一種動力定位船舶的縱橫搖周期測量方法
2023-05-08 23:21:11
專利名稱：一種動力定位船舶的縱橫搖周期測量方法
技術領域：
本發明涉及船舶動力定位領域，具體涉及一種適用於動力定位船舶的縱橫搖周期測量方法。
背景技術：
船舶動力定位是一種通過使用船上安裝的多個推進器來抵抗海洋環境的幹擾，實現對船舶位置和艏向進行控制的技術，其目前已被廣泛應用於海洋資源開發的諸多領域。動力定位系統需要受過培訓的專門操作員(Dynamic Positioning Operator簡稱為DPO)進行操作。船舶進行動力定位作業時，外界環境幹擾包括海風、海浪和海流。海浪的形成有 各種原因，例如風、海嘯和潮汐都能引起海浪。最常見的海浪是由風形成的海浪，也就是常說的風浪。海浪可以分為高頻和低頻兩部分，高頻海浪會使船體產生圍繞船舶的縱橫搖運動主要是由於海流主要是由潮汐、風、海水密度不同等因素引起的，海流的變化時非常緩慢的，所以它可以被認為是定常幹擾。動力定位系統中通常帶有風速和風向傳感器，可以通過海風的測量，對風所產生的擾動進行前饋補償，而海浪和海流一般無法直接測量，只能通過反饋方式進行補償。鑑於前述的風浪流關係和動力定位系統的控制原理，有經驗的DPO可以通過對船體縱橫搖角度和搖擺周期的數據分析，粗略估計當前的海況，從而更好地進行動力定位系統操作。當前對於周期測量問題，通常利用硬體進行，如果利用硬體方法測量船體縱橫搖周期，還需搭建額外的硬體電路，並且需要外部信號提示何時到達運行周期。
發明內容
本發明的目的在於提出了一種使用方式簡便，利用船體縱橫搖角度測量船體搖擺周期的方法。本發明的目的是這樣實現的本發明包括如下步驟(I)獲取船體縱橫搖角度，動力定位系統的採樣頻率fl，其中Π小于波浪的高頻振蕩頻率f ;( 2)對縱橫搖角度進行濾波去噪處理；(3)根據濾波去噪後的縱橫搖角度值，獲取船體縱橫搖周期。所述的對縱橫搖角度進行濾波去噪處理後的數據為
32y{n) =YdCIk y{n -k)+Y^ hr x{n - k),
fr=l會二0其中x( ·)為濾波前原始測量數據，y (·)為濾波後測量數據，ak、bk為濾波器參數。所述船體縱橫搖周期為T = 2t (nj-nii) /L,其中t為運動傳感器採樣周期，T為縱橫搖周期，L為波峰和波谷總數，當(y^yH)(yi+1-yi) < O時，HIi為L長度數據段中，第一個波峰/谷的數據點序號，Hi表示L長度數據段中，最後一個波峰/谷的數據點序號。本發明的有益效果在於相比於傳統硬體周期測量方法，本發明不需要額外的實體裝置，只利用動力定位系統中的運動傳感器，給出船體搖擺周期，使用方式更加簡便。操作員不必單純憑藉經驗對外部海洋環境進行估計，可以全時段全天候提供精確的縱橫搖周期數據，進一步完善了船舶動力定位系統。
圖I為動力定位船舶縱橫搖周期測量方法示意圖；圖2為運動傳感器示和動力定位顯控臺連接形式示意圖；
圖3為船體縱搖角度的原始測量值示意圖；圖4為船體橫搖角度的原始測量值示意圖；圖5為船舶縱搖角度示意圖；圖6為船舶橫搖角度示意圖；圖7為縱搖周期計算值示意圖；圖8為橫搖周期計算值示意圖。
具體實施例方式本發明的目的是為了解決DPO進行船舶動力定位作業時無法直觀得到船體縱橫搖周期的問題，提出了一種利用運動傳感器測量船體縱橫搖角度，經過對角度的分析計算，得到船體搖擺周期的方法。船體上任意兩個點的縱橫搖角度不盡相同，只有船體重心處的縱橫搖角度均值為零，可以反映剛性船體的實際搖擺情況，但是船體各點的搖擺周期和到達波峰波谷的時刻是相同的，基於這一原理，本發明不要求縱橫搖角度測量值均值為零。獲得測量值後，設定動力定位系統的採樣頻率，要求遠遠小于波浪的高頻振蕩頻率f，避免由於採樣數據點間隔過長影響計算。其次對測量得到的船舶縱橫搖角度值進行濾波，因為運動傳感器的測量值一般包括傳感器本身的超高頻噪聲，噪聲的頻率通常遠高於被測量的頻率。高頻海浪的周期一般都會大於5秒，利用截止頻率為O. 2赫茲的二階無限長單位衝擊響應低頻濾波器對測量數據進行濾波，濾波會對測量數據造成時間域的延遲，但每個數據點的延遲時間是相同的，所以不會影響周期計算精度X ( ·)為濾波前原始測量數據y(.)為濾波後測量數據ak、bk為濾波器參數
