專利名稱：一種浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及測量領域，尤其是涉及一種基于慣性測量系統的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法及系統。
背景技術：
浮體運動測量技術可以為船舶、海工設施及其他一些功能系統運行提供必不可少的運動參數。浮體運動測量由于難以找到一個固定的參考點，所以其位移的建立相當困難，目前可行的方法主要有使用GPS測距和使用慣性測量系統，由于GPS的精度很難達到要求，所以研究都集中在通過慣性測量系統測得的加速度來重建位移。一般的慣性測量系統可以測量浮體的姿態角，而試驗中經常也需要有橫蕩、縱蕩和升沉的運動量數據。這些系統通常結構復雜、造價昂貴、體積質量大、維修困難、不便裝卸。捷聯式慣導系統的出現解決了傳統平臺系統的問題。在慣性測量系統中，對于浮體線位移的測量，線加速度在二次積分中存在無邊界誤差累積現象，系統會隨著時間的推進而失去測量精度。浮體位移可分為由浮體機動引起的低頻位移信息和由波浪干擾引起的高頻位移信息。對于此低頻位移信息，單獨依靠慣性測量系統難以解決誤差累積問題，往往需要同其他測量方法如GPS測距等聯合作用，以計算其位移變化。而浮體的高頻位移信息，由于可將其視為繞某一穩定點的振動，目前有各種方法通過數值積分獲得。在以往的方法中，為獲得浮體線位移信息，往往通過海浪監測，浮體運動建模等手段完成。此方法往往效果差，難以滿足實際應用需求。當前已知的一些測量方法往往基于慣性測量系統實現，但是這些方法對浮體線加速度信息的處理過程中往往不能充分考慮加速度信息本身的特性，濾波算法復雜，可操作性差。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，針對現有技術的上述的缺陷，提供一種算法穩定、可操作性強的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法及系統。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法，包括:A.預先在被測浮體上建立載體坐標系Ο-xyz，并實時采集以下傳感器的輸出數據:在O點分別沿三個軸向布置的三個加速度傳感器的輸出數據aM,、 ,及ara,，在χ軸正方向距離O點P ax,處布置的ζ軸正向加速度傳感器的輸出數據aaz,及y軸正向角速度傳感器的輸出數據，在y軸正向距離O點Pby,處布置的χ軸正向加速度傳感器的輸出數據abx,及ζ軸正向角速度傳感器的輸出數據ωζ,，在ζ軸正向距離O點Pcz,處布置的y軸正向加速度傳感器的輸出數據aey,及χ軸正向角速度傳感器的輸出數據ωχ,；B.根據所采集的數據計算被測浮體的質心在平移坐標系中三個自由度方向的線加速度；
C.建立FIR模擬濾波器，并根據所確定的濾波器頻率及目標精度計算正則化參數；D.根據所述正則化參數計算濾波器系數，并將步驟B中的線加速度輸入步驟C所建立的FIR模擬濾波器進行濾波處理，以獲得被測浮體的線位移。在本發明所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法中，所述步驟B包括:B1.根據公式1-1確定由載體坐標系到平移坐標系的坐標變換矩陣A ；
權利要求
1.一種浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法，其特征在于，包括: A.預先在被測浮體上建立載體坐標系O-xyz，并實時采集以下傳感器的輸出數據:在O點分別沿三個軸向布置的三個加速度傳感器的輸出數據aM,、aoy,及ara,，在x軸正方向距離O點P ax,處布置的z軸正向加速度傳感器的輸出數據aaz,及y軸正向角速度傳感器的輸出數據，在y軸正向距離O點Pby,處布置的X軸正向加速度傳感器的輸出數據abx,及z軸正向角速度傳感器的輸出數據ωζ,，在ζ軸正向距離O點Pra,處布置的y軸正向加速度傳感器的輸出數據Ay,及X軸正向角速度傳感器的輸出數據ωχ,； B.根據所采集的數據計算被測浮體的質心在平移坐標系中三個自由度方向的線加速度； C.建立FIR模擬濾波器，并根據所確定的濾波器頻率及目標精度計算正則化參數； D.根據所述正則化參數計算濾波器系數，并將步驟B中的線加速度輸入步驟C所建立的FIR模擬濾波器進行濾波處理，以獲得被測浮體的線位移。
2.根據權利要求1所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法，其特征在于，所述步驟B包括: B1.根據公式1-1確定由載體坐標系到平移坐標系的坐標變換矩陣A ；
