CN107179420A - 一种采用定向超声波测量船舶对水速度和方向的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用定向超声波测量船舶对水速度和方向的方法，包括以下步骤，在船舶底部安装两对定向超声波收发器，使得两对超声波收发器安装位置呈垂直状态；在船舶行驶过程中，多次测量得到超声波在每组超声波收发器内的来回传播的平均时间；计算出平行于船舶行驶方向的水流速度和垂直于船舶行驶方向的水流速度；计算出水流的合速度以及与船舶行驶方向的夹角；通过上述测量方法，可实现船舶对水速度以及和水流方向的实时测量。本发明测量过程中不限制船舶的大小，抗干扰能力强，测量精度高，实时性好，能够适应河水、海水等多种场合。

Description

一种采用定向超声波测量船舶对水速度和方向的方法
技术领域
本发明属于船舶应用技术领域，具体地说是一种测量船舶对水速度和方向的方法。
背景技术
船舶在航行过程中，对水速度和方向对于船舶的控制和航行是非常重要的一个参考量，现有的船速测量使用的多普勒船速仪，GNSS组合导航系统等测量的是对地速度，而且多适用于大型船舰。随着市场需求的发展，越来越多的小型无人船艇(船长3m以内)开始出现，上述测量方式对于小型无人船艇并不适用，采用GPS/北斗等导航卫星方式测量对水速度对于小型船艇误差较大，采用差分GPS等高精度设备可以满足小型无人船艇的测量使用需求，但是极大地限制了小型无人船艇的使用环境，抬高了小型无人船艇的制造成本，不利于小型无人船艇的推广应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种可适用于船舶对水速度和方向测量的方法，其目的在于可以测量包括但不限于小型船艇的对水速度和方向。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下步骤：
(权1)。
总体而言，通过本发明中的技术方案与现有的技术相比，具有以下优点：
(1)测量实时性好，精度高。
(2)适用范围广，对船舶尺寸没有要求。
(3)抗干扰能力强，能够适用于河水、海水等多种场合。
(4)成本低。
附图说明
图1超声波收发器安装位置示意图，图2为使用超声波收发器测量船舶对水速度和方向的示意图，图3为计算船舶对水速度和方向的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，将结合附图对本发明进一步详细说明。具体步骤如下：
步骤1：将四个定向超声波收发器(编号为1，2，3，4)两两配对(1与2配对，3与4配对)形成超声波收发器组安装在船底，并使得两对超声波收发器安装位置呈互相垂直状态(如图1所示)，图中1，2，3，4分别为相同的超声波收发器，L1为超声波收发器1，2之间的距离，L2为超声波收发器3，4之间的距离，确定超声波收发器之间的安装距离L1和L2；
步骤2：在船舶行驶过程中的每一个测量时间段内，每对超声波收发器组轮流发送定向超声波，测量超声波在收发器内之间传播所需要的时间(如图2所示)，t1，t2，t3，t4为超声波单次传播需要的时间。重复该过程N次，得到超声波收发器组内两个不同的超声波收发器收到的超声波平均传播时间详细步骤如下：
步骤2.1：超声波模块1发出超声波，超声波模块2接收，超声波速度为Vws-Vwx，测量出超声波在模块1和模块2之间的传播时间t1，计算超声波在模块1和模块2之间的平均传播时间
步骤2.2：超声波模块2发出超声波，超声波模块1接收，超声波速度为Vws+Vwx，测量出超声波在模块2和模块1之间的传播时间t2，计算超声波在模块1和模块2之间的平均传播时间
步骤2.3：超声波模块3发出超声波，超声波模块4接收，超声波速度为Vws+Vwy，测量出超声波在模块3和模块4之间的传播时间t3，计算超声波在模块1和模块2之间的平均传播时间
步骤2.4：超声波模块4发出超声波，超声波模块3接收，超声波速度为Vws-Vwy，测量出超声波在模块4和模块3之间的传播时间t4，计算超声波在模块1和模块2之间的平均传播时间
步骤3：由于超声波在水中传播的速度极快，可以认为在测量时间内，水流的速度和方向保持不变，根据上一步骤的超声波平均传播时间以及同一对超声波收发器之间的安装距离计算与船舶行驶方向平行(X轴)的水流速度和垂直于船舶行驶方向(Y轴)的水流速度，详细步骤如下：
步骤3.1：对于测量X轴方向的对水速度，由时间和安装距离L1计算出
步骤3.2：对于测量Y轴方向的水流速度，由时间和安装距离L2计算出
步骤4：计算出当前测量时间段内水流的速度和方向(见图3)，
步骤4.1：船舶对水速度
步骤4.2：船舶对水方向α∈(-π,π]
当Vy≥0时，
当Vy<0时，
并返回步骤2开始下一次测量。

Claims (1)

1.一种测量船舶在行驶过程中对水速度和方向的方法，其特征在于，包括：
步骤1：在船舶底部两对定向超声波收发器，使得两对超声波收发器安装位置呈垂直状态，并确定安装距离L1和L2；
步骤2：在船舶行驶过程中多次测量得到超声波在每组超声波收发器内的来回传播的平均时间
步骤3：计算平行于船舶行驶方向的水流速度和垂直于船舶行驶方向的水流速度，分别用Vx和Vy来表示；
步骤4：计算船舶对水速度以及水流与船舶行驶方向的夹角α。
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