专利名称：一种浮体横纵荡及升沉运动的测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量领域，尤其是涉及一种基于惯性测量系统的浮体横纵荡及升沉运动的测量方法及系统。
背景技术：
浮体运动测量技术可以为船舶、海工设施及其他一些功能系统运行提供必不可少的运动参数。浮体运动测量由于难以找到一个固定的参考点，所以其位移的建立相当困难，目前可行的方法主要有使用GPS测距和使用惯性测量系统，由于GPS的精度很难达到要求，所以研究都集中在通过惯性测量系统测得的加速度来重建位移。一般的惯性测量系统可以测量浮体的姿态角，而试验中经常也需要有横荡、纵荡和升沉的运动量数据。这些系统通常结构复杂、造价昂贵、体积质量大、维修困难、不便装卸。捷联式惯导系统的出现解决了传统平台系统的问题。在惯性测量系统中，对于浮体线位移的测量，线加速度在二次积分中存在无边界误差累积现象，系统会随着时间的推进而失去测量精度。浮体位移可分为由浮体机动引起的低频位移信息和由波浪干扰引起的高频位移信息。对于此低频位移信息，单独依靠惯性测量系统难以解决误差累积问题，往往需要同其他测量方法如GPS测距等联合作用，以计算其位移变化。而浮体的高频位移信息，由于可将其视为绕某一稳定点的振动，目前有各种方法通过数值积分获得。在以往的方法中，为获得浮体线位移信息，往往通过海浪监测，浮体运动建模等手段完成。此方法往往效果差，难以满足实际应用需求。当前已知的一些测量方法往往基于惯性测量系统实现，但是这些方法对浮体线加速度信息的处理过程中往往不能充分考虑加速度信息本身的特性，滤波算法复杂，可操作性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述的缺陷，提供一种算法稳定、可操作性强的浮体横纵荡及升沉运动的测量方法及系统。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种浮体横纵荡及升沉运动的测量方法，包括:A.预先在被测浮体上建立载体坐标系Ο-xyz，并实时采集以下传感器的输出数据:在O点分别沿三个轴向布置的三个加速度传感器的输出数据aM,、 ,及ara,，在χ轴正方向距离O点P ax,处布置的ζ轴正向加速度传感器的输出数据aaz,及y轴正向角速度传感器的输出数据，在y轴正向距离O点Pby,处布置的χ轴正向加速度传感器的输出数据abx,及ζ轴正向角速度传感器的输出数据ωζ,，在ζ轴正向距离O点Pcz,处布置的y轴正向加速度传感器的输出数据aey,及χ轴正向角速度传感器的输出数据ωχ,；B.根据所采集的数据计算被测浮体的质心在平移坐标系中三个自由度方向的线加速度；
C.建立FIR模拟滤波器，并根据所确定的滤波器频率及目标精度计算正则化参数；D.根据所述正则化参数计算滤波器系数，并将步骤B中的线加速度输入步骤C所建立的FIR模拟滤波器进行滤波处理，以获得被测浮体的线位移。在本发明所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量方法中，所述步骤B包括:B1.根据公式1-1确定由载体坐标系到平移坐标系的坐标变换矩阵A ；
权利要求
1.一种浮体横纵荡及升沉运动的测量方法，其特征在于，包括: A.预先在被测浮体上建立载体坐标系O-xyz，并实时采集以下传感器的输出数据:在O点分别沿三个轴向布置的三个加速度传感器的输出数据aM,、aoy,及ara,，在x轴正方向距离O点P ax,处布置的z轴正向加速度传感器的输出数据aaz,及y轴正向角速度传感器的输出数据，在y轴正向距离O点Pby,处布置的X轴正向加速度传感器的输出数据abx,及z轴正向角速度传感器的输出数据ωζ,，在ζ轴正向距离O点Pra,处布置的y轴正向加速度传感器的输出数据Ay,及X轴正向角速度传感器的输出数据ωχ,； B.根据所采集的数据计算被测浮体的质心在平移坐标系中三个自由度方向的线加速度； C.建立FIR模拟滤波器，并根据所确定的滤波器频率及目标精度计算正则化参数； D.根据所述正则化参数计算滤波器系数，并将步骤B中的线加速度输入步骤C所建立的FIR模拟滤波器进行滤波处理，以获得被测浮体的线位移。
2.根据权利要求1所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量方法，其特征在于，所述步骤B包括: B1.根据公式1-1确定由载体坐标系到平移坐标系的坐标变换矩阵A ；
