JP2020169884A - Wave measuring device, wave measuring method, and wave measuring program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、波高、波向、波周期等の波浪データを計測する波浪計測技術に関する。 The present invention relates to a wave measurement technique for measuring wave data such as wave height, wave direction, and wave period.
従来、特許文献1に示すような、船舶に取り付けられた波浪計測装置が知られている。 Conventionally, a wave measuring device attached to a ship as shown in Patent Document 1 is known.
しかしながら、従来の波浪計測装置は、複数の構成要素の検出結果や設定を用いて、波浪データを計測するため、システムが煩雑になり易い。 However, in the conventional wave measuring device, the wave data is measured by using the detection results and settings of a plurality of components, so that the system tends to be complicated.
したがって、本発明の目的は、簡素な構成および処理で、高精度に波浪データを計測する波浪計測技術を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a wave measurement technique for measuring wave data with high accuracy with a simple configuration and processing.
この発明の波浪計測装置は、動揺データ算出部、波浪スペクトル推定部、固有周波数推定部、および、船体応答関数設定部を備える。動揺データ算出部は、船体の動揺データを算出する。波浪スペクトル推定部は、動揺データと船体応答関数とを用いて波浪スペクトルを推定する。固有周波数推定部は、波浪スペクトルから船体の固有周波数を推定する。船体応答関数設定部は、固有周波数を用いて船体応答関数を設定する。 The wave measuring device of the present invention includes a sway data calculation unit, a wave spectrum estimation unit, a natural frequency estimation unit, and a hull response function setting unit. The sway data calculation unit calculates the sway data of the hull. The wave spectrum estimation unit estimates the wave spectrum using the sway data and the hull response function. The natural frequency estimation unit estimates the natural frequency of the hull from the wave spectrum. The hull response function setting unit sets the hull response function using the natural frequency.
この構成では、波浪による船体の動揺データから固有周波数が推定され、船体応答関数に適用される。したがって、船体応答関数は、船体に適した値に設定される。 In this configuration, the natural frequency is estimated from the hull sway data due to waves and applied to the hull response function. Therefore, the hull response function is set to a value suitable for the hull.
この発明によれば、簡素な構成および処理で、波浪データを高精度に計測できる。 According to the present invention, wave data can be measured with high accuracy with a simple configuration and processing.
本発明の実施形態に係る波浪計測技術について、図を参照して説明する。図1は、本発明の実施形態に係る波浪計測装置の機能ブロック図である。 The wave measurement technique according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram of the wave measuring device according to the embodiment of the present invention.
図1に示すように、波浪計測装置10は、動揺データ算出部20、演算部30、固有周波数推定部40、および、船体応答関数設定部50を備える。演算部30は、波浪スペクトル推定部31と波浪データ算出部32を備える。動揺データ算出部20、演算部30、固有周波数推定部40、および、船体応答関数設定部50は、それぞれに各機能部の処理を実現するプログラムと、このプログラムを記憶する記憶媒体と、このプログラムを実行するCPU等の演算装置と、によって実現される。なお、固有周波数推定部40および船体応答関数設定部50は、演算部30に含まれていてもよい。
As shown in FIG. 1, the
動揺データ算出部20は、船舶の船体に取り付けられており、例えば、ロール、ピッチ、および、ヒーブを含む船体の姿勢の変化を検出する。動揺データ算出部20は、船体の姿勢の変化から、ロール成分、ピッチ成分、および、ヒーブ成分を含む動揺データを生成する。動揺データ算出部20は、所定周期で動揺データを生成する。動揺データ算出部20の具体的な構成は、後述する。動揺データ算出部20は、動揺データを、演算部30に出力する。
The sway
船体応答関数設定部50は、船体応答関数を設定して、演算部30の波浪スペクトル推定部31に出力する。船体応答関数は、概略的には、船体の到達する波浪と、該波浪による船体の動揺との関係を示す関数である。船体応答関数は、ロール用応答関数、ピッチ用応答関数、および、ヒーブ用応答関数によって構成される。
The hull response
船体応答関数設定部50は、固有周波数推定部40による固有周波数の推定が完了するまでは、初期の船体応答関数を、波浪スペクトル推定部31に出力する。
The hull response
船体応答関数設定部50は、固有周波数推定部40による固有周波数の推定が完了していれば、推定した固有周波数を適用して、船体応答関数を設定する。そして、船体応答関数設定部50は、固有周波数に基づいて設定した船体応答関数を、波浪スペクトル推定部31に出力する。
If the hull response
具体的には、船体応答関数設定部50は、例えば、次に示すように、船体応答関数を設定する。
Specifically, the hull response
図2(A)は、ロール用応答関数の方位特性を示す図であり、図2(B)は、ロール用応答関数の周波数特性を示す図である。図2(C)は、ヒーブ用応答関数の方位特性を示す図であり、図2(D)は、ヒーブ用応答関数の周波数特性を示す図である。図2(E)は、ピッチ用応答関数の方位特性を示す図であり、図2(F)は、ピッチ用応答関数の周波数特性を示す図である。 FIG. 2A is a diagram showing the orientation characteristics of the roll response function, and FIG. 2B is a diagram showing the frequency characteristics of the roll response function. FIG. 2C is a diagram showing the orientation characteristics of the heave response function, and FIG. 2D is a diagram showing the frequency characteristics of the heave response function. FIG. 2 (E) is a diagram showing the orientation characteristics of the pitch response function, and FIG. 2 (F) is a diagram showing the frequency characteristics of the pitch response function.
