CN110793507B - 基于无人艇运动数据的海浪反演方法 - Google Patents

基于无人艇运动数据的海浪反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种基于无人艇运动数据的海浪反演方法，步骤一、提出MEMS传感器的受力模型；步骤二、利用无人艇搭载运动数据采集系统，获取其在海浪作用下运动姿态数据；步骤三、将步骤二中各项运动数据进行无人艇载体坐标系与大地导航载体坐标系间的数据转换，解算出上述运动数据在导航坐标系下的数值；步骤四、计算海浪的振幅、频率、相位参数并绘制海浪轨迹；步骤五、将步骤四中轨迹绘制后的计算数据与测量仪器的实际测量数据对比，得到最终的海浪参数。本发明测量准确、误差小、使用寿命长、成本低、易于维护，具有良好的应用前景。

Description

基于无人艇运动数据的海浪反演方法
技术领域
本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种基于无人艇运动数据的海浪反演方法。
背景技术
海浪是一种海气界面间规则或不规则的起伏波动，它是物理海洋学研究的一个重要方面，同样也是船舶安全航行、海洋工程设施建设、防灾减灾等方面必须考量的海洋环境要素之一，因此对海浪的观测具有非常重要的实际应用价值和学术研究价值。海浪的特征主要包括传播方向、振幅、周期、频率、波长等，这些参数的有效组合也是描述海浪现象的重要方法。按照生成的条件可将海浪分为两类，风浪和涌浪。风浪是指表层海面受到海风吹拂而引起的波动，波长一般在几米到几百米；涌浪是指风暴或台风产生后引起的海面起伏传播到很远的距离产生的波动。
海浪观测的方法主要有两类。一类是利用流体动力学研究理想的规则波动，这种方法适用于一些简单波动的研究，但是对自然界中复杂随机海浪的研究效果较差；另一类是将海浪视为由许多振幅、频率、方向、相位不同的正弦波的叠加，然后利用随机过程来描述海浪并通过各种传感器得到海浪谱，进而分析海浪性质，这种方法获取的结果较第一类方法准确，但是在谱变换的过程中仍存在误差且获取海浪谱的传感器通常比较昂贵且容易损坏。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种基于无人艇运动数据的海浪反演方法。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于无人艇运动数据的海浪反演方法，其特征在于：步骤一、提出MEMS传感器的受力模型；
步骤二、利用无人艇搭载运动数据采集系统，获取其在海浪作用下运动姿态数据；
步骤三、将步骤二中各项运动数据进行无人艇载体坐标系与大地导航载体坐标系间的数据转换，解算出上述运动数据在导航坐标系下的数值；
步骤四、计算海浪的振幅、频率、相位参数并绘制海浪轨迹；
步骤五、将步骤四中轨迹绘制后的计算数据与测量仪器的实际测量数据对比，得到最终的海浪参数。
所述步骤一包括：MEMS传感器的受力模型是指MEMS传感器以无人艇为搭载平台，在海浪作用下运动时的受力模型，包括：
Figure GDA0003300850460000021
其中，Fx、Fy、Fz分别是MEMS传感器在不同方向上的分力，M是MEMS传感器的质量，α是MEMS传感器所在位置处的海浪倾角，φ是MEMS传感器所在切平面的转角。
所述无人艇搭载的运动数据采集系统包括三维MEMS传感器与GPS系统，无人艇平台在海浪作用下的运动状态可近似为海浪质点的运动情况，利用MEMS传感器获取海浪质点的铅直方向运动数据，包括法向加速度、垂直位移、倾斜角度，GPS系统获取海浪质点水平方向的运动数据，包括切向加速度和水平位移。
所述步骤三中，设无人艇载体坐标系下海浪质点的坐标为[x,y,z]，x轴、y轴、z轴相对于大地导航坐标系的欧拉转角为[δ,θ,ψ]，因此无人艇载体坐标系与大地导航坐标系间的转换方法包括：
Figure GDA0003300850460000022
同理，速度、加速度、位移等数据也通过上述方法转换：
Figure GDA0003300850460000023
Figure GDA0003300850460000024
Figure GDA0003300850460000025
Figure GDA0003300850460000031
本发明的有益效果是:本发明利用水面无人艇搭载三维MEMS传感器并作为运动质点，提出MEMS传感器的受力模型，即在海浪作用下无人艇与传感器在运动过程中受各外力的作用情况；无人艇仅在海浪作用下的运动状态可近似为海浪质点的运动规律，利用无人艇搭载的MEMS传感器获取海浪质点的铅直方向运动数据，包括法向加速度、垂直位移、倾斜角度等，GPS系统获取海浪质点水平方向的运动数据，如切向加速度、水平位移等；将上述各项运动数据进行无人艇载体坐标系与大地导航载体坐标系间的数据转换，解算出上述运动数据在导航坐标系下的数值；通过海浪质点的动态数据计算海浪的振幅、频率、相位等参数并绘制海浪轨迹；将轨迹绘制后的计算数据与测量仪器的实际测量数据对比，得到最终的海浪参数。本发明测量准确、误差小、使用寿命长、成本低、易于维护，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于无人艇运动数据的海浪反演方法流程图；
图2a为本发明MEMS传感器及无人艇受海浪作用在法平面的受力模型图；
图2b为本发明MEMS传感器及无人艇受海浪作用在切平面的受力模型图；
图3为本发明无人艇平台运动数据采集系统构成图；
图4a为本发明无人艇载体坐标系与大地导航坐标系x轴的关系转换图；
