一種採用定向超聲波測量船舶對水速度和方向的方法與流程

2023-04-23 17:18:27

本發明屬於船舶應用技術領域，具體地說是一種測量船舶對水速度和方向的方法。

背景技術：

船舶在航行過程中，對水速度和方向對於船舶的控制和航行是非常重要的一個參考量，現有的船速測量使用的都卜勒船速儀，gnss組合導航系統等測量的是對地速度，而且多適用於大型船艦。隨著市場需求的發展，越來越多的小型無人船艇(船長3m以內)開始出現，上述測量方式對於小型無人船艇並不適用，採用gps/北鬥等導航衛星方式測量對水速度對於小型船艇誤差較大，採用差分gps等高精度設備可以滿足小型無人船艇的測量使用需求，但是極大地限制了小型無人船艇的使用環境，抬高了小型無人船艇的製造成本，不利於小型無人船艇的推廣應用。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種可適用於船舶對水速度和方向測量的方法，其目的在於可以測量包括但不限於小型船艇的對水速度和方向。

為了解決上述技術問題，本發明採用以下步驟：

(權1)。

總體而言，通過本發明中的技術方案與現有的技術相比，具有以下優點：

(1)測量實時性好，精度高。

(2)適用範圍廣，對船舶尺寸沒有要求。

(3)抗幹擾能力強，能夠適用於河水、海水等多種場合。

(4)成本低。

附圖說明

圖1超聲波收發器安裝位置示意圖，圖2為使用超聲波收發器測量船舶對水速度和方向的示意圖，圖3為計算船舶對水速度和方向的示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案以及優點更加清楚明白，將結合附圖對本發明進一步詳細說明。具體步驟如下：

步驟1：將四個定向超聲波收發器(編號為1，2，3，4)兩兩配對(1與2配對，3與4配對)形成超聲波收發器組安裝在船底，並使得兩對超聲波收發器安裝位置呈互相垂直狀態(如圖1所示)，圖中1，2，3，4分別為相同的超聲波收發器，l1為超聲波收發器1，2之間的距離，l2為超聲波收發器3，4之間的距離，確定超聲波收發器之間的安裝距離l1和l2；

步驟2：在船舶行駛過程中的每一個測量時間段內，每對超聲波收發器組輪流發送定向超聲波，測量超聲波在收發器內之間傳播所需要的時間(如圖2所示)，t1，t2，t3，t4為超聲波單次傳播需要的時間。重複該過程n次，得到超聲波收發器組內兩個不同的超聲波收發器收到的超聲波平均傳播時間詳細步驟如下：

步驟2.1：超聲波模塊1發出超聲波，超聲波模塊2接收，超聲波速度為vws-vwx，測量出超聲波在模塊1和模塊2之間的傳播時間t1，計算超聲波在模塊1和模塊2之間的平均傳播時間

步驟2.2：超聲波模塊2發出超聲波，超聲波模塊1接收，超聲波速度為vws+vwx，測量出超聲波在模塊2和模塊1之間的傳播時間t2，計算超聲波在模塊1和模塊2之間的平均傳播時間

步驟2.3：超聲波模塊3發出超聲波，超聲波模塊4接收，超聲波速度為vws+vwy，測量出超聲波在模塊3和模塊4之間的傳播時間t3，計算超聲波在模塊1和模塊2之間的平均傳播時間

步驟2.4：超聲波模塊4發出超聲波，超聲波模塊3接收，超聲波速度為vws-vwy，測量出超聲波在模塊4和模塊3之間的傳播時間t4，計算超聲波在模塊1和模塊2之間的平均傳播時間

步驟3：由於超聲波在水中傳播的速度極快，可以認為在測量時間內，水流的速度和方向保持不變，根據上一步驟的超聲波平均傳播時間以及同一對超聲波收發器之間的安裝距離計算與船舶行駛方向平行(x軸)的水流速度和垂直於船舶行駛方向(y軸)的水流速度，詳細步驟如下：

步驟3.1：對於測量x軸方向的對水速度，由時間和安裝距離l1計算出

步驟3.2：對於測量y軸方向的水流速度，由時間和安裝距離l2計算出

步驟4：計算出當前測量時間段內水流的速度和方向(見圖3)，

步驟4.1：船舶對水速度

步驟4.2：船舶對水方向α∈(-π,π]

當vy≥0時，

當vy<0時，

並返回步驟2開始下一次測量。