一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于船體姿態(tài)信息估計(jì)領(lǐng)域，具體的說是一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)。包括無跡卡爾曼濾波器、海浪擾動(dòng)估計(jì)器、海浪浪高估計(jì)器，船上測(cè)量系統(tǒng)的加速度傳感器、慣性陀螺儀測(cè)出船體姿態(tài)信息，海浪擾動(dòng)估計(jì)器接收作用在船上的控制量的同時(shí)接收無跡卡爾曼濾波器的輸出的水動(dòng)力系數(shù)估計(jì)值，得到海浪擾動(dòng)估計(jì)器輸出的海浪擾動(dòng)力、力矩估計(jì)序列，浪高估計(jì)器接收海浪擾動(dòng)力、力矩估計(jì)序列后，得到海浪浪高估計(jì)序列。本發(fā)明可以很好的解決所用船體運(yùn)動(dòng)方程參數(shù)未知和不確定性的情況，最后利用船體姿態(tài)反推出的船體所受的海浪擾動(dòng)間接的求出海浪浪高，達(dá)到了較高的計(jì)算精度。
【專利說明】一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于船體姿態(tài)信息估計(jì)領(lǐng)域，具體的說是一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪 浪1?的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 海洋是世界重要的組成部分，要對(duì)其進(jìn)行研究，首先要考慮海浪，我們知道，海浪 是海洋中的一種普遍自然現(xiàn)象，它是由海水的不規(guī)則波動(dòng)而產(chǎn)生的，并且影響著人們?cè)诤?上的各種活動(dòng)，無論是民用的漁船，還是軍用船舶，在海上航行時(shí)都會(huì)因?yàn)楹＠说挠绊懚a(chǎn) 生劇烈搖蕩，輕則影響航行，重則可能會(huì)損壞船只或者使其沉沒，因此為了減小海浪對(duì)海上 航行船只的威脅性，對(duì)海浪特性的研究有著相當(dāng)重要的意義。
[0003] 在了解海浪特性方面，傳統(tǒng)的系統(tǒng)是運(yùn)用一些儀器來測(cè)量海浪的相關(guān)數(shù)據(jù)，在實(shí) 際中有不少船只使用浪高儀來測(cè)量浪高，對(duì)于這種情況，同樣也會(huì)出現(xiàn)一些問題，如浪高儀 本身的故障以及浪級(jí)上的限制，也就是說浪高儀并不是在任何情況下都是可以使用的，它 具有一定的局限性，當(dāng)然也有比較先進(jìn)的船只配備了隨船海浪攝像測(cè)量系統(tǒng)，這種系統(tǒng)雖 然也可以達(dá)到目的，但是由于其復(fù)雜性以及價(jià)格昂貴，使其不能在所有船只都能使用，這也 就限制了這種系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。綜合考慮這些系統(tǒng)都并不太令人滿意，因此找出更好的測(cè) 量海浪浪高的系統(tǒng)，增加船舶在航行時(shí)的安全性，仍是當(dāng)前重要的課題。
[0004] 對(duì)于傳統(tǒng)的使用儀器測(cè)量海浪浪高的系統(tǒng)中，浪高儀的工作原理是在使用時(shí)需要 投放測(cè)量海域，利用其中傳感器進(jìn)行測(cè)量計(jì)算而輸出相應(yīng)的浪高數(shù)據(jù)，待測(cè)量完畢后進(jìn)行 回收，而同樣的原理，將海中航行的船體作為一個(gè)浪高儀時(shí)，利用船體自身的一些航行姿態(tài) 變量對(duì)海浪的浪高進(jìn)行計(jì)算，同樣也可以得到相應(yīng)的信息，并且減少了投放與回收的過程， 更加方便。
[0005] 本發(fā)明通過建立的船體運(yùn)動(dòng)方程，應(yīng)用無跡卡爾曼濾波器對(duì)船體模型參數(shù)進(jìn)行辨 識(shí)，并依此反推出船體所受的海浪擾動(dòng)。通過運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)找出海浪擾動(dòng)與海浪浪 高之間的關(guān)系，間接求出海浪浪高。這其中并沒有運(yùn)用新的測(cè)量儀器，只是運(yùn)用船體在海中 航行的過程中提供的一些航行參數(shù)，該法是一種較為安全、便捷的海浪浪高測(cè)量系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種更高計(jì)算精度的基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的 系統(tǒng)。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
[0008] 基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)，包括無跡卡爾曼濾波器（1)、海浪擾動(dòng)估 計(jì)器（2)、海浪浪高估計(jì)器（3)，船上測(cè)量系統(tǒng)的加速度傳感器、慣性陀螺儀測(cè)出船體姿態(tài) 信息：縱蕩速度、橫蕩速度、艏搖角速度，傳遞給無跡卡爾曼濾波器（1)，將作用在船上的控 制量分別發(fā)送給無跡卡爾曼濾波器（1)和海浪擾動(dòng)估計(jì)器（2)，無跡卡爾曼濾波器（1)同時(shí) 接收船體姿態(tài)信息和作用在船上的控制量后得到水動(dòng)力系數(shù)估計(jì)值；海浪擾動(dòng)估計(jì)器（2) 接收作用在船上的控制量的同時(shí)接收無跡卡爾曼濾波器（1)的輸出的水動(dòng)力系數(shù)估計(jì)值， 得到海浪擾動(dòng)估計(jì)器（2)輸出的海浪擾動(dòng)力、力矩估計(jì)序列，浪高估計(jì)器（3)接收海浪擾動(dòng) 力、力矩估計(jì)序列后，得到海浪浪1?估計(jì)序列。
