對(duì)開式泥駁船是一種專門的船只，其主體結(jié)構(gòu)是兩個(gè)鉸接的半船體。這兩個(gè)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(yùn)作業(yè)中，用來運(yùn)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(huì)降低三分之二，而受風(fēng)面積會(huì)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(huì)導(dǎo)致非常昂貴的材料浪費(fèi)。

　　SEADP是一種動(dòng)態(tài)定位 （DP） 系統(tǒng)，專門用于在整個(gè)傾倒過程中，操縱對(duì)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(tái)（具備NMEA協(xié)議RS232和RS422串行接口）中的GPS、陀螺儀、風(fēng)速計(jì)、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到差分定位系統(tǒng) （DGPS） 實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng) （RTK） 的10Hz.PXI硬件還通過RS232串行接口，以75Hz的頻率對(duì)慣性運(yùn)動(dòng)單元 （IMU） 進(jìn)行采樣。泥駁船的推進(jìn)器系統(tǒng)由三個(gè)推動(dòng)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(shí)，推動(dòng)力為200kN.

　　在我們的解決方案中有兩個(gè)CompactRIO系統(tǒng)，它們與NI PXI實(shí)時(shí)控制器以10Hz頻率同步工作（中斷方式）。其中一個(gè)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(hào)的采集、輸出命令信號(hào)、調(diào)整柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)和用戶輸入。借助LabVIEW,系統(tǒng)可以飛快地運(yùn)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(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)管理計(jì)算機(jī)之間出現(xiàn)通信故障時(shí)， 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(dòng)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(jì)測(cè)量相對(duì)速度和風(fēng)向，將其作為氣動(dòng)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(jì)算搖擺幅度和傾斜角，而陀螺儀則計(jì)算偏航角或者真實(shí)航向。我們使用加速度時(shí)間序列的頻域處理方法，來提取高頻（HF）激增、搖擺和偏航運(yùn)動(dòng)。我們還使用遞歸方差估計(jì)的方法，根據(jù)搖擺角來計(jì)算因海浪所引起的泥駁船運(yùn)動(dòng)周期。

　　我們使用推進(jìn)器設(shè)備中的方位角和螺旋槳傳感器來估計(jì)作用在泥駁船上的所有力和動(dòng)量。

　　SEADP中，泥駁船模型的SEADP遞歸估計(jì)的起點(diǎn)是所采取的吃水程序。我們?cè)诜蔷€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(yùn)動(dòng)，是波浪頻率的運(yùn)動(dòng)（0.05 to 0.2 Hz）和由波浪沖擊所引起的低頻運(yùn)動(dòng)的疊加。實(shí)際上，由于波浪運(yùn)動(dòng)是由泥駁船的寬度力（weight magnitude force）導(dǎo)致的，所以無法消除。因?yàn)檫@些頻率都落在推進(jìn)器設(shè)備的帶寬內(nèi)，所以我們必須充分地濾除波浪運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)。該狀態(tài)觀察器由泥駁船運(yùn)動(dòng)的低頻（LF）模型、推進(jìn)器系統(tǒng)響應(yīng)、波浪運(yùn)動(dòng)和環(huán)境干擾的隨機(jī)模型等構(gòu)成，從而可以獲得較平穩(wěn)的低頻運(yùn)動(dòng)和船速估計(jì)。

　　控制器則根據(jù)泥駁船的低頻運(yùn)動(dòng)、速度和目標(biāo)位置偏移，采用線性二次型調(diào)節(jié)（LQR）來計(jì)算力和動(dòng)量。反饋控制器將化位置偏移和功率/推進(jìn)力的加權(quán)積分。更進(jìn)一步，實(shí)時(shí)估計(jì)的風(fēng)力將前饋，以提高控制器的性能?？刂破魇謩?dòng)/自動(dòng)控制搖擺和偏航運(yùn)動(dòng)，并控制縱向力和橫向力。我們必須將動(dòng)量定位在多個(gè)不同推進(jìn)設(shè)備的回轉(zhuǎn)點(diǎn)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(xiàng)用于對(duì)開式泥駁船的技術(shù)應(yīng)用到針對(duì)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(tái)附近的水上酒店。與前面的結(jié)構(gòu)類似，NI PXI實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)。為了在這種對(duì)時(shí)間要求比較嚴(yán)格的系統(tǒng)中分配好控制，我們?cè)黾恿薔I 9144 CompactRIO擴(kuò)展機(jī)箱，借助實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)降低了標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜的整體成本。

　　SEADP解決了層 （Class I） 的 DP的要求，而推進(jìn)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(guó)國(guó)家儀器有限公司（National Instruments,簡(jiǎn)稱NI）致力于為測(cè)試測(cè)量、自動(dòng)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(jì)",幫助他們實(shí)現(xiàn)更高效和優(yōu)化的設(shè)計(jì)、原型到發(fā)布。NI為遍布各地的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(tái)），和高性價(jià)比的模塊化硬件。NI總部設(shè)在美國(guó)德克薩斯州的奧斯汀，在近40個(gè)國(guó)家和地區(qū)設(shè)有分支機(jī)構(gòu)，共擁有5,000多名員工。在過去連續(xù)9年里，NI被《財(cái)富》雜志評(píng)選為"全美適合工作的100家公司之一".