CN109373983B - 一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船，通过多轴传感器、左距离传感器和右距离传感器检测推算得到海浪行波参数，包括海浪行波的时间周期、频率、方向、速度、有效浪高、船体与海浪方向的夹角，进而对无人船进行姿态自调整，使其一直与海浪保持正交从而有效防范船体发生侧翻，提高了船舶在海面运行的安全可靠性，提高移动式海浪发电船的发电效率，增强了船体在海面上行驶的稳定性。

Description

一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船

技术领域

本发明涉及海洋工程与自动化领域，特别涉及一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船。

背景技术

传统能源日趋枯竭、环境污染问题恶化，新能源开发迫在眉睫。随着科技的不断进步与发展，诸如太阳能、风能以及波浪能发电等可再生清洁能源备受各界关注。其中波浪能的波能能量密度高、不受天气影响等优势，使得波浪能发电备受各国研发人员的广泛关注。由于海洋是动态变化的，移动式海浪发电船需要时刻辨识海浪方向等海浪行波参数以调整船身姿态达到最大发电效率。现有的移动式海浪发电船技术中，主要通过发电效率的高低来判断船体与海浪的夹角，从而控制船体转动与海浪正交；然而该方法响应迟钝、延迟大且准确性低。因此一种能实时检测海浪的方向、高度、波宽、频率以及速度等海浪行波参数的方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种准确度高、响应速度快的检测海浪行波参数的方法。

本发明的另一目的在于提供一种姿态自调整的无人船，是根据上述检测得到的海浪行波参数进行姿态自调整。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

在海浪的干扰下，船舱围绕某一平衡位置做周期性的往复运动称为船舶摇荡。船舶的摇荡可分别描述为横摇、纵摇、首摇的角运动和垂荡、横荡、纵荡的线运动。横摇、纵摇、首摇运动分别是指绕船舶纵轴的往复摇动、绕船舶横轴的往复摇动、绕船舶垂直轴的往复摇动。垂荡、横荡、纵荡运动分别是指沿船舶垂直轴的上下往复运动、沿船舶横轴的左右往复运动、沿船舶纵轴的前后往复运动。其中，横摇、纵遥和垂荡对船舶航行的影响最大。本发明涉及的一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船主要依靠对这三者的分析实现船体姿态的控制。

一种检测海浪行波参数的方法，包括下述步骤：

(1)在船体2的左侧最上沿外壁安装有左距离传感器4，在船体2的右侧最上沿外壁安装有右距离传感器5，左距离传感器4和右距离传感器5以一定的频率实时监测海浪的高度变化；

(2)在船体2的中部安装有多轴传感器3，多轴传感器3以一定的频率实时监测船的加速度变化、速度变化和磁场变化，所述加速度和速度包括船在x轴、y轴和z轴方向上的线加速度、线速度和角加速度、角速度；其中，规定x轴位于水平方向上且垂直于无人船轴心线1，指向船体2右侧方向为正；y轴位于水平方向上且平行于无人船轴心线1，指向船体2船头方向为正；z轴垂直于水平面，重力加速度方向为正，x轴、y轴和z轴构成空间直角坐标系；多轴传感器的轴向定义如下：根据右手定则定义，大拇指为轴向的方向，四指弯曲的方向为角度旋转的方向；

(3)多轴传感器3、左距离传感器4和右距离传感器5将采集到的信号传送到信号采集系统6进行处理，经过滤波后滤去高次波和低次波只保留基波，得到连续且规律变化的曲线；

(4)根据同一个波峰到达左距离传感器4和右距离传感器5的时间差、幅值变化，船体2在波浪作用下x轴、y轴、z轴方向上的角速度变化以及运动过程中船体2周围的磁场变化，推算得到海浪行波参数，包括海浪行波的时间周期、频率、方向、速度、有效浪高、船体与海浪方向的夹角。