图4b为本发明无人艇载体坐标系与大地导航坐标系y轴的关系转换图；
图4c为本发明无人艇载体坐标系与大地导航坐标系z轴的关系转换图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。一种基于无人艇运动数据的海浪反演方法，图1为本发明基于无人艇运动数据的海浪反演方法流程图，如图1所示，本实施例的方法可以包括：
步骤一、提出MEMS传感器的受力模型；
步骤二、利用无人艇搭载运动数据采集系统，获取其在海浪作用下运动姿态数据；
步骤三、将步骤二中各项运动数据进行无人艇载体坐标系与大地导航载体坐标系间的数据转换，解算出上述运动数据在导航坐标系下的数值；
步骤四、计算海浪的振幅、频率、相位等参数并绘制海浪轨迹；
步骤五、将步骤四中轨迹绘制后的计算数据与测量仪器的实际测量数据对比，得到最终的海浪参数。
图2为本发明MEMS传感器在海浪作用下的受力模型示意图，具体过程为：
在海浪作用下，MEMS传感器可视为刚体质点运动，受到的力包括自身重力与海浪的作用力。将各作用力在法平面(图2a)、切平面(图2b)上分解并进行受力分析后可得下式：
Figure GDA0003300850460000041
其中，Fx、Fy、Fz分别是MEMS传感器在不同方向上的分力，M是MEMS传感器的质量，α是MEMS传感器所在位置处的海浪倾角，φ是MEMS传感器所在切平面的转角。根据三角函数定理可解算得到：
Figure GDA0003300850460000042
Figure GDA0003300850460000043
Figure GDA0003300850460000044
进一步地，得到MEMS传感器的受力模型后，搭建以无人艇为平台的运动数据采集系统对所需数据进行采集，如图3所示。具体过程为：
无人艇平台在海浪作用下的运动状态可近似为海浪质点的运动情况，利用MEMS传感器获取海浪质点的铅直方向运动数据，包括法向加速度、垂直位移、倾斜角度等，GPS系统获取海浪质点水平方向的运动数据，如切向加速度、水平位移等。
图4为本发明无人艇载体坐标系与大地导航坐标系的关系转换图，具体过程为：设无人艇载体坐标系下海浪质点的坐标为[x,y,z]，x轴、y轴、z轴相对于大地导航坐标系的欧拉转角为[δ,θ,ψ]。因此无人艇载体坐标系与大地导航坐标系间的转换方法包括：
Figure GDA0003300850460000051
同理，速度、加速度、位移等数据也通过上述方法转换：
Figure GDA0003300850460000052
Figure GDA0003300850460000053
Figure GDA0003300850460000054
进一步地，通过绘制无人艇运动平台的运动轨迹曲线近似得到海浪的波动曲线并计算振幅、频率、相N位等参数，最终得到海浪的方向谱。具体方法包括：
Figure GDA0003300850460000055
Figure GDA0003300850460000056
Figure GDA0003300850460000057
其中，分别为海浪质点t时刻在不同方向的位移，An、fn、φn分别为为海浪的振幅、频率和相位。
进一步地，将上述轨迹绘制后的计算数据与测量仪器的实际测量数据对比，得到最终的海浪参数。实现了基于无人艇运动数据的海浪反演方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于无人艇运动数据的海浪反演方法，其特征在于：步骤一、提出MEMS传感器的受力模型；
步骤二、利用无人艇搭载运动数据采集系统，获取其在海浪作用下运动姿态数据；
步骤三、将步骤二中各项运动数据进行无人艇载体坐标系与大地导航载体坐标系间的数据转换，解算出上述运动数据在导航坐标系下的数值；
步骤四、计算海浪的振幅、频率、相位参数并绘制海浪轨迹；
步骤五、将步骤四中轨迹绘制后的计算数据与测量仪器的实际测量数据对比，得到最终的海浪参数。
2.根据权利要求1所述的基于无人艇运动数据的海浪反演方法，其特征在于：所述步骤一包括：MEMS传感器的受力模型是指MEMS传感器以无人艇为搭载
Figure FDA0003300850450000011
其中，Fx、Fy、Fz分别是MEMS传感器在不同方向上的分力，M是MEMS传感器的质量，α是MEMS传感器所在位置处的海浪倾角，φ是MEMS传感器所在切平面的转角。
3.根据权利要求1所述的基于无人艇运动数据的海浪反演方法，其特征在于：所述无人艇搭载的运动数据采集系统包括三维MEMS传感器与GPS系统，无人艇平台在海浪作用下的运动状态可近似为海浪质点的运动情况，利用MEMS传感器获取海浪质点的铅直方向运动数据，包括法向加速度、垂直位移、倾斜角度，GPS系统获取海浪质点水平方向的运动数据，包括切向加速度和水平位移。
4.根据权利要求3所述的基于无人艇运动数据的海浪反演方法，其特征在于：所述步骤三中，设无人艇载体坐标系下海浪质点的坐标为[x,y,z]，x轴、y轴、z轴相对于大地导航坐标系的欧拉转角为[δ,θ,ψ]，因此无人艇载体坐标系与大地导航坐标系间的转换方法包括：
Figure FDA0003300850450000012
同理，速度、加速度、位移等数据也通过上述方法转换：
Figure FDA0003300850450000021
Figure FDA0003300850450000022
Figure FDA0003300850450000023
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