一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統的制作方法
【專利摘要】本發明屬于船體姿態信息估計領域，具體的說是一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統。包括無跡卡爾曼濾波器、海浪擾動估計器、海浪浪高估計器，船上測量系統的加速度傳感器、慣性陀螺儀測出船體姿態信息，海浪擾動估計器接收作用在船上的控制量的同時接收無跡卡爾曼濾波器的輸出的水動力系數估計值，得到海浪擾動估計器輸出的海浪擾動力、力矩估計序列，浪高估計器接收海浪擾動力、力矩估計序列后，得到海浪浪高估計序列。本發明可以很好的解決所用船體運動方程參數未知和不確定性的情況，最后利用船體姿態反推出的船體所受的海浪擾動間接的求出海浪浪高，達到了較高的計算精度。
【專利說明】一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統
【技術領域】
[0001] 本發明屬于船體姿態信息估計領域，具體的說是一種基于船體姿態信息估計海浪 浪1?的系統。
【背景技術】
[0002] 海洋是世界重要的組成部分，要對其進行研究，首先要考慮海浪，我們知道，海浪 是海洋中的一種普遍自然現象，它是由海水的不規則波動而產生的，并且影響著人們在海 上的各種活動，無論是民用的漁船，還是軍用船舶，在海上航行時都會因為海浪的影響而產 生劇烈搖蕩，輕則影響航行，重則可能會損壞船只或者使其沉沒，因此為了減小海浪對海上 航行船只的威脅性，對海浪特性的研究有著相當重要的意義。
[0003] 在了解海浪特性方面，傳統的系統是運用一些儀器來測量海浪的相關數據，在實 際中有不少船只使用浪高儀來測量浪高，對于這種情況，同樣也會出現一些問題，如浪高儀 本身的故障以及浪級上的限制，也就是說浪高儀并不是在任何情況下都是可以使用的，它 具有一定的局限性，當然也有比較先進的船只配備了隨船海浪攝像測量系統，這種系統雖 然也可以達到目的，但是由于其復雜性以及價格昂貴，使其不能在所有船只都能使用，這也 就限制了這種系統的應用范圍。綜合考慮這些系統都并不太令人滿意，因此找出更好的測 量海浪浪高的系統，增加船舶在航行時的安全性，仍是當前重要的課題。
[0004] 對于傳統的使用儀器測量海浪浪高的系統中，浪高儀的工作原理是在使用時需要 投放測量海域，利用其中傳感器進行測量計算而輸出相應的浪高數據，待測量完畢后進行 回收，而同樣的原理，將海中航行的船體作為一個浪高儀時，利用船體自身的一些航行姿態 變量對海浪的浪高進行計算，同樣也可以得到相應的信息，并且減少了投放與回收的過程， 更加方便。
[0005] 本發明通過建立的船體運動方程，應用無跡卡爾曼濾波器對船體模型參數進行辨 識，并依此反推出船體所受的海浪擾動。通過運用神經網絡的系統找出海浪擾動與海浪浪 高之間的關系，間接求出海浪浪高。這其中并沒有運用新的測量儀器，只是運用船體在海中 航行的過程中提供的一些航行參數，該法是一種較為安全、便捷的海浪浪高測量系統。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種更高計算精度的基于船體姿態信息估計海浪浪高的 系統。
[0007] 本發明的目的是這樣實現的
[0008] 基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統，包括無跡卡爾曼濾波器（1)、海浪擾動估 計器（2)、海浪浪高估計器（3)，船上測量系統的加速度傳感器、慣性陀螺儀測出船體姿態 信息：縱蕩速度、橫蕩速度、艏搖角速度，傳遞給無跡卡爾曼濾波器（1)，將作用在船上的控 制量分別發送給無跡卡爾曼濾波器（1)和海浪擾動估計器（2)，無跡卡爾曼濾波器（1)同時 接收船體姿態信息和作用在船上的控制量后得到水動力系數估計值；海浪擾動估計器（2) 接收作用在船上的控制量的同時接收無跡卡爾曼濾波器（1)的輸出的水動力系數估計值， 得到海浪擾動估計器（2)輸出的海浪擾動力、力矩估計序列，浪高估計器（3)接收海浪擾動 力、力矩估計序列后，得到海浪浪1?估計序列。
