CN111141251B - 一种舰船形变测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种舰船形变测量系统及方法，该系统包括：角运动敏感单元，用于通过三轴陀螺仪敏感载体角运动，获取敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息；信息处理单元，用于解算敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息，通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量。通过该方案解决了现有形变测量准确性低、适用范围有限的问题，可以有效提高舰船形变测量精度，简单易实现，方便多种条件下使用。

Description

一种舰船形变测量系统及方法

技术领域

本发明涉及惯性测量技术领域，尤其涉及一种舰船形变测量系统及方法。

背景技术

舰船作为现代战争中重要的军事打击平台，在维护国家领海权益、保护国土安全、驱逐敌对目标等方面具有重大作用及深远意义。由于舰船非理想刚体，在海洋航行过程中，水面舰船会受到海浪波动、发送机振动等因素影响发生形变，使得安装在船体各位置的装备不能直接利用舰船主惯导提供的姿态信息，不便于各装备使用。

为测量舰船各装备区域的形变姿态，目前有基于应变传感器的形变测量和基于视觉测量等方法，基于应变传感器的测量方法主要通过在船体上安装尽可能多的应变传感器，结合Ko位移理论、模态分析等得到待测点的位移变化，再根据位移和角度关系获取形变角，该方法以应变传感器为敏感核心，通常以凝胶方式附着于船体，由于凝胶随环境温度变化而发生热胀冷缩容易是应变传感器内部应力发生改变，影响测量精度，同时测量精度受空间安装密度影响，设计大量传感器的测量方式计算复杂度过高。基于视觉测量的形变测量方法，通过在舰船待测区域设置多个合作成像目标或非合作成像目标，依据成像面图像和成像目标间的物理关系，得到各成像目标间的相对位姿变化，再根据相对位姿变化和形变间的规律确定形变角，可以得到较高的测量精度，但由于待测区域必须位于相机的可用视场和有效景深范围，这对相机的安装及舰船尺寸由较多要求和限制，仅适用于小视场范围内的局部高精度形变测量。

有鉴于此，有必要提出一种测量精度高、可广泛适用于各舰船的形变测量系统及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种舰船形变测量系统及方法，以解决现有形变测量方法测量精度低、适用条件苛刻的问题。

在本发明实施例的第一方面，提供了一种舰船形变测量系统，包括：

角运动敏感单元，用于通过三轴陀螺仪敏感载体角运动，获取敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息；

信息处理单元，用于解算敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息，通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量。

在一个实施例中，至少通过两组三轴陀螺仪敏感载体角运动信息。

在一个实施例中，所述三轴陀螺仪为激光陀螺仪或光纤陀螺仪中的一种。

在一个实施例中，所述信息处理单元包括电源模块、数据处理模块及数据发送模块，其中，所述数据发送模块用于与外部设备进行数据通信，将舰船形变角估计量发送至对应外部设备。

在一个实施例中，建立陀螺仪漂移、形变角的状态模型，并构造姿态转移矩阵、三轴形变角、形变角增量和陀螺仪漂移的观测方程。

在本发明实施例的第二方面，提供了一种舰船形变测量方法，包括：

通过三轴陀螺仪采集敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息；

解算所述姿态信息和角增量信息，并通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量。

本发明实施例中，通过三轴陀螺仪敏感载体角运动，获取敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息,解算敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息，通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量，在无复杂的测量要求下可以准确得到舰船形变角，从而解决现有形变测量方法测量精度低、适用范围有限的问题，同时，仅利用两组三轴陀螺仪完成形变测量，无需进行复杂的传感器安装过程，也无需保证各陀螺仪之间的可视性，简单易实现，能适用于不同条件下的测量，而且实时性好，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他附图。

图1为本发明的一个实施例提供的舰船形变测量系统的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的舰船形变测量系统的另一流程示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的舰船形变测量方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明的说明书或权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他相近意思表述，意指覆盖不排他的包含，如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、设备没有限定于已列出的步骤或单元。