図2(A)に示すように、ロール用応答関数は、方位特性として、右舷(90°)方向および左舷(270°)方向に高く(1.0)、船尾(0°)方向および船首(180°)方向に低い(0.0)。方位に応じて、図2(B)に示すように、ロール用応答関数は、周波数特性として、固有周波数ω0に極大を有する。このように、船体応答関数設定部50は、ロール用応答関数に固有周波数を適用する。これは、船舶は一般的に、縦長の形状であり、横からの波による動揺の影響を受け易い。そして、この動揺は、船舶の形状に依存し、この形状によって固有周波数を有しているからである。
As shown in FIG. 2A, the roll response function has higher azimuth characteristics in the starboard (90 °) and port (270 °) directions (1.0), stern (0 °) and bow (0 °). Lower in the 180 °) direction (0.0). Depending on the orientation, as shown in FIG. 2B, the roll response function has a maximum at the natural frequency ω0 as a frequency characteristic. In this way, the hull response
船体応答関数設定部50は、固有周波数の推定の完了後に、固有周波数を用いた船体動揺関数を設定する。具体的には、図2(B)に示すように、なお、船体応答関数設定部50は、固有周波数の推定の完了前には、後述するヒーブ用応答関数、ピッチ用応答関数と同様に、全ての周波数成分で同じ値である一定値(例えば、1.0)からなるロール用応答関数を用いる。すなわち、固有周波数の推定の完了前は、ロール用応答関数の全ての周波数成分は、同じになるように設定される。
The hull response
なお、全ての周波数成分が同じであることが好ましいが、略全ての周波数成分で略同じ値であってもよい。例えば、ほぼ全ての周波数成分が1.0であるときに、一部の周波数成分が約1.1や約0.9であってもよい。この場合、周波数成分の値のバラツキ範囲は、固有周波数の推定精度等に応じて適宜設定することが可能である。また、一定値は、1.0に限るものではなく、他の値であってもよい。 It is preferable that all frequency components are the same, but substantially all frequency components may have substantially the same value. For example, when almost all frequency components are 1.0, some frequency components may be about 1.1 or about 0.9. In this case, the variation range of the value of the frequency component can be appropriately set according to the estimation accuracy of the natural frequency and the like. Further, the constant value is not limited to 1.0, and may be another value.
これらの周波数成分の設定は、固有周波数の推定の完了前のロール用応答関数への適用に限るものではなく、次に示すヒーブ用応答関数やピッチ用応答関数にも適用できる。 The setting of these frequency components is not limited to the application to the roll response function before the completion of the estimation of the natural frequency, and can also be applied to the heave response function and the pitch response function shown below.
図2(C)に示すように、ヒーブ用応答関数は、方位特性として、全方位で同じ(例えば、1.0)である。図2(D)に示すように、ヒーブ用応答関数は、周波数特性として、全周波数で同じ(例えば、1.0)である。船体応答関数設定部50は、固有周波数の推定の完了の前後に係わらす、このヒーブ用応答関数を用いる。すなわち、ヒーブ用応答関数は、方位特性および周波数特性として、動揺データの振幅と波浪スペクトルの振幅とが同じになるように設定される。
As shown in FIG. 2C, the heave response function has the same azimuth characteristic in all directions (for example, 1.0). As shown in FIG. 2D, the heave response function has the same frequency characteristics at all frequencies (for example, 1.0). The hull response
図2(E)に示すように、ピッチ用応答関数は、方位特性として、右舷(90°)方向および左舷(270°)方向に低く(例えば、0.0)、船尾(0°)方向および船首(180°)方向に高い(例えば、1.0)。図2(F)に示すように、ピッチ用応答関数は、周波数特性として、全周波数で同じ(例えば、1.0)である。船体応答関数設定部50は、固有周波数の推定の完了の前後に係わらす、このピッチ用応答関数を用いる。すなわち、ピッチ用応答関数は、周波数特性として、動揺データの振幅と波浪スペクトルの振幅とが同じになるように設定される。
As shown in FIG. 2 (E), the pitch response function is low in the starboard (90 °) and port (270 °) directions (for example, 0.0), and in the stern (0 °) direction and as azimuth characteristics. High in the bow (180 °) direction (eg 1.0). As shown in FIG. 2F, the pitch response function has the same frequency characteristics at all frequencies (for example, 1.0). The hull response
波浪スペクトル推定部31は、動揺データと船体応答関数とを用いて、船体を基準とした各方位の波浪スペクトルを推定する。例えば、波浪スペクトル推定部31は、時系列に並ぶ複数の動揺データを入力として、カルマンフィルタやベイス推定等の状態推定演算を実行することで、波浪スペクトルを推定する。波浪スペクトルは、振幅成分、位相成分、および、周波数成分を有する。この際、波浪スペクトル推定部31は、状態推定演算に、船体応答関数設定部50からの船体応答関数を適用する。
The wave
そして、船体応答関数は、上述のように、固有周波数の推定の完了後は、船体の形状に応じて適切に設定されている。したがって、波浪スペクトル推定部31は、固有周波数の推定の完了後に更新(設定)された船体応答関数を用いることによって、波浪スペクトルを高精度に推定できる。
Then, as described above, the hull response function is appropriately set according to the shape of the hull after the estimation of the natural frequency is completed. Therefore, the wave