步骤4中，所述推算得到海浪行波参数的过程如下：

(1)左距离传感器4和右距离传感器5分别测得船体2的左侧和右侧最上沿外壁距海面的高度变化，经过滤波后得到两条随时间变化分布的周期、幅值一致但相位不同的正弦曲线L₁和L₂，曲线L₁表示左距离传感器4测得的曲线，曲线L₂表示右距离传感器5测得的曲线，其中横坐标为时间，纵坐标为距离；任取同一波峰作用下的曲线L₁或L₂分析，该曲线的幅值就是海浪行波的有效浪高A1，该曲线的周期就是海浪行波的时间周期T1，时间周期的倒数就是海浪行波的频率f1；取同一波峰作用下的正弦(滤波后都是正弦，且为频率、周期一致存在相位延迟的正弦曲线)曲线L₁和L₂进行分析：设左距离传感器4和右距离传感器5之间的直线距离为D，船体与海浪方向之间的夹角为α1(α1大于0且小于π，π表示弧度制是几何意义上的180°)，海浪行波速度大小为v1，曲线L₁和L₂之间相邻最大峰值的时间差为Δt，则曲线L₁和L₂之间的相位差

为：

当船体2在控制系统9的作用下调整自身姿态时，Δt和

在时刻发生变化；从时刻t₁开始，到相位差

的时刻t_n，满足下面公式：

……

|Δt_n|＝0 (4)

根据递推算法可以推算出速度大小v1；在同一个波峰中，若曲线L₁和L₂之间的相位差

说明海浪正对着船头方向或者船尾方向；若曲线L₁和L₂之间的相位差

说明海浪来自于船的左侧；若曲线L₁和L₂之间的相位差

说明海浪来自于船的右侧；

(2)多轴传感器3测得船的加速度变化、速度变化和磁场变化，经过滤波后得到多条周期曲线，选取3条周期曲线L₃、L₄和L₅，其中曲线L₃表示船在x轴方向上的角速度，曲线L₄表示船在y轴方向上的角速度，曲线L₅表示船在z轴方向上的角加速度；当船静止时，x轴和y轴上的加速度为0，z轴上的加速度为重力加速度；取曲线L₅进行分析，该曲线的周期就是海浪行波的时间周期T2，周期的倒数就是海浪行波的频率f2，对该曲线在一个周期内进行二重积分得到海浪行波的有效浪高A2；取同一波峰作用下的曲线L₃和L₄进行分析：其L₃和L₄的矢量和为海浪作用在船体2上的速度和，船体与海浪方向之间的夹角为α2(α2大于0且小于π)，海浪行波速度大小为v2，当船体2在控制系统9的作用下调整自身姿态时转过的夹角θ(θ大于0且小于π)可由多轴传感器3中的磁力计测出；设在t₁时刻船体2的v_x和v_y为v_x1和v_y1，船体与海浪方向之间的夹角为α2，在t₂时刻船体2的v_x和v_y为v_x2和v_y2，船体与海浪方向之间的夹角为(α2+θ)；从时刻t₁开始，到t₂时刻，满足下面公式：

v_y1·cosα2+v_x1·sinα2＝v_y2·cos(α2+θ)+v_x2·sin(α2+θ) (5)

v_y1·cosα2+v_x1·sinα2＝v (6)

根据公式(5)和(6)可以计算出任意时刻船体与海浪方向之间的夹角α2和海浪行波速度大小v2；在同一个波峰中，若曲线L₃始终为0且曲线L₄的初始变化值是正数，说明海浪正对着船头方向与船正交；若曲线L₃的初始变化值是正数，说明海浪来自于船的左侧；若曲线L₃的初始变化值是负数，说明海浪来自于船的右侧；

(3)比较左距离传感器4和右距离传感器5所测得的海浪方向与多轴传感器3所测得的海浪方向是否一致，如若不一致需重新测量；若一致，则得到海浪行波参数：海浪行波的时间周期为T1，海浪行波的频率为f1，海浪行波的方向为左距离传感器4和右距离传感器5所测得的海浪方向(即多轴传感器3所测得的海浪方向)，海浪行波的速度大小为v1，有效浪高A1，船体与海浪方向之间的夹角为α2。

