基于海上波浪运动的检测系统及方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于海上波浪运动的检测系统及方法，属于海上检测技术领域。它解决了现有系统结构较为复杂，容易产生一定的误差等问题。本基于海上波浪运动的检测系统及方法，包括如下步骤：1)对波浪运动采集数据；利用加速度检测器来采集海上波浪运动数据，以采集时间间隔st＝0.01s，采样频率sf＝1/st＝100Hz；2)数据分析和辨识；3)进行数学描述方程；4)误差分析。本发明具有能够更有效的实现对舰船波浪运动的补偿的特点，且还能够降低误差。
【专利说明】
基于海上波浪运动的检测系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于海上检测技术领域，涉及一种基于海上波浪运动的检测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 船舶海洋工程装备是国家大力支持的16项重大技术装备之一，其快速健康发展将 成为我国国民经济新的增长点，以及带动船舶制造业的产业发展。随着我国综合国力的日 益强大，我国对海洋资源开发利用日益增多，同时海上作业呈现日趋频繁之势。而海上补给 是海上作业顺利进行的重要后勤保障。军用方面，海上补给能提高舰船的续航能力和战斗 力，现代舰船航行时间长，活动范围广，海洋环境复杂严峻，对舰船的补给工作提出了严格 的要求。在复杂的海洋环境中，船舶会受到海风、海浪以及自身航行的影响，两船间会产生 升沉、横摇以及纵摇的相对运动，在海上补给的过程中极易产生货物碰撞甲板也可能因被 补给船下沉而出现再次悬空现象，造成货物损坏，严重时会发生舰船沉没的灾难性事故，这 严重威胁海上补给作业的安全性。常规的海上浮吊不具备此防护功能无法实现海上补给安 全、按时、高效的作业要求。这就要求能够满足在恶劣海洋环境下作业的海洋波浪补偿型浮 吊。
[0003] 对于波浪补偿系统研究来说，首要的要先正确地检测到海上波浪运动的数据，然 后才能利用电液控制系统去控制执行机构动作。目前舰船波浪运动检测方式主要是利用测 量绳方式，但利用测量绳，只能得到吊重点相对于连绳点的相对运动位移和速度，一方面由 于连绳点不可能就是着船点，因而检测的只是近似值；另一方面，利用测量绳只能检测相对 运动位移和速度，而不能检测相对角速度和角加速度，只能用于实现纵向的过驳波浪补偿， 而不能用于实现六个自由度的波浪补偿。
[0004] 由于存在上述的问题，经检索，如中国专利文献公开了一种基于波浪趋势判断的 主动式波浪补偿控制系统及方法【专利号：ZL20 1410240427.9;授权公告号：CN 103979419A】。这种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法，包括传感器网 络、液压驱动系统和波浪补偿控制器:波浪补偿控制器包括PLC控制器;该系统利用传感器 网络的MRU测量船舶运动参数，利用MRU、声学波浪仪耦合得到波浪运动参数，利用旋转编码 器测量马达转速并得到负载运动参数，PLC控制器对上述运动参数进行分析，得到船舶、负 载、波浪三者相对于静止海平面的运动状况，即以静止海平面为运动测量的参考系，解决了 船舶、负载、波浪运动测量相互耦合的问题。
[0005] 但是，这种基于波浪趋势判断的主动式波浪补偿控制系统及方法还是存在很多不 足之处，整个控制系统结构较为复杂，容易产生一定的误差。所以，对于本领域内的技术人 员，还有待研发出一种能够更有效的实现对舰船波浪运动的补偿的检测系统及方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种基于海上波浪运动的 检测系统及方法，本基于海上波浪运动的检测系统及方法具有能够更有效的实现对舰船波 浪运动的补偿的特点，且还能够降低误差。
[0007] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