请参阅图1，图1为本发明一个实施例提供的舰船形变测量系统的结构示意图，包括：

角运动敏感单元110，用于通过三轴陀螺仪敏感载体角运动，获取敏感载体相对惯性空间的姿态信息获取和角增量信息；

所述三轴陀螺仪可以同时进行六个方向的位置测量，其最大作用是可以敏感载体的角速度，判断物体运动状态。所述载体一般为舰船上待测区域或装备，将三轴陀螺仪安装于载体上，获取载体相对于惯性空间的姿态信息及角增量信息。

其中，至少通过两组三轴陀螺仪敏感载体角运动信息。两组三轴陀螺仪安装于被测位置，直接敏感载体角运动信息，通过初始时刻确立、时间同步及姿态更新能够获取姿态信息和角增量信息。

优选的，所述三轴陀螺仪为激光陀螺仪或光纤陀螺仪中的一种。

信息处理单元120，用于解算敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息，通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量。

对三轴陀螺仪采集的姿态信息和角增量信息进行解算，确定状态变量，建立状态方程及量测方程，通过卡尔曼滤波算法计算舰船被测位置的形变角估计量。

具体的，所述信息处理单元包括电源模块、数据处理模块及数据发送模块，其中，所述数据发送模块用于与外部设备进行数据通信，将舰船形变角估计量发送至对应外部设备。所述电源模块用于为信息处理单元提供电力供应，所述数据处理模块用于对接收的陀螺仪数据进行处理，得到形变角估计量。一般所述信息处理单元中可以包括处理器、存储器等，处理器用于对三轴陀螺仪采集的数据进行处理。所述数据发送模块中包括有线或无线通信模块，用于将计算得到的形变角估计量发送至外部设备，如显示设备、传真机等。

优选的，建立陀螺仪漂移、形变角的状态模型，并构造姿态转移矩阵、三轴形变角、形变角增量和陀螺仪漂移的观测方程。基于状态方程和观测方程，通过卡尔曼滤波可以计算得到形变角的估计量。

在一个实施例中，如图2所示，将角增量信息经姿态更新后，将姿态转移矩阵及角增量信息输入卡尔曼滤波器，在滤波器中建立所述状态方程2010和量测方程2020，其中，状态方程2010包括陀螺仪漂移模型、形变角模型及欧拉角误差模型，量测方程2020包括角增量、姿态矩阵的观测方程。卡尔曼滤波计算得到形变角的估计量。

在另一个实施例中示出了形变角估计量的具体计算过程：

S1、首先确定状态变量，将舰船形变测量用系统状态变量表示，包括21维物理量：

其中，

表示三轴静态形变角，

表示三轴动态形变角，

表示三轴动态形变角增量，θ_i＝[θ_ix θ_iyθ_iz]^T表示

对应的欧拉角误差，θ′_i＝[θ′_ix θ′_iy θ′_iz]^T表示

对应的欧拉角误差，ε₁＝[ε_1xε_1y ε_1z]^T表示Gyros1组件对应的的三轴陀螺漂移，ε₂＝[ε_2x ε_2y ε_2z]^T表示Gyros2组件对应的三轴陀螺漂移。

