門的船只，其主體結(jié)構(gòu)是兩個鉸接的半船體。這兩個半船體構(gòu)成了一種漏斗狀結(jié)構(gòu)，由水力系統(tǒng)來打開和關(guān)閉。該船在航運作業(yè)中，用來運輸并傾倒材料，是大壩建筑的基礎(chǔ)。

    在傾倒操作中，船的排水量會降低三分之二，而受風(fēng)面積會增加一倍。這將導(dǎo)致風(fēng)、海流和海浪沖擊力迅速改變，從而使泥駁船產(chǎn)生非預(yù)期的偏移。所以在傾倒操作中，可能會導(dǎo)致非常昂貴的材料浪費。

    SEADP是一種動態(tài)定位 (DP) 系統(tǒng)，專門用于在整個傾倒過程中，操縱對開式泥駁船并控制泥駁船的位置和航向。在傾倒中，該系統(tǒng)逐漸靠近目標(biāo)位置，然后控制并保持住位置和方向。

    系統(tǒng)描述

    我們采用PXI平臺(具備NMEA協(xié)議RS232和RS422串行接口)中的GPS、陀螺儀、風(fēng)速計、速度記錄和吃水傳感器來采集數(shù)據(jù)。采樣率的變化范圍為從速度記錄的10s到差分全球定位系統(tǒng) (DGPS) 實時運動 (RTK) 的10Hz。PXI硬件還通過RS232串行接口，以75Hz的頻率對慣性運動單元 (IMU) 進行采樣。泥駁船的推進器系統(tǒng)由三個推動設(shè)備構(gòu)成，能夠以任意平面角度施出大小可變的力。當(dāng)功率為2100kW時，推動力為200kN。

    在我們的解決方案中有兩個CompactRIO系統(tǒng)，它們與NI PXI實時控制器以10Hz頻率同步工作(中斷方式)。其中一個系統(tǒng)完成與SCHOTTEL橫向推力器的數(shù)字邏輯接口、狀態(tài)與方位角推力方向信號的采集、輸出命令信號、調(diào)整柴油發(fā)動機的風(fēng)門并按照方位角方向推力。

    客戶端/服務(wù)器TCP結(jié)構(gòu)采用觸摸屏顯示器，進行信號監(jiān)測和用戶輸入。借助LabVIEW，系統(tǒng)可以飛快地運行。

    控制板總包含了所有的指示器和按鈕，從而保證當(dāng)控制計算機和監(jiān)測管理計算機之間出現(xiàn)通信故障時， 系統(tǒng)仍然可以正常工作。另外，操作人員可是使用操縱桿來手動控制泥駁船的位置和航向。將天線位置的GPS和DGPS的三維定位轉(zhuǎn)移到泥駁船中心，來控制泥駁船的搖擺、傾斜和偏航角。泥駁船的位置在通用橫向墨卡托投影(UTM)坐標(biāo)中給出。風(fēng)速計測量相對速度和風(fēng)向，將其作為氣動阻力模型的輸入，來估算除去陣風(fēng)以外的平均風(fēng)力。

    IMU記錄了泥駁船重心處主軸線的旋轉(zhuǎn)速率和加速度。卡爾曼濾波器計算搖擺幅度和傾斜角，而陀螺儀則計算偏航角或者真實航向。我們使用加速度時間序列的頻域處理方法，來提取高頻(HF)激增、搖擺和偏航運動。我們還使用遞歸最小方差估計的方法，根據(jù)搖擺角來計算因海浪所引起的泥駁船運動周期。

    我們使用推進器設(shè)備中的方位角和螺旋槳精度傳感器來估計作用在泥駁船上的所有力和動量。

    SEADP中，泥駁船模型的SEADP遞歸估計的起點是所采取的吃水程序。我們在非線性狀態(tài)觀察器和LQR控制器中采用一種具體的泥駁船模型。

    狀態(tài)觀察器和控制器

    我們認(rèn)為巨浪、風(fēng)和水流中的泥駁船運動，是波浪頻率的運動(0.05 to 0.2 Hz)和由波浪沖擊所引起的低頻運動的疊加。實際上，由于波浪運動是由泥駁船的寬度力(weight magnitude force)導(dǎo)致的，所以無法消除。因為這些頻率都落在推進器設(shè)備的帶寬內(nèi)，所以我們必須充分地濾除波浪運動，以避免船體過度的磨損。

    我們采用一種非線性狀態(tài)觀察器來濾除波浪運動。該狀態(tài)觀察器由泥駁船運動的低頻(LF)模型、推進器系統(tǒng)響應(yīng)、波浪運動和環(huán)境干擾的隨機模型等構(gòu)成，從而可以獲得較平穩(wěn)的低頻運動和船速估計。

    控制器則根據(jù)泥駁船的低頻運動、速度和目標(biāo)位置偏移，采用線性二次型調(diào)節(jié)(LQR)來計算力和動量。反饋控制器將最小化位置偏移和功率/推進力的加權(quán)積分。更進一步，實時估計的風(fēng)力將前饋，以提高控制器的性能。控制器手動/自動控制搖擺和偏航運動，并控制縱向力和橫向力。我們必須將動量定位在多個不同推進設(shè)備的回轉(zhuǎn)點上，而這在SEADP中則由在線二次編程技術(shù)完成。

    未來SEADP開發(fā)

    我們將這項用于對開式泥駁船的技術(shù)應(yīng)用到針對居住泥駁船(accommodation barge)的DP-1系統(tǒng)中。居住泥駁船是一種停泊在海上平臺附近的水上酒店。與前面的結(jié)構(gòu)類似，NI PXI實時控制器從周圍采集環(huán)境數(shù)據(jù)。我們采用CompactRIO同步控制泥駁船的運動。為了在這種對時間要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)中分配好控制，我們增加了NI 9144 CompactRIO擴展機箱，借助實時以太網(wǎng)與PXI控制器同步通信。遠(yuǎn)程I/O的高度決定性，以及與LabVIEW實時軟件的緊密集成，是向系統(tǒng)中增加NI 9144的主要原因。這種新型的分布式控制結(jié)構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性與模塊性，同時降低了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜的整體成本。

    SEADP解決了第一層 (Class I) 的 DP的要求，而推進設(shè)備或控制器的任意故障都可能導(dǎo)致位置信息丟失。更高層Class II和Class III的要求則涉及到物理和邏輯方面的冗余，以及一些特殊的應(yīng)用特征如在線單次故障后果分析。我們期望NI的硬件和軟件能夠克服這些挑戰(zhàn)。

    關(guān)于NI

    美國國家儀器有限公司（National Instruments，簡稱NI）致力于為測試測量、自動化和嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的工程師和科學(xué)家們帶來革命性的理念，從“虛擬儀器技術(shù)”提升到“圖形化系統(tǒng)設(shè)計”，幫助他們實現(xiàn)更高效和優(yōu)化的設(shè)計、原型到發(fā)布。NI為遍布全球各地的25000家不同的客戶提供現(xiàn)成即用的軟件（如NI LabVIEW圖形化開發(fā)平臺），和高性價比的模塊化硬件。NI總部設(shè)在美國德克薩斯州的奧斯汀，在近40個國家和地區(qū)設(shè)有分支機構(gòu)，共擁有5,000多名員工。在過去連續(xù)9年里，NI被《財富》雜志評選為“全美最適合工作的100家公司之一”。想了解更多關(guān)于NI的信息，請訪問ni.com/china，或致電800-820-3622。