一种姿态自调整的无人船，可以实时检测海浪行波的时间周期、频率、方向、速度、有效浪高、船体与海浪方向的夹角等参数，并根据检测到的海浪行波参数来自动调节自身姿态，使其面向波浪能能量最大的方向，该无人船的结构包括：船体2、多轴传感器3、左距离传感器4、右距离传感器5、信息采集系统6、导航通讯系统7、电源系统8、控制系统9、左电机10、右电机11、左水轮12和右水轮13；左距离传感器4、右距离传感器5分别安装在船体2的左侧最上沿外壁和右侧最上沿外壁；多轴传感器3安装在船体2的中部；船体2在导航通讯系统7的作用下，通过遥控或自动导航的方式到达目的地，完成作业的同时也开始海浪行波参数的检测和船体姿态自调整；其中，电源系统8负责给船体2的所有设备供电以维持其正常工作状态，控制系统9通过控制左电机10和右电机11的转速来控制无人船在海面上的行驶以及船体姿态的自调整；其中左电机10和右电机11分别控制左水轮12和右水轮13的转速；当控制系统9判断船体2需要左转时，左电机10控制左水轮12反转，右电机11控制右水轮13正转从而使船体2向左转；当控制系统9判断船体2需要右转时，左电机10控制左水轮12正转，右电机11控制右水轮13反转从而使船体2向右转；当控制系统9判断船体2需要停止时，左电机10与右电机11停止供电从而使船体2停止运动。

无人船的姿态自调整过程，包括下述步骤：

(1)根据检测得到的海浪行波参数，得到海浪行波的时间周期为T1，海浪行波的频率为f1，海浪行波的方向为左距离传感器4和右距离传感器5所测得的海浪方向(即多轴传感器3所测得的海浪方向)，海浪行波的速度大小为v1，有效浪高A1，船体与海浪方向之间的夹角为α2；信息采集系统6将经过处理的参数数据传送到控制系统9，控制系统9根据数据调整船体2的姿态；

(2)若海浪正对着船头方向或者船尾方向，此时船体2不需要进行调整；若海浪在船的左侧，控制系统9发出船需要向左转的指令，控制电机和水轮相应运动使船体2向左转(π-α2)角度，直至海浪行波方向与船体方向的夹角为180°；若海浪在船的右侧，控制系统9发出船需要向右转的指令，控制电机和水轮相应运动使船体2向右转(π-α2)角度，直至海浪行波方向与船体方向的夹角为180°。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明设计的检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船，可以实时监控海浪的方向、高度、波宽、频率以及速度等参数，并且设计的无人船能根据检测到的海浪行波参数自动调节自身姿态，使其一直与海浪保持正交从而有效防范船体发生侧翻，提高了船舶在海面运行的安全可靠性，减少了发生海难事件的可能性。

(2)本发明利用传感器不断收集海浪行波的各类参数导入有效模型中，在一定误差范围内能够准确求解出海浪行波参数。

(3)本发明能够实时自动的控制船自身的姿态，根据控制指令自动调节船头对准海浪方向，可提高移动式海浪发电船的发电效率。

(4)本发明增强了船体在海面上行驶的稳定性，有效避免了因船体侧翻造成的船舶交通事故。

附图说明

图1为无人船的结构示意图。

其中，1、无人船轴心线；2、船体；3、多轴传感器；4、左距离传感器；5、右距离传感器；6、信息采集系统；7、导航通讯系统；8、电源系统；9、控制系统；10、左电机；11、右电机；12、左水轮；13、右水轮。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船，如图1所示。无人船漂浮在海面上，通过导航通讯系统7的遥控控制或者自动导航模式，控制系统9控制左电机10和右电机11的转速带动左水轮12和右水轮13相应转动，无人船行驶到目的地开始作业。船体2跟随海浪波动随机倾斜，左距离传感器4和右距离传感器5分别测得船体2左侧和右侧最上沿外壁距海面的高度变化，多轴传感器3测得船的加速度变化和磁场变化，将采集到的信息传输到信号采集系统6中，信号采集系统6经过滤波和数据分析，推算出海浪行波的有效浪高A、海浪行波的时间周期T、海浪行波的频率f、海浪行波的速度大小v以及船体与海浪方向之间的夹角α(α大于0且小于π)。信号采集系统6将求解出的海浪行波参数传送到控制系统9，控制系统9判断船体2是否需要向左转或向右转。

滤波后，在同一个波峰中，若左距离传感器4和右距离传感器5测量得出的曲线之间的相位差

或者多轴传感器3测出的x轴方向上的角速度曲线的初始变化值是正数，说明海浪来自于船的左侧，控制系统9发出船体2向左转的命令，左电机10控制左水轮12反转，右电机11控制右水轮13正转从而使船体2向左转(π-α)角度；若左距离传感器4和右距离传感器5测量得出的曲线之间的相位差