S2、然后建立状态方程，所述状态方程包括陀螺仪漂移模型、静态形变模型、动态形变模型和欧拉角误差模型。

陀螺漂移模型：

ε₁，ε₂表示Gyros1和Gyros2组件的陀螺漂移，其变化常用随机游走模型描述，即：

其中，w₁，w₂为模型过程噪声。

三轴静态形变角模型：

静态形变角

在短时间内为常值量，其变化规律可看做一种随机游走过程，则：

其中，w₃为模型过程噪声。

三轴动态形变角模型：

船体三轴动态形变角在表现形式上类似于一种噪声驱动的随机过程，其规律常用二阶马尔科夫过程描述，其对应的滤波用状态方程为：

其中，i＝x,y,z，u_i、b_i、D_i为动态形变系数，w₄为均值为0、方差为1的高斯白噪声。

欧拉角误差模型：

根据文献给出的姿态误差模型间接形式来描述θ_i和θ′_i的变化规律。随着姿态更新的进行，计算姿态转移矩阵

会逐渐偏离真正的

这一过程可被视为是

系偏离了b₁系，也可被视为是计算惯性坐标系

逐渐偏离了真实的惯性坐标系i₁。假设θ_ε为

对应的欧拉角，θ′_ε为

对应的欧拉角，再根据θ_i和θ′_i的定义，可推导得到θ_i和θ′_i的状态模型，即：

其中，w₅表示Gyros1组件对应的三轴陀螺测量噪声，w₆表示Gyros2组件对应的三轴陀螺测量噪声。

S3、建立量测方程

(1)基于角增量匹配的量测方程

在惯性空间中，两陀螺组件敏感的角增量存在如下解析关系：

其中，

为形变角增量

为Gyros1组件敏感的角增量输入，

为Gyros2组件敏感的角增量输入。式X为理想情况，而实际的系统必然存在陀螺漂移，则有：

为Gyros1和Gyros2组件陀螺直接输出的角增量。考虑到

由动态形变角

和静态形变角

导致，在小角度情况下，有：

将公式(8)和公式(9)带入公式(7)，则：

进一步变换公式(10)，并忽略二阶小量，有：

上式即为基于角增量匹配的形变测量方法量测方程。

(2)基于姿态矩阵匹配的量测方程

在某时刻，各坐标系之间的姿态转移矩阵具有如下关系：

考虑到姿态更新误差，上式可进一步形变为：

其中，

描述计算坐标系与真实坐标系之间的相对姿态关系，且当姿态误差角较小时，有：

其中，[θ_ε×],[θ′_ε×]表示θ_ε,θ′_ε的反对称矩阵。同时将式X形变为：

其中，总形变角

因为

取决于初始时刻b₁,b₂之间的形变关系，即

仅与静态形变角

相关，有：

其中，

表示

的反对称矩阵。将公式(14)、公式(15)及公式(16)带入公式(13)，有：

忽略二阶小量，公式(17)近似改写为

公式(18)左右两侧3阶方阵的各分量对应相等，因此取矩阵的第一行第二列元素、第三行第一列元素以及第三行第二列元素作为构造两侧方程的核心参量，同时假设矩阵

具有如下关系：

则：

进一步，令：

则公式(20)可写为：

公式(22)为基于姿态矩阵匹配的形变测量方法量测方程，其中，矩阵Z₂,A由陀螺直接输出的角增量解算而得。考虑到推导过程中的二阶小量近似，则最终的量测方程为：

式中，w₇表示量测噪声。

S4、整合量测方程

由于

则式(23)变换为：

整合式(24)和式(11)，得到基于角增量和姿态矩阵联合匹配的舰船形变测量用量测方程：

Z＝HX+w_sum (25)

其中，X表示21维系统状态变量，Z＝[Z₁ Z₂]^T，w_sum＝[w₅-w₆ w₇]^T，同时：

根据以上状态模型及量测方程，依据卡尔曼滤波能够得到形变角估计量，即舰船形变角的估计。

由以上实施例中，本发明提供的方案适用条件宽：静态、动态条件下可用，且安装方便；使用方便简洁：具有数字读数、存储打印、USB交换输出功能；测量效率高：可实时输出形变信息。相比于现有技术，本发明还具有以下优点：

采用陀螺仪敏感角运动信息，实时性好。采用两组三轴陀螺仪作为测量舰船形变信息的核心，在测量过程中，陀螺仪能够以超过200Hz的频率实时输出数据，远超以往传统形变测量方法的数据输出频率，能够实时反映载体的形变信息。