[0009] 無跡卡爾曼濾波器是通過sigma點(diǎn)發(fā)生器獲取sigma點(diǎn)，經(jīng)過非線性狀態(tài)函數(shù)進(jìn) 行時(shí)間更新獲得狀態(tài)一步預(yù)報(bào)和狀態(tài)一步預(yù)報(bào)協(xié)方差，經(jīng)過非線性量測(cè)函數(shù)進(jìn)行測(cè)量更新 獲得輸出預(yù)測(cè)、輸出預(yù)測(cè)自協(xié)方差和輸出預(yù)測(cè)互方差，將實(shí)際輸出值、輸出預(yù)測(cè)、輸出預(yù)測(cè) 自協(xié)方差、輸出預(yù)測(cè)互協(xié)方差、狀態(tài)一步預(yù)報(bào)和狀態(tài)一步預(yù)報(bào)協(xié)方差送給狀態(tài)估計(jì)器后得 到水動(dòng)力系數(shù)估計(jì)值；所述的非線性狀態(tài)函數(shù)和非線性量測(cè)函數(shù)為：
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)，其特征在于：包括無跡卡爾曼濾波器 (1)、海浪擾動(dòng)估計(jì)器（2)、海浪浪高估計(jì)器（3)，船上測(cè)量系統(tǒng)的加速度傳感器、慣性陀螺 儀測(cè)出船體姿態(tài)信息：縱蕩速度、橫蕩速度、艏搖角速度，傳遞給無跡卡爾曼濾波器（1)，將 作用在船上的控制量分別發(fā)送給無跡卡爾曼濾波器（1)和海浪擾動(dòng)估計(jì)器（2)，無跡卡爾 曼濾波器（1)同時(shí)接收船體姿態(tài)信息和作用在船上的控制量后得到水動(dòng)力系數(shù)估計(jì)值；海 浪擾動(dòng)估計(jì)器（2)接收作用在船上的控制量的同時(shí)接收無跡卡爾曼濾波器（1)的輸出的水 動(dòng)力系數(shù)估計(jì)值，得到海浪擾動(dòng)估計(jì)器（2)輸出的海浪擾動(dòng)力、力矩估計(jì)序列，浪高估計(jì)器 (3)接收海浪擾動(dòng)力、力矩估計(jì)序列后，得到海浪浪高估計(jì)序列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)，其特征在于： 所述的無跡卡爾曼濾波器是通過sigma點(diǎn)發(fā)生器獲取sigma點(diǎn)，經(jīng)過非線性狀態(tài)函數(shù)進(jìn)行 時(shí)間更新獲得狀態(tài)一步預(yù)報(bào)和狀態(tài)一步預(yù)報(bào)協(xié)方差，經(jīng)過非線性量測(cè)函數(shù)進(jìn)行測(cè)量更新獲 得輸出預(yù)測(cè)、輸出預(yù)測(cè)自協(xié)方差和輸出預(yù)測(cè)互方差，將實(shí)際輸出值、輸出預(yù)測(cè)、輸出預(yù)測(cè)自 協(xié)方差、輸出預(yù)測(cè)互協(xié)方差、狀態(tài)一步預(yù)報(bào)和狀態(tài)一步預(yù)報(bào)協(xié)方差送給狀態(tài)估計(jì)器后得到 水動(dòng)力系數(shù)估計(jì)值；所述的非線性狀態(tài)函數(shù)和非線性量測(cè)函數(shù)為：
xk是η維狀態(tài)向量，yk是r維輸出向量，Θk是p維未知參數(shù)向量，Wk是n維狀態(tài)噪聲 向量，Vk是r維量測(cè)噪聲向量，是η+ρ維的狀態(tài)向量，Iik是ρ維狀態(tài)噪聲向量，此處，假 設(shè)序列wk，nk與Vk均為離散的高斯白噪聲； 所述的sigma點(diǎn)發(fā)生器是采用對(duì)稱采樣策略獲取sigma點(diǎn)：
3. 根根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)，其特征在 于：所述的時(shí)間更新是指將Sigma點(diǎn)集中的每一個(gè)點(diǎn)帶入到非線性狀態(tài)函數(shù)中去，
狀態(tài)一步預(yù)報(bào)為
狀態(tài)一步預(yù)報(bào)協(xié)方差為
4. 根根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)，其特征在 于：所述的測(cè)量更新是指基于時(shí)間更新中的狀態(tài)一步預(yù)報(bào)元和狀態(tài)一步預(yù)報(bào)協(xié)方差Px, k，利用sigma點(diǎn)發(fā)生器獲得sigma點(diǎn)名+ 經(jīng)過非線性量測(cè)函數(shù)傳播
輸出預(yù)泖
輸出預(yù)測(cè)自協(xié)方差為
輸出預(yù)測(cè)互協(xié)方差為』
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于船體姿態(tài)信息估計(jì)海浪浪高的系統(tǒng)，其特征在于： 所述的狀態(tài)估計(jì)器是指運(yùn)用實(shí)際輸出的值來修正計(jì)算的狀態(tài)后驗(yàn)估計(jì)值： =xl^K( yk ^yi); 所述的實(shí)際輸出值是指通過測(cè)量系統(tǒng)得到的船體姿態(tài)信息，極縱蕩速度、橫蕩速度以 及艏搖角速度，測(cè)量系統(tǒng)是指線加速度傳感器、慣性陀螺儀，狀態(tài)后驗(yàn)估計(jì)值是指水動(dòng)力系 數(shù)及船體姿態(tài)辨識(shí)值，海浪擾動(dòng)估計(jì)器為：
海浪浪尚估計(jì)器為： "
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【文檔編號(hào)】G01C5/00GK104316025SQ201410546129
【公開日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月16日
【發(fā)明者】陳虹麗, 余沛, 王子元, 沈丹, 宋東輝, 高延濱, 何昆鵬 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)