[0008] 基于海上波浪运动的检测系统及方法，包括如下步骤：
[0009] 1)对波浪运动采集数据;利用加速度检测器来采集海上波浪运动数据，以采集时 间间隔st = 0 ? 01s，米样频率 sf = l/st = 100Hz。
[0010] 2)数据分析和辨识:对采集的系统进行放大、滤波和模数转换，进行分析和辨识， 对实测加速度分别采用频域积分和辛普森时域积分算法进行求得速度和位移，并对实测位 移采用三点插值型求导公式求得速度，得到的三种位移和速度数据的对比。
[0011] 3)进行数学描述方程:设一样本长度为T的时域信号x(t)经数据采集后，形成离散 数据x(n)，如果在时间T内采集N个数据，则x(t)归一化的离散傅里叶变换(DFT)为
[0013] 式中：n和k取为0，1，2,…，（N-l)，DFT采用离散傅里叶变换快速算法(FFT) <^(11)经 离散傅里叶变换后得到的X(k)是一个长度为N的复数序列(频谱）
[0014] X(k)=DFT[x(n)] = [(a。，jb。），（ai，jbi)，???，（aN-i，jbN-i)]
[0015]加速度信号频域一次积分的数值计算公式为：
[0017]加速度信号频域二次积分的数值计算公式可概括为：
[0019]式中k，n和r取值为0，1，2,……，N_1;d f和u f分别为带通滤波的下限截止频率和 上限截止频率;X(k)为时域信号x(n)的傅立叶变换;Df为频率分辨率;H(k)为带通滤波器的 频率响应函数，最后将获得的频域积分信号通过傅立叶逆变换转换回到时域获得速度和位 移的时域信号，功率谱计算公式可概括为：
[0020] Pxx=X*conj(X)/N
[0021] 4)误差分析:较小的加速度直流分量误差，将引起速度一次项误差和位移二次项 误差，在积分时间较长时，由于对时间积分的累积作用，将产生超过真实信号幅值的很大的 误差，为了消除直流分量，应对周期信号的加速度一般采用去平均值法或者用最小二乘法。
[0022] 在上述基于海上波浪运动的检测系统及方法，在步骤1)中，所述的加速度检测器 设有加速度检测阵列。
[0023] 在上述基于海上波浪运动的检测系统及方法，所述的加速度检测阵列设有若干个 加速度计，所述的加速度计采用二轴加速度计或三轴加速度计。
[0024] 在上述基于海上波浪运动的检测系统及方法，在步骤2)中，所述的加速度检测阵 列将采集的信息传递给信号调节模块进行调理，信号调节模块连接有能够将调理后的信号 传递给数据采集卡模块，所述的数据采集卡模块将分析和辨识后的信息传递给工控机。
[0025] 对于海上波浪运动数据采集，可分别采用两个基于加速度检测阵列的舰船波浪运 动检测系统检测过驳船吊具下平台和被过驳船的波浪运动，把他们相减得到两船的相对波 浪运动数据，相对速度、相对角加速度、相对角速度。
[0026] 在上述基于海上波浪运动的检测系统及方法，所述的信号调节模块和信号调节模 块均采用18通道。
[0027] 在上述基于海上波浪运动的检测系统及方法，作为另一种方案，所述的信号调节 模块和信号调节模块均采用6通道，且工控机通过串口连接有电子罗盘。
[0028] 在上述基于海上波浪运动的检测系统及方法，所述的数据采集卡模块通过接口连 接有电液比例方向阀，所述的电液比例方向阀连接有执行油缸。
[0029] 工控机是整个控制系统的控制中心，数据的采集和处理、控制信号的产生和输出 都是由它完成；而数据采集卡则是工控机与外界硬件连接和进行数据交换的重要接口。系 统首先把舰船运动模拟平台的运动信号以及补偿执行油缸的行程位置信号从采集卡的A/D 口传输给工控机;经过工控机的比较和运算后，再从采集卡的D/A 口和数字输出口共同输出 控制信号，并经过外部接口电路，最终传送到电液比例方向阀，从而控制执行油缸进行运 动。