波浪スペクトル推定部31は、波浪スペクトルを、波浪データ算出部32および固有周波数推定部40に出力する。なお、固有周波数の推定の完了後は、波浪スペクトル推定部31は、固有周波数推定部40に、波浪スペクトルを出力しなくてもよい。一方、固有周波数の推定前には、波浪スペクトル推定部31は、波浪データ算出部32に、波浪スペクトルを出力しなくてもよい。
The wave
波浪データ算出部32は、固有周波数の推定の完了後の波浪スペクトルから、既知の方法を用いて、ピーク波向き、波高、周波数を含む波浪データを算出する。この際、固有周波数に基づいた船体応答関数が用いられていることによって、船体の形状に応じた同調成分は、抑圧されている。したがって、波浪データ算出部32は、波浪データを高精度に算出できる。
The wave
固有周波数推定部40は、波浪スペクトルから固有周波数を推定する。より具体的には、固有周波数推定部40は、初期の船体応答関数を用いて推定された波浪スペクトルから固有周波数を推定する。固有周波数推定部40は、推定した固有周波数を、船体応答関数設定部50に出力する。
The
(固有周波数の推定方法)
次に、固有周波数推定部40による固有周波数の具体的な推定方法について説明する。図3(A)は、波浪成分の振幅比と位相差との関係を示す図であり、図3(B)は、同調成分の振幅比と位相差との関係を示す図である。図3(A)、図3(B)に示す各点は、各動揺データに対応する。
(Estimation method of natural frequency)
Next, a specific method for estimating the natural frequency by the natural
波浪成分は、波浪そのものによって現れる成分であり、同調成分は、波浪を受けたときに船体の形状によって現れる成分である。振幅比は、左舷の波浪スペクトルの振幅と右舷の波浪スペクトルの振幅との比である。位相差は、左舷の波浪スペクトルの位相と右舷の波浪スペクトルの位相との差である。 The wave component is a component that appears by the wave itself, and the tuning component is a component that appears by the shape of the hull when it receives waves. The amplitude ratio is the ratio of the amplitude of the port side wave spectrum to the amplitude of the starboard wave spectrum. The phase difference is the difference between the phase of the port side wave spectrum and the phase of the starboard wave spectrum.
図3(A)、図3(B)に示すように、波浪成分では、振幅比および位相差は、分散する。一方、同調成分では、振幅比は1.0付近に集中し、位相差はπ付近に集中する。 As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), in the wave component, the amplitude ratio and the phase difference are dispersed. On the other hand, in the tuning component, the amplitude ratio is concentrated near 1.0 and the phase difference is concentrated near π.
このように、波浪成分では、左舷の波浪スペクトルの振幅と右舷の波浪スペクトルの振幅とに相関性は無い。また、波浪成分では、左舷の波浪スペクトルの位相と右舷の波浪スペクトルの位相とに相関性は無い。 Thus, in the wave component, there is no correlation between the amplitude of the port-side wave spectrum and the amplitude of the starboard-side wave spectrum. In the wave component, there is no correlation between the phase of the port side wave spectrum and the phase of the starboard wave spectrum.
一方、同調成分では、左舷の波浪スペクトルの振幅と右舷の波浪スペクトルの振幅とは、略同じ大きさになる。また、同調成分では、左舷の波浪スペクトルの位相と右舷の波浪スペクトルの位相とは、略逆位相になる。 On the other hand, in the tuning component, the amplitude of the port-side wave spectrum and the amplitude of the starboard-side wave spectrum have substantially the same magnitude. Further, in the tuning component, the phase of the port side wave spectrum and the phase of the starboard wave spectrum are substantially opposite phases.
図4は、固有周波数を推定するための概念を示す図である。図4は一例を示す。図4において、左舷波ベクトルvLは、左舷の波浪スペクトルの振幅と位相とによって表される。右舷波ベクトルvRは、右舷の波浪スペクトルの振幅と位相とによって表される。ベクトル和vSは、左舷波ベクトルvLと右舷波ベクトルvRとのベクトルの和である。 FIG. 4 is a diagram showing a concept for estimating a natural frequency. FIG. 4 shows an example. In FIG. 4, the port wave vector vL is represented by the amplitude and phase of the port wave spectrum. The starboard wave vector vR is represented by the amplitude and phase of the starboard wave spectrum. The vector sum vsS is the sum of the vectors of the port wave vector vL and the starboard wave vector vR.
上述のように、同調成分であれば、左舷波ベクトルvLの振幅と右舷波ベクトルvRの振幅とは略同じであり、左舷波ベクトルvLの位相と右舷波ベクトルvRの位相とは略逆位相である。したがって、図4に示すように、ベクトル和vSの大きさは、左舷波ベクトルvLの大きさおよび右舷波ベクトルvRの大きさと比較して小さくなる。 As described above, if it is a tuning component, the amplitude of the port side wave vector vL and the amplitude of the starboard wave vector vR are substantially the same, and the phase of the port side wave vector vL and the phase of the starboard wave vector vR are substantially opposite in phase. is there. Therefore, as shown in FIG. 4, the magnitude of the vector sum vs. is smaller than the magnitude of the port wave vector vL and the magnitude of the starboard wave vector vR.