[0009] 無跡卡爾曼濾波器是通過sigma點發生器獲取sigma點，經過非線性狀態函數進 行時間更新獲得狀態一步預報和狀態一步預報協方差，經過非線性量測函數進行測量更新 獲得輸出預測、輸出預測自協方差和輸出預測互方差，將實際輸出值、輸出預測、輸出預測 自協方差、輸出預測互協方差、狀態一步預報和狀態一步預報協方差送給狀態估計器后得 到水動力系數估計值；所述的非線性狀態函數和非線性量測函數為：
[0010]
【權利要求】
1. 一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統，其特征在于：包括無跡卡爾曼濾波器 (1)、海浪擾動估計器（2)、海浪浪高估計器（3)，船上測量系統的加速度傳感器、慣性陀螺 儀測出船體姿態信息：縱蕩速度、橫蕩速度、艏搖角速度，傳遞給無跡卡爾曼濾波器（1)，將 作用在船上的控制量分別發送給無跡卡爾曼濾波器（1)和海浪擾動估計器（2)，無跡卡爾 曼濾波器（1)同時接收船體姿態信息和作用在船上的控制量后得到水動力系數估計值；海 浪擾動估計器（2)接收作用在船上的控制量的同時接收無跡卡爾曼濾波器（1)的輸出的水 動力系數估計值，得到海浪擾動估計器（2)輸出的海浪擾動力、力矩估計序列，浪高估計器 (3)接收海浪擾動力、力矩估計序列后，得到海浪浪高估計序列。
2. 根據權利要求1所述的一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統，其特征在于： 所述的無跡卡爾曼濾波器是通過sigma點發生器獲取sigma點，經過非線性狀態函數進行 時間更新獲得狀態一步預報和狀態一步預報協方差，經過非線性量測函數進行測量更新獲 得輸出預測、輸出預測自協方差和輸出預測互方差，將實際輸出值、輸出預測、輸出預測自 協方差、輸出預測互協方差、狀態一步預報和狀態一步預報協方差送給狀態估計器后得到 水動力系數估計值；所述的非線性狀態函數和非線性量測函數為：
xk是η維狀態向量，yk是r維輸出向量，Θk是p維未知參數向量，Wk是n維狀態噪聲 向量，Vk是r維量測噪聲向量，是η+ρ維的狀態向量，Iik是ρ維狀態噪聲向量，此處，假 設序列wk，nk與Vk均為離散的高斯白噪聲； 所述的sigma點發生器是采用對稱采樣策略獲取sigma點：
3. 根根據權利要求2所述的一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統，其特征在 于：所述的時間更新是指將Sigma點集中的每一個點帶入到非線性狀態函數中去，
狀態一步預報為
狀態一步預報協方差為
4. 根根據權利要求3所述的一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統，其特征在 于：所述的測量更新是指基于時間更新中的狀態一步預報元和狀態一步預報協方差Px, k，利用sigma點發生器獲得sigma點名+ 經過非線性量測函數傳播
輸出預泖
輸出預測自協方差為
輸出預測互協方差為』
5.根據權利要求2所述的一種基于船體姿態信息估計海浪浪高的系統，其特征在于： 所述的狀態估計器是指運用實際輸出的值來修正計算的狀態后驗估計值： =xl^K( yk ^yi); 所述的實際輸出值是指通過測量系統得到的船體姿態信息，極縱蕩速度、橫蕩速度以 及艏搖角速度，測量系統是指線加速度傳感器、慣性陀螺儀，狀態后驗估計值是指水動力系 數及船體姿態辨識值，海浪擾動估計器為：
海浪浪尚估計器為： "
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【文檔編號】G01C5/00GK104316025SQ201410546129
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月16日 優先權日:2014年10月16日
【發明者】陳虹麗, 余沛, 王子元, 沈丹, 宋東輝, 高延濱, 何昆鵬 申請人:哈爾濱工程大學
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