采用角增量和姿态矩阵联合匹配，收敛精度高，收敛速度快。将角增量信息和姿态矩阵信息联合作为舰船形变角的观测信息，具有收敛精度且收敛速度快的特点。传统基于角增量信息的舰船形变角测量方式具有误差收敛速度快但收敛精度低的特点，传统基于姿态矩阵信息的舰船形变角测量方式具有误差收敛慢但收敛精度高的特点，两种方式实现优缺互补，有利于提高对舰船形变信息的测量性能。

利用陀螺仪完成形变测量，工程实现度强。仅利用两组三轴陀螺仪完成形变测量，无需进行复杂的传感器安装过程，也无需保证各陀螺仪之间的可视性，有利于工程实现。

图3为本发明实施例提供的一种舰船形变测量方法的流程示意图，包括：

S301、通过三轴陀螺仪采集敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息；

可选的，所述通过三轴陀螺仪敏感载体角运动具体为：至少通过两组三轴陀螺仪敏感载体角运动信息。

优选的，所述三轴陀螺仪为激光陀螺仪或光纤陀螺仪中的一种。

S302、解算所述姿态信息和角增量信息，并通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量。

具体的，所述信息处理单元包括电源模块、数据处理模块及数据发送模块，其中，

所述数据发送模块用于与外部设备进行数据通信，将舰船形变角估计量发送至对应外部设备。

优选的，所述解算敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息，通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量包括：

建立陀螺仪漂移、形变角的状态模型，并构造姿态转移矩阵、三轴形变角、形变角增量和陀螺仪漂移的观测方程。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，实现对应数据处理功能，所述的存储介质包括如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种舰船形变测量系统，其特征在于，包括：

角运动敏感单元，用于通过三轴陀螺仪敏感载体角运动，获取敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息；

信息处理单元，用于解算敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息，通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量；

所述信息处理单元包括电源模块、数据处理模块及数据发送模块，其中，所述数据发送模块用于与外部设备进行数据通信，将舰船形变角估计量发送至对应外部设备；

其中，所述舰船形变角估计量的具体计算过程包括：

S1、首先确定状态变量，将舰船形变测量用系统状态变量表示，包括21维物理量；

S2、然后建立状态方程，所述状态方程包括陀螺仪漂移模型、静态形变模型、动态形变模型和欧拉角误差模型；

S3、建立基于角增量匹配的量测方程和基于姿态矩阵匹配的量测方程；

S4、整合量测方程，根据状态模型及量测方程，依据卡尔曼滤波得到形变角估计量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述通过三轴陀螺仪敏感载体角运动具体为：

至少通过两组三轴陀螺仪敏感载体角运动信息。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三轴陀螺仪为激光陀螺仪或光纤陀螺仪中的一种。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述解算敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息，通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量包括：

建立陀螺仪漂移、形变角的状态模型，并构造姿态转移矩阵、三轴形变角、形变角增量和陀螺仪漂移的观测方程。

5.一种舰船形变测量方法，其特征在于，包括：

通过三轴陀螺仪采集敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息；

解算所述姿态信息和角增量信息，并通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量；

与外部设备进行数据通信，将所述舰船形变角估计量发送至对应外部设备；

其中，所述舰船形变角估计量的具体计算过程包括：

S1、首先确定状态变量，将舰船形变测量用系统状态变量表示，包括21维物理量；

S2、然后建立状态方程，所述状态方程包括陀螺仪漂移模型、静态形变模型、动态形变模型和欧拉角误差模型；

S3、建立基于角增量匹配的量测方程和基于姿态矩阵匹配的量测方程；

S4、整合量测方程，根据状态模型及量测方程，依据卡尔曼滤波得到形变角估计量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过三轴陀螺仪采集敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息具体为：

至少通过两组三轴陀螺仪获取敏感载体相对惯性空间的姿态信息和角增量信息。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述三轴陀螺仪为激光陀螺仪或光纤陀螺仪中的一种。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述解算所述姿态信息和角增量信息，并通过卡尔曼滤波计算舰船形变角估计量包括：

建立陀螺仪漂移、形变角的状态模型，并构造姿态转移矩阵、三轴形变角、形变角增量和陀螺仪漂移的观测方程。

Images