これを利用して、固有周波数推定部40は、同調成分の周波数である固有周波数を推定する。
Utilizing this, the
固有周波数推定部40は、左舷波ベクトルvLの大きさDvL、右舷波ベクトルvRの大きさDvR、および、ベクトル和vSの大きさDvSを算出する。固有周波数推定部40は、左舷波ベクトルvLの大きさと右舷波ベクトルvRの大きさとを加算して正規化用の基準値SVN(=DvL+DvR)を算出する。固有周波数推定部40は、ベクトル和vSの大きさDvSを、正規化用の基準値SVNで除算して、正規化された判定値α(=DvS/SVN)を算出する。固有周波数推定部40は、判定値αを、周波数毎に算出する。
The
図5は、判定値αの周波数特性を示す図である。図5に示すように、判定値αは、角周波数ωにおいて極小値を有する。なお、本願での極小値とは、実データの極小値であっても、実データに対して所定のフィッティングを行った関数の極小値であってもよい。上述のように、同調成分では、ベクトル和vSの大きさDvSは小さくなるので、この判定値αが極小値となる角周波数ωが同調成分の周波数、すなわち、固有周波数ω0である。 FIG. 5 is a diagram showing the frequency characteristics of the determination value α. As shown in FIG. 5, the determination value α has a minimum value at the angular frequency ω. The minimum value in the present application may be the minimum value of the actual data or the minimum value of the function obtained by performing a predetermined fitting on the actual data. As described above, since the magnitude DvS of the vector sum vs. is small in the tuning component, the angular frequency ω at which the determination value α is the minimum value is the frequency of the tuning component, that is, the natural frequency ω0.
これを利用し、固有周波数推定部40は、判定値αの周波数関数から極小値を検出する。固有周波数推定部40は、判定値αが極小値となる周波数を検出して、固有周波数ω0とする。これにより、固有周波数推定部40は、固有周波数ω0を推定できる。
Utilizing this, the intrinsic
なお、波浪スペクトルは誤差成分を多く含んでいるので、固有周波数推定部40は、重み付け平均演算を用いて、固有周波数ω0を推定することが好ましい。重み付け平均演算は、例えば、各角周波数ωの判定値αωを1.0から減算した値を、各角周波数ωで重み付けして、平均値を算出する演算(重み付け平均値の算出)である。このような重み付け平均演算を用いることによって、固有周波数推定部40は、誤差成分の影響を軽減して、固有周波数ω0を、より高精度に推定できる。
Since the wave spectrum contains many error components, it is preferable that the
そして、このように、固有周波数推定部40において船体に応じた固有周波数ω0が推定されることで、船体応答関数設定部50は、この固有周波数ω0を用いて、船体に適した船体応答関数を設定できる。そして、この船体応答関数を用いることによって、波浪スペクトル推定部31は、波浪スペクトルを高精度に推定でき、波浪データ算出部32は、波浪データを高精度に算出できる。
Then, in this way, the
図6(A)は、本実施形態の処理を行った場合の波浪の検出画面の一例を示す図である。図6(B)は、本実施形態の処理を行わなかった場合の波浪の検出画面の一例を示す図である。 FIG. 6A is a diagram showing an example of a wave detection screen when the processing of the present embodiment is performed. FIG. 6B is a diagram showing an example of a wave detection screen when the processing of the present embodiment is not performed.
船体の左舷方向に波浪成分が存在する場合、本実施形態の処理を行わなければ、図6(B)に示すように、波浪成分とともに同調成分が現れてしまう。一方、本実施形態の処理を用いることによって、図6(A)に示すように、同調成分は現れず、波浪成分だけが現れる。 When the wave component is present in the port side direction of the hull, the tuning component appears together with the wave component as shown in FIG. 6 (B) unless the processing of the present embodiment is performed. On the other hand, by using the process of the present embodiment, as shown in FIG. 6 (A), the tuning component does not appear, and only the wave component appears.
このように、波浪計測装置10は、同調成分を抑圧、除去して、波浪成分だけを出力できる。
In this way, the
(波浪計測方法および波浪計測プログラムの説明)
なお、上述の説明では、各処理をそれぞれに異なる機能部で実現する態様を示したが、上述の処理をプログラム化して記憶しており、CPU等の演算処理装置で実行してもよい。この場合、演算処理装置は、次に示す処理を実行すればよい。なお、各処理の具体的な説明は、上述しており、以下では、必要な箇所のみを追記して説明する。
(Explanation of wave measurement method and wave measurement program)
In the above description, an embodiment in which each process is realized by a different functional unit is shown, but the above process may be programmed and stored, and may be executed by an arithmetic processing unit such as a CPU. In this case, the arithmetic processing unit may execute the following processing. The specific description of each process has been described above, and below, only necessary parts will be added and described.
(メイン処理のフロー)
図7は、本発明の実施形態に係る波浪計測方法のメイン処理のフローチャートである。図7に示すように、演算処理装置は、船体の動揺データを用いて、固有周波数ω0を推定する(S11)。演算処理装置は、固有周波数ω0を用いた船体応答関数を用いて、波浪スペクトルを推定し、波浪データを算出する(S12)。
(Main processing flow)
FIG. 7 is a flowchart of the main process of the wave measurement method according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the arithmetic processing unit estimates the natural frequency ω0 using the sway data of the hull (S11). The arithmetic processing unit estimates the wave spectrum and calculates the wave data by using the hull response function using the natural frequency ω0 (S12).
