用于船舶升沉运动估算的自适应数字滤波器

作者:陈琦;李格伦;李智刚; 刊名:中国惯性技术学报 上传者:涂秋平

【摘要】为获取精确的船舶升沉运动位移数据,提出了一种估算升沉运动位移的自适应数字滤波器。将惯性测量单元采集的加速度数据进行二次积分运算,并采用自适应数字滤波器对二次积分运算结果进行处理。通过参考"大洋一号"科学考察船采集的真实升沉运动数据,将自适应数字滤波器与传统数字滤波器的处理效果进行了模拟实验对比,当模拟海况等级为4级和5级时,自适应数字滤波器比传统数字滤波器估算出的位移偏差的均方差指标分别降低了80%和85%。实验结果验证了自适应数字滤波器能够显著地提高船舶升沉位移的估算精度。

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为了满足日益增多的海洋资源开发和海洋科学调查需求,大量的安装有海底采矿设备、钻井设备、遥控潜水器(ROV)设备的海洋工程船舶被用于相关的海上作业。这些船舶在进行海上作业时都会受到海浪、海流及大风的影响而产生水平方向的横移运动和垂直方向的升沉运动。由此造成的船舶运动会严重影响海上作业的工作效率及设备安全。其中垂直方向的运动对海上作业安全会造成重大影响,例如采矿、钻井设备由于船舶升沉运动可能造成输送管损坏[1-2]。日本的―海沟号‖ROV就是由于母船升沉运动造成ROV的铠缆损坏,最终导致昂贵的ROV本体丢失[3-4]。升沉补偿系统可以消除母船升沉运动对海上作业的影响[5]。升沉补偿系统可以分为被动式升沉补偿系统和主动式升沉补偿系统。主动式升沉补偿技术由于具有补偿精度高、补偿作用距离大、占地面积小等优点,已经应用在深海采矿平台[6]、ROV作业系统[7]、海上直升机起降平台[8]、海底地图测绘声呐系统[9]等海洋工程及海洋调查领域。主动升沉补偿系统的补偿精度不仅与升沉补偿控制系统的效果有关,同时也依赖于船舶升沉位移估算的精度。升沉位移估算属于位姿估计问题,是控制领域重要的研究方向,很多研究学者对飞行器[10]、卫星[11]的位姿估计问题进行了研究,取得了一些成果,而关于船舶升沉位移估算的研究还鲜有报道。船舶的升沉运动除了垂直方向的运动,还包括纵倾、横摇的角度变化。惯性测量单元(IMU)可以测量六个自由度的变量,包括三维加速度、角速度。IMU测量出的垂直方向加速度信号中包含有重力加速度分量,通过减去重力加速度分量,可以得到母船升沉运动的加速度。理论上,将升沉运动的加速度进行二次积分、角速度一次积分就可以通过运动学公式计算得到母船升沉运动的位移。但是,由于IMU测量数据包含噪声、零漂等干扰量,通过简单的积分处理得到的船舶升沉位移估算值具有较大的误差,甚至无法供升沉补偿控制系统使用。文献[12]采用GPS信息对IMU积分得到的位移估算值进行修正,可以减少测量的升沉位移的偏移误差,但是当GPS信号较差时,该方法无法使用。而采用数字滤波器可以在不依赖任何外部设备的情况下,以更低的成本提高船舶升沉位移测量数据的精度。文献[13]采用扩展卡尔曼滤波器对测量的船舶升沉位移进行滤波处理,减少了测量误差。但是IMU测量的数据中所包含的干扰量的特性与不同海况下船舶升沉位移频率相关,为了设计最优的滤波器,就需要得到船舶升沉运动的频率特性,从而根据船舶升沉运动的频率特性选择相应的滤波器参数,这种方法降低了升沉位移估算方法的通用型性,也降低了在不同海况下的适应性。本文首先介绍了传统数字滤波器的缺点和不足,进而设计了一种自适应巴特沃斯数字滤波器,根据海浪周期运动可以由一组正弦曲线拟合而成的特性,首先采用互补滤波的方法降低巴特沃斯高通滤波器的延时,其次通过快速傅里叶变换对升沉加速度原始数据进行频域分析,得出船舶升沉运动的周期频率特性,然后根据船舶升沉运动的周期频率,为滤波器设计最优的截止频率,并且增加了补偿算子,对传感器误差和滤波器误差进行了补偿。这样通过自适应巴特沃斯数字滤波器对原始数据进行滤波处理,就可以有效地去除掉干扰量,获得准确的船舶升沉运动位移数据。1升沉运动测量原理船舶在理想情况下可以看成具有六个自由度的刚体,所以它的升沉运动的加速度和角速度可以采用IMU进行测量。船舶升沉运动测量原理如图1所示。IMU包含了3个单轴的加速度计和3个单轴的陀螺仪,可以分别测量船舶在船体坐标系下沿三个坐标轴运动的加速度信号和绕三个坐标轴旋转的角速度信号。纵倾和横摇的角速度信号进行一次积分就可

参考文献

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