[0030] 与现有技术相比，本基于海上波浪运动的检测系统及方法具有以下优点：采用两 个基于加速度计阵列的舰船波浪运动检测系统检测过驳船吊具下平台和被过驳船的波浪 运动，把得到两波浪运动数据进行数学描述，从而筛选误差更好的分析和辨识波浪运动，再 由电液比例方向阀和执行油缸进行对舰船波浪运动的补偿。
【附图说明】
[0031] 图1是实施例一的系统框图；
[0032]图2是实施例二的系统框图。
【具体实施方式】
[0033]以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述， 但本发明并不限于这些实施例。
[0034] 实施例一
[0035] 如图1所示，基于海上波浪运动的检测系统及方法，包括如下步骤：
[0036] 1)对波浪运动采集数据;利用加速度检测器来采集海上波浪运动数据，以采集时 间间隔st = 0.01s，采样频率sf = 1/st = 100Hz。在步骤1)中，加速度检测器设有加速度检测 阵列，加速度检测阵列设有个加速度计，加速度计采用二轴加速度计或三轴加速度计。
[0037] 2)数据分析和辨识:对采集的系统进行放大、滤波和模数转换，进行分析和辨识， 对实测加速度分别采用频域积分和辛普森时域积分算法进行求得速度和位移，并对实测位 移采用三点插值型求导公式求得速度，得到的三种位移和速度数据的对比。
[0038] 3)进行数学描述方程:设一样本长度为T的时域信号x(t)经数据采集后，形成离散 数据x(n)，如果在时间T内采集N个数据，则x(t)归一化的离散傅里叶变换(DFT)为
[0040] 式中:n和k取为0，1，2,…，（N-l)，DFT采用离散傅里叶变换快速算法(FFT) ^(n)经 离散傅里叶变换后得到的X(k)是一个长度为N的复数序列(频谱）
[0041] X(k)=DFT[x(n)] = [(ao, jbo), (ai, jbi) ,???, (aN-i, jbN-i)]
[0042]加速度信号频域一次积分的数值计算公式为：
[0044]加速度信号频域二次积分的数值计算公式可概括为：
[0046] 式中k，n和r取值为0，1，2,……，N_1;d f和u f分别为带通滤波的下限截止频率和 上限截止频率;X(k)为时域信号x(n)的傅立叶变换;Df为频率分辨率;H(k)为带通滤波器的 频率响应函数，最后将获得的频域积分信号通过傅立叶逆变换转换回到时域获得速度和位 移的时域信号，功率谱计算公式可概括为：
[0047] Pxx=X*conj(X)/N
[0048] 4)误差分析:较小的加速度直流分量误差，将引起速度一次项误差和位移二次项 误差，在积分时间较长时，由于对时间积分的累积作用，将产生超过真实信号幅值的很大的 误差，为了消除直流分量，应对周期信号的加速度一般采用去平均值法或者用最小二乘法。
[0049] 在步骤2)中，所述的加速度检测阵列将采集的信息传递给信号调节模块进行调 理，信号调节模块连接有能够将调理后的信号传递给数据采集卡模块，数据采集卡模块将 分析和辨识后的信息传递给工控机。
[0050] 对于海上波浪运动数据采集，可分别采用两个基于加速度检测阵列的舰船波浪运 动检测系统检测过驳船吊具下平台和被过驳船的波浪运动，把他们相减得到两船的相对波 浪运动数据，相对速度、相对角加速度、相对角速度。
[0051] 信号调节模块和信号调节模块均采用18通道。数据采集卡模块通过接口连接有电 液比例方向阀，电液比例方向阀连接有执行油缸。
[0052]工控机是整个控制系统的控制中心，数据的采集和处理、控制信号的产生和输出 都是由它完成；而数据采集卡则是工控机与外界硬件连接和进行数据交换的重要接口。系 统首先把舰船运动模拟平台的运动信号以及补偿执行油缸的行程位置信号从采集卡的A/D 口传输给工控机;经过工控机的比较和运算后，再从采集卡的D/A 口和数字输出口共同输出 控制信号，并经过外部接口电路，最终传送到电液比例方向阀，从而控制执行油缸进行运 动。
[0053] 实施例二