(固有周波数の推定処理のフロー)
図8は、固有周波数の推定処理のフローチャートである。図8に示すように、演算処理装置は、初期の船体応答関数を設定する(S101)。初期の船体応答関数は、固有周波数ω0に依存するものではなく、周波数特性は一定値である。
(Flow of estimation processing of natural frequency)
FIG. 8 is a flowchart of the natural frequency estimation process. As shown in FIG. 8, the arithmetic processing unit sets an initial hull response function (S101). The initial hull response function does not depend on the natural frequency ω0, and the frequency characteristic is a constant value.
演算処理装置は、動揺データを取得する(S102)。演算処理装置は、初期の船体応答関数を用いて、波浪スペクトルを推定する(S103)。演算処理装置は、波浪スペクトルを用いて、固有周波数ω0を推定する(S104)。 The arithmetic processing unit acquires the sway data (S102). The arithmetic processing unit estimates the wave spectrum using the initial hull response function (S103). The arithmetic processing unit estimates the natural frequency ω0 using the wave spectrum (S104).
演算処理装置は、固有周波数ω0の推定が完了していれば(S105:YES)、固有周波数ω0の推定を終了する。なお、演算処理装置は、固有周波数ω0の推定が終わっていなければ(S105:NO)、動揺データを取得して、固有周波数ω0の推定を継続する。固有周波数ω0の推定の完了は、例えば、所定個数の動揺データを得られること、すなわち、固有周波数ω0の推定開始から所定時間が経過したことによって検出される。また、固有周波数ω0の推定の完了は、固有周波数ω0を所定の時間間隔で推定していき、推定値の分散や標準偏差等の統計値が終了閾値以下にあったことによって検出される。 If the estimation of the eigenfrequency ω0 is completed (S105: YES), the arithmetic processing unit ends the estimation of the eigenfrequency ω0. If the estimation of the eigenfrequency ω0 is not completed (S105: NO), the arithmetic processing unit acquires the sway data and continues the estimation of the eigenfrequency ω0. The completion of the estimation of the eigenfrequency ω0 is detected, for example, by obtaining a predetermined number of sway data, that is, a predetermined time has elapsed from the start of the estimation of the eigenfrequency ω0. Further, the completion of the estimation of the natural frequency ω0 is detected when the natural frequency ω0 is estimated at predetermined time intervals and the statistical values such as the variance of the estimated values and the standard deviation are equal to or less than the end threshold value.
(固有周波数の推定処理の一部のさらに詳細なフロー)
図9は、固有周波数の推定処理の一部のさらに詳細なフローチャートである。図9に示すように、演算処理装置は、波浪スペクトルから、船体の左舷の波浪スペクトルである左舷波ベクトルvLと、船体の右舷の波浪スペクトルである右舷波ベクトルvRとを取得する(S401)。演算処理装置は、左舷波ベクトルvLと右舷波ベクトルvRとのベクトル和vSを算出する(S402)。
(More detailed flow of part of the natural frequency estimation process)
FIG. 9 is a more detailed flowchart of a part of the natural frequency estimation process. As shown in FIG. 9, the arithmetic processing apparatus acquires the port side wave vector vL, which is the port side wave spectrum of the hull, and the starboard wave vector vR, which is the starboard side wave spectrum of the hull, from the wave spectrum (S401). The arithmetic processing unit calculates the vector sum vs of the port wave vector vL and the starboard wave vector vR (S402).
演算処理装置は、左舷波ベクトルvLの大きさ、右舷波ベクトルvRの大きさ、および、ベクトル和vSの大きさから、判定値αを算出する(S403)。演算処理装置は、判定値αの周波数特性を算出する(S404)。演算処理装置は、判定値αの周波数特性から、固有周波数ω0を推定する(S405)。 The arithmetic processing unit calculates the determination value α from the magnitude of the port wave vector vL, the magnitude of the starboard wave vector vR, and the magnitude of the vector sum vs. (S403). The arithmetic processing unit calculates the frequency characteristic of the determination value α (S404). The arithmetic processing unit estimates the natural frequency ω0 from the frequency characteristic of the determination value α (S405).
(固有周波数の推定の完了後の波浪データの算出処理)
図10は、固有周波数の推定の完了後の波浪データの算出処理のフローチャートである。図10に示すように、図9、図10の処理で推定した固有周波数ω0を用いて、船体応答関数を設定する(S201)。演算処理装置は、動揺データを取得する(S202)。
(Calculation processing of wave data after completion of estimation of natural frequency)
FIG. 10 is a flowchart of the wave data calculation process after the estimation of the natural frequency is completed. As shown in FIG. 10, the hull response function is set using the natural frequency ω0 estimated by the processes of FIGS. 9 and 10 (S201). The arithmetic processing unit acquires the sway data (S202).
演算処理装置は、固有周波数を用いた船体応答関数と動揺データとを用いて、波浪スペクトルを推定する(S203)。演算処理装置は、波浪スペクトルから、波向き、周波数、および、波高を含む波浪データを算出する(S204)。 The arithmetic processing unit estimates the wave spectrum using the hull response function using the natural frequency and the sway data (S203). The arithmetic processing unit calculates wave data including wave direction, frequency, and wave height from the wave spectrum (S204).