32 ν(/ ) = YiCt ky[n-k) + Y^bkx(n - k)
k=lk=Q得到濾波后角度值，進行周期計算，定義變量如下t :運動傳感器採樣周期Yi :某個縱(橫)搖角度數據測量值，Hii為此數據點序號
Yi^1 :前一個縱(橫)搖角度數據測量值，IV1為此數據點序號yi+1 :下一個縱(橫)搖角度數據測量值，mi+1為此數據點序號T :縱(橫)搖周期角度波峰波谷的判定方法為如果匕-^) (yi+「yi)≤OJlJyi為波峰/谷數據點，叫為叫後續第一個波峰/谷數據點的序號，每半個搖擺周期包括一個波峰和一個波谷，在此引入正整數L (表示計算時用到的波峰和波谷總數)，周期計算公式為T = 2t (nJ-Hii) /LHii表示L長度數據段中，第一個波峰/谷的數據點序號，Hi表示L長度數據段中，最後一個波峰/谷的數據點序號。下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述，實施步驟如下如圖I所示，首先通過運動傳感測量船體縱橫搖角度，然後對測量數據進行低頻濾波，再根據動力定位操作員對於數據段長度的設置，記錄波峰波谷並進行周期計算(I)設船舶在某海況下進行動力定位作業，此時船舶採用圖2中的硬體連接形式對船體縱橫搖周期進行計算，包括一臺運動傳感器和內嵌周期計算軟體的動力定位顯控臺，運動傳感器靠船體右舷、在船體中部安裝，以獲得均值為零和不為零的兩組橫搖測量數據；(2)測量船體在給定海洋環境下的縱橫搖角度，得到包括傳感器噪聲的測量值如圖3、4所示；(3)設計歸一化截止頻率為O. 2赫茲，歸一化截止頻率為O. 1320的二階巴特沃斯低頻濾波器對測量值進行濾波，濾波器形式如下x( ·)為濾波前測量數據y(·)為濾波後數據ak = [1-1. 42460. 5565]、bk = [O. 03300. 06600. 0330]為濾波器參數
32v(n) = [ aky{n-々)+[ bkx(n - k)
fc二O圖5、6為濾波後的船體縱橫搖角度。(4)得到去噪聲的縱橫搖高頻角度值後，進行周期計算，選取數據段長度為L =10，運動傳感器採樣周期為O. 2s，進行周期計算，計算結果如圖7、8所示。實例說明了本發明可以通過縱橫搖角度計算船體縱橫搖周期，為動力定位操作員提供準確、可靠的數據。
權利要求
1.一種動力定位船舶的縱橫搖周期測量方法，其特徵是，包括如下步驟 (1)獲取船體縱橫搖角度，動力定位系統的採樣頻率Π，其中Π小于波浪的高頻振蕩頻率f; (2)對縱橫搖角度進行濾波去噪處理； (3)根據濾波去噪後的縱橫搖角度值，獲取船體縱橫搖周期。
2.根據權利要求I所述的一種動力定位船舶的縱橫搖周期測量方法，其特徵是，所述的對縱橫搖角度進行濾波去噪處理後的數據為
3.根據權利要求I或2所述的一種動力定位船舶的縱橫搖周期測量方法，其特徵是，所述船體縱橫搖周期為T = 2t(ni-mi)/L, 其中t為運動傳感器採樣周期，T為縱橫搖周期，L為波峰和波谷總數，當(yi-yj(yi+1-yi) < O時，Hii為L長度數據段中，第一個波峰/谷的數據點序號，η,表示L長度數據段中，最後一個波峰/谷的數據點序號。
全文摘要
本發明涉及船舶動力定位領域，具體涉及一種適用於動力定位船舶的縱橫搖周期測量方法。本發明包括(1)獲取船體縱橫搖角度，動力定位系統的採樣頻率f1，其中f1小于波浪的高頻振蕩頻率f；(2)對縱橫搖角度進行濾波去噪處理；(3)根據濾波去噪後的縱橫搖角度值，獲取船體縱橫搖周期。相比於傳統硬體周期測量方法，本發明不需要額外的實體裝置，只利用動力定位系統中的運動傳感器，給出船體搖擺周期，使用方式更加簡便。操作員不必單純憑藉經驗對外部海洋環境進行估計，進一步完善了船舶動力定位系統。
文檔編號G01C9/00GK102853817SQ20121014996
公開日2013年1月2日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者付明玉, 謝文博, 邊信黔, 丁福光, 王元慧 申請人:哈爾濱工程大學