3.根据权利要求2所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量方法，其特征在于，所述步骤C包括: Cl.对浮体的质心在平移坐标系下的三个自由度方向的线加速度F作傅里叶变换确定频率fT，并确定目标精度ατ ; C2.根据公式2-1计算正则化参数β ；
4.根据权利要求3所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量方法，其特征在于，所述步骤D包括: Dl.确定线加速度的时间窗口的类型，并根据公式3-1确定时间窗口的宽度dw ； dw = 2k Δ t 公式 3-1 其中，At为线加速度采样间隔，k为自然数； D2.根据公式3-2、公式3-3和公式3-4计算滤波器系数cp+k+1 ；
5.根据权利要求4所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量方法，其特征在于，在所述步骤Dl中，所确定的时间窗口的类型为矩形重叠窗口。
6.一种浮体横纵荡及升沉运动的测量系统，其特征在于，包括: 采集模块，用于通过预先在被测浮体上建立载体坐标系O-xyz，并实时采集以下传感器的输出数据:在O点分别沿三个轴向布置的三个加速度传感器的输出数据aM,、 ,及ara,，在X轴正方向距离O点P ax,处布置的ζ轴正向加速度传感器的输出数据aaz,及y轴正向角速度传感器的输出数据，在y轴正向距离O点Pv处布置的X轴正向加速度传感器的输出数据abx,及ζ轴正向角速度传感器的输出数据ωζ,，在ζ轴正向距离O点Pcz,处布置的I轴正向加速度传感器的输出数据aey,及X轴正向角速度传感器的输出数据ωχ,；线加速度计算模块，用于根据所采集的数据计算被测浮体的质心在平移坐标系中三个自由度方向的线加速度； 正则化参数计算模块，用于建立FIR模拟滤波器，并根据所确定的滤波器频率及目标精度计算正则化参数； 滤波模块，用于根据所述正则化参数计算滤波器系数，并将所计算的线加速度输入所建立的FIR模拟滤波器进行滤波处理，以获得被测浮体的线位移。
7.根据权利要求6所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量系统，其特征在于，所述线加速度计算模块包括: 第一计算单元，用于根据公式1-1确定由载体坐标系到平移坐标系的坐标变换矩阵A ;
8.根据权利要求7所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量系统，其特征在于，所述正则化参数计算模块包括: 第一确定单元，用于对浮体的质心在平移坐标系下的三个自由度方向的线加速度K作傅里叶变换确定频率fT，并确定目标精度α τ ； 第五计算单元，用于根据公式2-1计算正则化参数β ；
9.根据权利要求8所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量系统，其特征在于，所述正则化参数计算模块包括: 第二确定单元，用于确定线加速度的时间窗口的类型，并根据公式3-1确定时间窗口的宽度dw ； dw=2k Δ t 公式 3-1 其中，At为线加速度采样间隔，k为自然数； 第六计算单元，用于根据公式3-2、公式3-3和公式3-4计算滤波器系数cp+k+1 ；
10.根据权利要求9所述的浮体横纵荡及升沉运动的测量系统，其特征在于，所述第二确定单元所确定的时间窗口的类型为矩形重叠窗口。
全文摘要
本发明公开了一种浮体横纵荡及升沉运动的测量方法及系统，该测量方法包括预先在浮体上建立载体坐标系O-xyz，并实时采集在O点分别沿三个轴向布置的三个加速度传感器的数据，在x轴正方向距离O点ρax′处布置的z轴正向加速度传感器的数据及y轴正向角速度传感器的数据，在y轴正向距离O点ρby′处布置的x轴正向加速度传感器的数据及z轴正向角速度传感器的数据，在z轴正向距离O点ρcz′处布置的y轴正向加速度传感器的数据及x轴正向角速度传感器的数据；计算浮体的质心在平移坐标系中的线加速度；建立FIR滤波器并计算正则化参数；计算滤波器系数，并将线加速度输入FIR滤波器进行滤波处理，以获得浮体的线位移。实施本发明的技术方案，测量结果准确可靠。
文档编号G01C21/16GK103115625SQ201310064440
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月28日 优先权日2013年2月28日
发明者陆建辉, 刘培林, 刘义勇, 陈少楠, 邓周荣, 于文太, 李怀亮, 曹为, 冯丽梅, 梁学先 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油深海开发有限公司, 海洋石油工程股份有限公司, 中国海洋大学