(波浪計測装置の別の実施態様)
図11は、本発明の別の実施形態に係る波浪計測装置の機能ブロック図である。図11に示すように、波浪計測装置10Aは、固有周波数推定部40Aにおいて、波浪計測装置10と異なる。波浪計測装置10Aの他の構成は、波浪計測装置10と同様であり、同様の箇所の説明は省略する。
(Another embodiment of the wave measuring device)
FIG. 11 is a functional block diagram of the wave measuring device according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 11, the
固有周波数推定部40Aには、動揺データが入力される。固有周波数推定部40Aは、動揺データから同調成分を検出する。例えば、固有周波数推定部40Aは、動揺データの周波数スペクトルを抽出し、周波数スペクトルから同調成分を検出する。
The sway data is input to the intrinsic
固有周波数推定部40Aは、同調成分から固有周波数を推定する。固有周波数推定部40Aは、固有周波数を、船体応答関数設定部50に出力する。
The intrinsic
このように、固有周波数は、動揺データから直接検出することも可能である。 In this way, the natural frequency can also be detected directly from the sway data.
(動揺データ算出部の構成例)
上述の説明では、動揺データ算出部20の具体的な構成例を示していなかったが、例えば、次に示すような各種の構成を適用できる。図12(A)、図12(B)、および、図12(C)は、それぞれに動揺データ算出部の構成例を示す機能ブロック図である。
(Structure example of the sway data calculation unit)
In the above description, a specific configuration example of the sway
(動揺データ算出部の構成例1)
図12(A)に示すように、動揺データ算出部20は、アンテナ211、アンテナ212、GNSS受信部221、GNSS受信部222、IMU23、および、演算部24を備える。GNSS受信部221、GNSS受信部222、および、演算部24は、電子回路や、これらの機能部で実行する処理をプログラム化して記憶する記憶媒体と、当該プログラムを実行する演算処理装置とによって実現される。
(Structure example 1 of the sway data calculation unit)
As shown in FIG. 12A, the sway
アンテナ211およびアンテナ212は、船体に設置されている。アンテナ211は、GNSS衛星からの測位信号を受信して、GNSS受信部221に出力する。アンテナ212は、GNSS衛星からの測位信号を受信して、GNSS受信部222に出力する。
The
GNSS受信部221は、アンテナ211で受信したGNSS信号を捕捉、追尾して、追尾結果に基づく、測位データを出力する。測位データは、例えば、搬送波位相積算値、疑似距離等を含んでいる。なお、測位データは、疑似距離を用いた単独測位結果を含んでいていてもよい。GNSS受信部221は、測位データを、演算部24に出力する。
The
GNSS受信部222は、アンテナ212で受信したGNSS信号を捕捉、追尾して、追尾結果に基づく、測位データを出力する。測位データは、例えば、搬送波位相積算値、疑似距離等を含んでいる。なお、測位データは、疑似距離を用いた単独測位結果を含んでいていてもよい。GNSS受信部222は、測位データを、演算部24に出力する。
The
IMU23は、所謂、慣性センサであり、加速度センサ、角速度センサを備える。IMU23は、船体に対して所定の姿勢で固定されている。IMU23は、加速度や角速度等の慣性データを計測する。IMU23は、慣性データを、演算部24に出力する。
The
演算部24は、既知の方法を用いて、測位データと慣性データとから船体の姿勢角を算出し、動揺データとして出力する。
The
この構成では、測位信号に基づく測位データと、慣性力に基づく慣性データとを用いることで、動揺データ算出部20は、動揺データを、高精度に算出できる。また、動揺データ算出部20は、高いロバスト性を有する。
In this configuration, by using the positioning data based on the positioning signal and the inertial data based on the inertial force, the shaking
(動揺データ算出部の構成例2)
図12(B)に示すように、動揺データ算出部20Aは、アンテナ211、アンテナ212、アンテナ213、GNSS受信部221、GNSS受信部222、GNSS受信部223、および、演算部24を備える。GNSS受信部221、GNSS受信部222、GNSS受信部223、および、演算部24は、電子回路や、これらの機能部で実行する処理をプログラム化して記憶する記憶媒体と、当該プログラムを実行する演算処理装置とによって実現される。
(Structure example 2 of the sway data calculation unit)
As shown in FIG. 12B, the sway
アンテナ211、アンテナ212、および、アンテナ213は、船体に設置されている。アンテナ211は、GNSS衛星からの測位信号を受信して、GNSS受信部221に出力する。アンテナ212は、GNSS衛星からの測位信号を受信して、GNSS受信部222に出力する。アンテナ213は、GNSS衛星からの測位信号を受信して、GNSS受信部223に出力する。
The
GNSS受信部221は、アンテナ211で受信したGNSS信号を捕捉、追尾して、追尾結果に基づく、測位データを出力する。測位データは、例えば、搬送波位相積算値、疑似距離等を含んでいる。なお、測位データは、疑似距離を用いた単独測位結果を含んでいていてもよい。GNSS受信部221は、測位データを、演算部24に出力する。
The
GNSS受信部222は、アンテナ212で受信したGNSS信号を捕捉、追尾して、追尾結果に基づく、測位データを出力する。測位データは、例えば、搬送波位相積算値、疑似距離等を含んでいる。なお、測位データは、疑似距離を用いた単独測位結果を含んでいていてもよい。GNSS受信部222は、測位データを、演算部24に出力する。
The
GNSS受信部223は、アンテナ213で受信したGNSS信号を捕捉、追尾して、追尾結果に基づく、測位データを出力する。測位データは、例えば、搬送波位相積算値、疑似距離等を含んでいる。なお、測位データは、疑似距離を用いた単独測位結果を含んでいていてもよい。GNSS受信部223は、測位データを、演算部24に出力する。
The
演算部24は、既知の方法を用いて、複数の測位データから船体の姿勢角を算出し、動揺データとして出力する。
The
この構成では、IMUを用いることなく、動揺データ算出部20Aは、動揺データを、高精度に算出できる。
In this configuration, the sway
なお、上述の動揺データ算出部20および動揺データ算出部20AのアンテナおよびGNSS受信部の個数は、最低限の個数を示すものであり、この個数よりも多くてもよい。
The number of antennas and GNSS receiving units of the above-mentioned shaking