[0054]本实施例同实施例一的结构及原理基本相同，不一样的地方在于:在实施例一中， 信号调节模块和信号调节模块均采用18通道;而在本实施例二中，如图2所示，信号调节模 块和信号调节模块均采用6通道，且工控机通过串口连接有电子罗盘。该电子罗盘内置三轴 磁场传感器和双轴倾角传感器。
[0055] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
[0056] 尽管本文较多地使用了一些术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些 术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质;把它们解释成任何一种附加的限制都 是与本发明精神相违背的。
【主权项】
1. 基于海上波浪运动的检测系统及方法，包括如下步骤： 1) 对波浪运动采集数据;利用加速度检测器来采集海上波浪运动数据，以采集时间间 隔st = 0 ? 01s，米样频率 sf = l/st = 100Hz。 2) 数据分析和辨识:对采集的系统进行放大、滤波和模数转换，进行分析和辨识，对实 测加速度分别采用频域积分和辛普森时域积分算法进行求得速度和位移，并对实测位移采 用三点插值型求导公式求得速度，得到的三种位移和速度数据的对比。 3) 进行数学描述方程:设一样本长度为T的时域信号x(t)经数据采集后，形成离散数据 x(n)，如果在时间T内采集N个数据，则x(t)归一化的离散傅里叶变换(DFT)为式中：n和k取为0，1，2，…，（N-l)，DFT采用离散傅里叶变换快速算法(FFT)。奴1〇经离散 傅里叶变换后得到的X(k)是一个长度为N的复数序列(频谱） X(k)=DFT[x(n)] = [(ao, jbo), (ai, jbi), ???, (aN-i, jbN-i)] 加速度信号频域一次积分的数值计算公式为：加速度信号频域二次积分的数值计算公式可概括为：式中k，n和r取值为0，1，2，……，N-1; df和uf分别为带通滤波的下限截止频率和上限截 止频率;X(k)为时域信号x(n)的傅立叶变换;Df为频率分辨率;H(k)为带通滤波器的频率响 应函数，最后将获得的频域积分信号通过傅立叶逆变换转换回到时域获得速度和位移的时 域信号，功率谱计算公式可概括为： Pxx = X*conj(X)/N 4) 误差分析:较小的加速度直流分量误差，将引起速度一次项误差和位移二次项误差， 在积分时间较长时，由于对时间积分的累积作用，将产生超过真实信号幅值的很大的误差， 为了消除直流分量，应对周期信号的加速度一般采用去平均值法或者用最小二乘法。2. 根据权利要求1所述的基于海上波浪运动的检测系统及方法，其特征在于，在步骤1) 中，所述的加速度检测器设有加速度检测阵列。3. 根据权利要求2所述的基于海上波浪运动的检测系统及方法，其特征在于，所述的加 速度检测阵列设有若干个加速度计，所述的加速度计采用二轴加速度计或三轴加速度计。4. 根据权利要求1所述的基于海上波浪运动的检测系统及方法，其特征在于，在步骤2) 中，所述的加速度检测阵列将采集的信息传递给信号调节模块进行调理，信号调节模块连 接有能够将调理后的信号传递给数据采集卡模块，所述的数据采集卡模块将分析和辨识后 的信息传递给工控机。5. 根据权利要求4所述的基于海上波浪运动的检测系统及方法，其特征在于，所述的信 号调节模块和信号调节模块均采用18通道。6. 根据权利要求4所述的基于海上波浪运动的检测系统及方法，其特征在于，所述的信 号调节模块和信号调节模块均采用6通道，且工控机通过串口连接有电子罗盘。7.根据权利要求4所述的基于海上波浪运动的检测系统及方法，其特征在于，所述的数 据采集卡模块通过接口连接有电液比例方向阀，所述的电液比例方向阀连接有执行油缸。
【文档编号】G01C13/00GK106052651SQ201610351242
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】黄晓刚, 汤天浩, 王天真, 袁宽, 冯丰泽, 包启涵
【申请人】衢州学院