3.根據權利要求2所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法，其特征在于，所述步驟C包括: Cl.對浮體的質心在平移坐標系下的三個自由度方向的線加速度F作傅里葉變換確定頻率fT，并確定目標精度ατ ; C2.根據公式2-1計算正則化參數β ；
4.根據權利要求3所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法，其特征在于，所述步驟D包括: Dl.確定線加速度的時間窗口的類型，并根據公式3-1確定時間窗口的寬度dw ； dw = 2k Δ t 公式 3-1 其中，At為線加速度采樣間隔，k為自然數； D2.根據公式3-2、公式3-3和公式3-4計算濾波器系數cp+k+1 ；
5.根據權利要求4所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法，其特征在于，在所述步驟Dl中，所確定的時間窗口的類型為矩形重疊窗口。
6.一種浮體橫縱蕩及升沉運動的測量系統，其特征在于，包括: 采集模塊，用于通過預先在被測浮體上建立載體坐標系O-xyz，并實時采集以下傳感器的輸出數據:在O點分別沿三個軸向布置的三個加速度傳感器的輸出數據aM,、 ,及ara,，在X軸正方向距離O點P ax,處布置的ζ軸正向加速度傳感器的輸出數據aaz,及y軸正向角速度傳感器的輸出數據，在y軸正向距離O點Pv處布置的X軸正向加速度傳感器的輸出數據abx,及ζ軸正向角速度傳感器的輸出數據ωζ,，在ζ軸正向距離O點Pcz,處布置的I軸正向加速度傳感器的輸出數據aey,及X軸正向角速度傳感器的輸出數據ωχ,；線加速度計算模塊，用于根據所采集的數據計算被測浮體的質心在平移坐標系中三個自由度方向的線加速度； 正則化參數計算模塊，用于建立FIR模擬濾波器，并根據所確定的濾波器頻率及目標精度計算正則化參數； 濾波模塊，用于根據所述正則化參數計算濾波器系數，并將所計算的線加速度輸入所建立的FIR模擬濾波器進行濾波處理，以獲得被測浮體的線位移。
7.根據權利要求6所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量系統，其特征在于，所述線加速度計算模塊包括: 第一計算單元，用于根據公式1-1確定由載體坐標系到平移坐標系的坐標變換矩陣A ;
8.根據權利要求7所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量系統，其特征在于，所述正則化參數計算模塊包括: 第一確定單元，用于對浮體的質心在平移坐標系下的三個自由度方向的線加速度K作傅里葉變換確定頻率fT，并確定目標精度α τ ； 第五計算單元，用于根據公式2-1計算正則化參數β ；
9.根據權利要求8所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量系統，其特征在于，所述正則化參數計算模塊包括: 第二確定單元，用于確定線加速度的時間窗口的類型，并根據公式3-1確定時間窗口的寬度dw ； dw=2k Δ t 公式 3-1 其中，At為線加速度采樣間隔，k為自然數； 第六計算單元，用于根據公式3-2、公式3-3和公式3-4計算濾波器系數cp+k+1 ；
10.根據權利要求9所述的浮體橫縱蕩及升沉運動的測量系統，其特征在于，所述第二確定單元所確定的時間窗口的類型為矩形重疊窗口。
全文摘要
本發明公開了一種浮體橫縱蕩及升沉運動的測量方法及系統，該測量方法包括預先在浮體上建立載體坐標系O-xyz，并實時采集在O點分別沿三個軸向布置的三個加速度傳感器的數據，在x軸正方向距離O點ρax′處布置的z軸正向加速度傳感器的數據及y軸正向角速度傳感器的數據，在y軸正向距離O點ρby′處布置的x軸正向加速度傳感器的數據及z軸正向角速度傳感器的數據，在z軸正向距離O點ρcz′處布置的y軸正向加速度傳感器的數據及x軸正向角速度傳感器的數據；計算浮體的質心在平移坐標系中的線加速度；建立FIR濾波器并計算正則化參數；計算濾波器系數，并將線加速度輸入FIR濾波器進行濾波處理，以獲得浮體的線位移。實施本發明的技術方案，測量結果準確可靠。
文檔編號G01C21/16GK103115625SQ201310064440
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月28日 優先權日2013年2月28日
發明者陸建輝, 劉培林, 劉義勇, 陳少楠, 鄧周榮, 于文太, 李懷亮, 曹為, 馮麗梅, 梁學先 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油深海開發有限公司, 海洋石油工程股份有限公司, 中國海洋大學