(動揺データ算出部の構成例3)
図12(C)に示すように、動揺データ算出部20Bは、IMU23、および、演算部24を備える。演算部24は、電子回路や、これらの機能部で実行する処理をプログラム化して記憶する記憶媒体と、当該プログラムを実行する演算処理装置とによって実現される。
(Structure example 3 of the sway data calculation unit)
As shown in FIG. 12C, the sway
IMU23は、所謂、慣性センサであり、加速度センサ、角速度センサを備える。IMU23は、船体に対して所定の姿勢で固定されている。IMU23は、加速度や角速度等の慣性データを計測する。IMU23は、慣性データを、演算部24に出力する。
The
演算部24は、既知の方法を用いて、慣性データから船体の姿勢角を算出し、動揺データとして出力する。
The
この構成では、測位信号を受信できない環境であっても、動揺データを出力できる。 With this configuration, sway data can be output even in an environment where positioning signals cannot be received.
なお、上述の説明では、判定値αは、正規化された値を用いているが、正規化を行わない値を利用することも可能である。ただし、正規化された値を用いることで、波浪計測装置は、波浪スペクトルの大きさに影響されない周波数特性を得えられる。したがって、正規化された判定値αを用いることで、波浪計測装置は、固有周波数を、より高精度に推定できる。 In the above description, the determination value α uses a normalized value, but it is also possible to use a value that is not normalized. However, by using the normalized value, the wave measuring device can obtain a frequency characteristic that is not affected by the magnitude of the wave spectrum. Therefore, by using the normalized determination value α, the wave measuring device can estimate the natural frequency with higher accuracy.
10、10A:波浪計測装置
20、20A、20B:動揺データ算出部
23:IMU
24:動揺データ算出部の演算部
30:演算部
31:波浪スペクトル推定部
32:波浪データ算出部
40、40A:固有周波数推定部
50:船体応答関数設定部
211、212、213:アンテナ
221、222、223:GNSS受信部
10, 10A:
24:
Claims (14)
前記動揺データと船体応答関数とを用いて波浪スペクトルを推定する波浪スペクトル推定部と、
前記波浪スペクトルから波浪データを算出する波浪データ算出部と、
前記波浪スペクトルまたは前記動揺データから前記船体の固有周波数を推定する固有周波数推定部と、
前記固有周波数を用いて前記船体応答関数を設定する船体応答関数設定部と、
を備える波浪計測装置。 The sway data calculation unit that calculates the sway data of the hull,
A wave spectrum estimation unit that estimates the wave spectrum using the sway data and the hull response function,
A wave data calculation unit that calculates wave data from the wave spectrum,
An intrinsic frequency estimation unit that estimates the intrinsic frequency of the hull from the wave spectrum or the shaking data,
A hull response function setting unit that sets the hull response function using the natural frequency,
Wave measuring device equipped with.
前記波浪スペクトルは、周波数成分とともに振幅成分および位相成分を有し、
前記固有周波数推定部は、
前記船体の左舷の波浪スペクトルの振幅成分と、
前記船体の右舷の波浪スペクトルの振幅成分と、
前記振幅成分と前記位相成分とから構成される前記左舷の波浪スペクトルと前記右舷の波浪スペクトルとのベクトル和と、
を用いて、前記固有周波数を推定する、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to claim 1.
The wave spectrum has an amplitude component and a phase component as well as a frequency component.
The natural frequency estimation unit
The amplitude component of the wave spectrum on the port side of the hull and
The amplitude component of the starboard side wave spectrum of the hull and
The vector sum of the port-side wave spectrum and the starboard-side wave spectrum composed of the amplitude component and the phase component,
To estimate the intrinsic frequency,
Wave measuring device.
前記固有周波数推定部は、
前記ベクトル和の大きさを、前記左舷の波浪スペクトルの大きさと前記右舷の波浪スペクトルの大きさとの和で除算した判定値を用いて、前記固有周波数を推定する、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to claim 2.
The natural frequency estimation unit
The intrinsic frequency is estimated using a determination value obtained by dividing the magnitude of the vector sum by the magnitude of the port-side wave spectrum and the magnitude of the starboard wave spectrum.
Wave measuring device.
前記固有周波数推定部は、
前記判定値が極小値の周波数を、前記固有周波数とする、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to claim 3.