或者多轴传感器3测出的x轴方向上的角速度曲线的初始变化值是负数，说明海浪来自于船的右侧，控制系统9发出船体2向右转的命令，左电机10控制左水轮12正转，右电机11控制右水轮13反转从而使船体2向右转(π-α)角度。

其中左距离传感器4、右距离传感器5和多轴传感器3以一定的频率检测海浪行波的各种参数，这些信息被实时的传送到信号采集系统6进行处理后传输到控制系统9中进行船体2的姿态调整，控制系统9采用负反馈调节方式，不断控制的控制左电机10和右电机11的转速，直至船头正对着海浪方向与海浪正交。

实施例2

一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船，如图1所示。无人船在深海养殖网箱投饲中使用时，需要使船头正对网箱中心。海浪在大型网箱边缘发生反射，一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船受到网箱反射海浪的作用，经过多轴传感器3、左距离传感器4、右距离传感器5和信息采集系统6推算出船体2相对于反射海浪方向的夹角α(α大于0且小于π)。控制系统9控制船体2发生转动，直至无人船船头正对网箱中心，之后保持船体相对网箱静止，开始投饲作业。

Claims (4)

1.一种检测海浪行波参数的方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)在船体的左侧最上沿外壁安装有左距离传感器，在船体的右侧最上沿外壁安装有右距离传感器，左距离传感器和右距离传感器实时监测海浪的高度变化；

(2)在船体的中部安装有多轴传感器，多轴传感器实时监测船的加速度变化、速度变化和磁场变化，所述加速度和速度包括船在x轴、y轴和z轴方向上的线加速度、线速度和角加速度、角速度；

(3)多轴传感器、左距离传感器和右距离传感器将采集到的信号传送到信号采集系统进行处理，经过滤波后滤去高次波和低次波只保留基波，得到连续且规律变化的曲线；

(4)根据同一个波峰到达左距离传感器和右距离传感器的时间差、幅值变化，船体在波浪作用下x轴、y轴、z轴方向上的角速度变化以及运动过程中船体周围的磁场变化，推算得到海浪行波参数，包括海浪行波的时间周期、频率、方向、速度、有效浪高、船体与海浪方向的夹角；

所述推算得到海浪行波参数的过程如下：

(a)左距离传感器和右距离传感器分别测得船体的左侧和右侧最上沿外壁距海面的高度变化，经过滤波后得到两条随时间变化分布的周期、幅值一致但相位不同的正弦曲线L₁和L₂，曲线L₁表示左距离传感器测得的曲线，曲线L₂表示右距离传感器测得的曲线，其中横坐标为时间，纵坐标为距离；任取同一波峰作用下的曲线L₁或L₂分析，该曲线的幅值就是海浪行波的有效浪高A1，该曲线的周期就是海浪行波的时间周期T1，时间周期的倒数就是海浪行波的频率f1；取同一波峰作用下的正弦曲线L₁和L₂进行分析：设左距离传感器和右距离传感器之间的直线距离为D，船体与海浪方向之间的夹角为α1，其中α1大于0且小于π，π表示弧度制是几何意义上的180°，海浪行波速度大小为v1，曲线L₁和L₂之间相邻最大峰值的时间差为Δt，则曲线L₁和L₂之间的相位差

为：

当船体在控制系统的作用下调整自身姿态时，Δt和

在时刻发生变化；从时刻t₁开始，到相位差

的时刻t_n，满足下面公式：

……

|Δt_n|＝0 (4)

根据递推算法可以推算出速度大小v1；在同一个波峰中，若曲线L₁和L₂之间的相位差

说明海浪正对着船头方向或者船尾方向；若曲线L₁和L₂之间的相位差

说明海浪来自于船的左侧；若曲线L₁和L₂之间的相位差

说明海浪来自于船的右侧；

(b)多轴传感器测得船的加速度变化、速度变化和磁场变化，经过滤波后得到多条周期曲线，选取3条周期曲线L₃、L₄和L₅，其中曲线L₃表示船在x轴方向上的角速度，曲线L₄表示船在y轴方向上的角速度，曲线L₅表示船在z轴方向上的角加速度；当船静止时，x轴和y轴上的加速度为0，z轴上的加速度为重力加速度；取曲线L₅进行分析，该曲线的周期就是海浪行波的时间周期T2，周期的倒数就是海浪行波的频率f2，对该曲线在一个周期内进行二重积分得到海浪行波的有效浪高A2；取同一波峰作用下的曲线L₃和L₄进行分析：其L₃和L₄的矢量和为海浪作用在船体上的速度和，船体与海浪方向之间的夹角为α2，其中α2大于0且小于π，海浪行波速度大小为v2，当船体在控制系统的作用下调整自身姿态时转过的夹角θ可由多轴传感器中的磁力计测出，其中θ大于0且小于π；设在t₁时刻船体的v_x和v_y为v_x1和v_y1，船体与海浪方向之间的夹角为α2，在t₂时刻船体的v_x和v_y为v_x2和v_y2，船体与海浪方向之间的夹角为α2+θ；从时刻t₁开始，到t₂时刻，满足下面公式：

v_y1·cosα2+v_x1·sinα2＝v_y2·cos(α2+θ)+v_x2·sin(α2+θ) (5)

v_y1·cosα2+v_x1·sinα2＝v (6)

根据公式(5)和(6)可以计算出任意时刻船体与海浪方向之间的夹角α2和海浪行波速度大小v2；在同一个波峰中，若曲线L₃始终为0且曲线L₄的初始变化值是正数，说明海浪正对着船头方向与船正交；若曲线L₃的初始变化值是正数，说明海浪来自于船的左侧；若曲线L₃的初始变化值是负数，说明海浪来自于船的右侧；

(c)比较左距离传感器和右距离传感器所测得的海浪方向与多轴传感器所测得的海浪方向是否一致，如若不一致需重新测量；若一致，则得到海浪行波参数：海浪行波的时间周期为T1，海浪行波的频率为f1，海浪行波的方向为左距离传感器和右距离传感器所测得的海浪方向，即多轴传感器所测得的海浪方向，海浪行波的速度大小为v1，有效浪高A1，船体与海浪方向之间的夹角为α2。

2.一种姿态自调整的无人船，其特征在于：采用权利要求1所述的方法来实时检测海浪行波的时间周期、频率、方向、速度、有效浪高、船体与海浪方向的夹角参数，并根据检测到的海浪行波参数来自动调节自身姿态，使其面向波浪能能量最大的方向。

3.根据权利要求2所述的姿态自调整的无人船，其特征在于：无人船的结构包括：船体、多轴传感器、左距离传感器、右距离传感器、信息采集系统、导航通讯系统、电源系统、控制系统、左电机、右电机、左水轮和右水轮；左距离传感器、右距离传感器分别安装在船体的左侧最上沿外壁和右侧最上沿外壁；多轴传感器安装在船体的中部；船体在导航通讯系统的作用下，通过遥控或自动导航的方式到达目的地，完成作业的同时也开始海浪行波参数的检测和船体姿态自调整；其中，电源系统负责给船体的所有设备供电以维持其正常工作状态，控制系统通过控制左电机和右电机的转速来控制无人船在海面上的行驶以及船体姿态的自调整；其中左电机和右电机分别控制左水轮和右水轮的转速；当控制系统判断船体需要左转时，左电机控制左水轮反转，右电机控制右水轮正转从而使船体向左转；当控制系统判断船体需要右转时，左电机控制左水轮正转，右电机控制右水轮反转从而使船体向右转；当控制系统判断船体需要停止时，左电机与右电机停止供电从而使船体停止运动。

4.根据权利要求2所述的姿态自调整的无人船，其特征在于：无人船的姿态自调整过程，包括下述步骤：

(1)根据检测得到的海浪行波参数，得到海浪行波的时间周期为T1，海浪行波的频率为f1，海浪行波的方向为左距离传感器和右距离传感器所测得的海浪方向，即多轴传感器所测得的海浪方向，海浪行波的速度大小为v1，有效浪高A1，船体与海浪方向之间的夹角为α2；信息采集系统将经过处理的参数数据传送到控制系统，控制系统根据数据调整船体的姿态；

(2)若海浪正对着船头方向或者船尾方向，此时船体不需要进行调整；若海浪在船的左侧，控制系统发出船需要向左转的指令，控制电机和水轮相应运动使船体向左转π-α2角度，直至海浪行波方向与船体方向的夹角为180°；若海浪在船的右侧，控制系统发出船需要向右转的指令，控制电机和水轮相应运动使船体向右转π-α2角度，直至海浪行波方向与船体方向的夹角为180°。

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