The natural frequency estimation unit
The frequency at which the determination value is the minimum value is defined as the natural frequency.
Wave measuring device.
前記固有周波数推定部は、
前記判定値の重み付け平均値を用いて、前記固有周波数を推定する、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to claim 3 or 4.
The natural frequency estimation unit
The intrinsic frequency is estimated using the weighted average value of the determination value.
Wave measuring device.
前記船体応答関数設定部は、
前記船体応答関数を、少なくともロール用応答関数で構成し、
前記ロール用応答関数に、前記固有周波数を適用する、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to any one of claims 1 to 5.
The hull response function setting unit
The hull response function is composed of at least a roll response function.
Applying the natural frequency to the roll response function,
Wave measuring device.
前記固有周波数推定部は、
前記推定した固有周波数を適用する前の初期の前記船体応答関数を用いた前記波浪スペクトルから、前記固有周波数を推定する、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to any one of claims 1 to 6.
The natural frequency estimation unit
The natural frequency is estimated from the wave spectrum using the initial hull response function before applying the estimated natural frequency.
Wave measuring device.
前記固有周波数の推定完了前の前記船体応答関数は、前記動揺データの振幅と前記波浪スペクトルの振幅とを同じに設定する、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to any one of claims 1 to 7.
The hull response function before the completion of the estimation of the natural frequency sets the amplitude of the sway data and the amplitude of the wave spectrum to be the same.
Wave measuring device.
略全ての周波数成分が略同じ値に設定された船体応答関数と、前記動揺データと、を用いて、前記波浪スペクトルを推定する波浪スペクトル推定部と、
前記波浪スペクトルから波浪データを算出する波浪データ算出部と、
を備える波浪計測装置。 The sway data calculation unit that calculates the sway data of the hull,
A wave spectrum estimation unit that estimates the wave spectrum using a hull response function in which substantially all frequency components are set to substantially the same value and the sway data.
A wave data calculation unit that calculates wave data from the wave spectrum,
Wave measuring device equipped with.
前記波浪スペクトル推定部は、前記動揺データの振幅と前記波浪スペクトルの振幅とを略同じに設定する、
波浪計測装置。 The wave measuring device according to claim 9.
The wave spectrum estimation unit sets the amplitude of the sway data and the amplitude of the wave spectrum to be substantially the same.
Wave measuring device.
前記動揺データと船体応答関数とを用いて波浪スペクトルを推定し、
前記波浪スペクトルから波浪データを算出し、
前記波浪スペクトルまたは前記動揺データから前記船体の固有周波数を推定し、
前記固有周波数を用いて前記船体応答関数を設定する、
波浪計測方法。 Calculate the hull sway data and
The wave spectrum is estimated using the sway data and the hull response function.
Wave data is calculated from the wave spectrum,
The natural frequency of the hull is estimated from the wave spectrum or the sway data, and
The hull response function is set using the natural frequency.
Wave measurement method.
前記波浪スペクトルは、周波数成分とともに振幅成分および位相成分を有し、
前記船体の左舷の波浪スペクトルの振幅成分と、前記船体の右舷の波浪スペクトルの振幅成分と、前記振幅成分と前記位相成分とから構成される前記左舷の波浪スペクトルと前記右舷の波浪スペクトルとのベクトル和と、を用いて、前記固有周波数を推定する、
波浪計測方法。 The wave measurement method according to claim 11.
The wave spectrum has an amplitude component and a phase component as well as a frequency component.
Vector of the amplitude component of the port side wave spectrum of the hull, the amplitude component of the starboard side wave spectrum of the hull, the port side wave spectrum composed of the amplitude component and the phase component, and the starboard side wave spectrum. Estimate the natural frequency using the sum and
Wave measurement method.
前記動揺データと船体応答関数とを用いて波浪スペクトルを推定し、
前記波浪スペクトルから波浪データを算出し、
前記波浪スペクトルまたは前記動揺データから前記船体の固有周波数を推定し、
前記固有周波数を用いて前記船体応答関数を設定する、
処理を演算処理装置に実行させる、波浪計測プログラム。 Calculate the hull sway data and
The wave spectrum is estimated using the sway data and the hull response function.
Wave data is calculated from the wave spectrum,
The natural frequency of the hull is estimated from the wave spectrum or the sway data, and
The hull response function is set using the natural frequency.
A wave measurement program that causes an arithmetic processing unit to execute processing.
前記波浪スペクトルは、周波数成分とともに振幅成分および位相成分を有し、
前記船体の左舷の波浪スペクトルの振幅成分と、前記船体の右舷の波浪スペクトルの振幅成分と、前記振幅成分と前記位相成分とから構成される前記左舷の波浪スペクトルと前記右舷の波浪スペクトルとのベクトル和と、を用いて、前記固有周波数を推定する、
処理を演算処理装置に実行させる、波浪計測プログラム。 The wave measurement program according to claim 13.
The wave spectrum has an amplitude component and a phase component as well as a frequency component.
Vector of the amplitude component of the port side wave spectrum of the hull, the amplitude component of the starboard side wave spectrum of the hull, the port side wave spectrum composed of the amplitude component and the phase component, and the starboard side wave spectrum. Estimate the natural frequency using the sum and
A wave measurement program that causes an arithmetic processing unit to execute processing.
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