一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法及系统，所述方法包括：获取惯性传感器采集的加速度和角速度；基于加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的线加速度；基于海浪频谱范围内的线加速度，通过二次积分计算惯性传感器的运动幅度。本发明专利技术的方法能够在任意海浪情况下，实时检测惯性传感器受海浪影响的运动幅度；此外，该方法能够消除噪声的累积误差的影响，获得较为准确的惯性传感器受海浪影响的运动位移的结果。

A method and system for detecting the motion amplitude of inertial sensor affected by sea waves

【技术实现步骤摘要】
一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法及系统
本专利技术涉及海洋监测领域，具体涉及一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法及系统。
技术介绍
海浪是海面起伏形状的传播，是水质点离开平衡位置，作周期性振动，并向一定方向传播而形成的一种波动，水质点的振动能形成动能，海浪起伏能产生势能，这两种能的累计数量是惊人的。在全球海洋中，仅风浪和涌浪的总能量相当于到达地球外侧太阳能量的一半。海浪的能量沿着海浪传播的方向滚滚向前。因而，海浪实际上又是能量的波形传播。海浪波动周期从零点几秒到数小时以上，波高从几毫米到几十米，波长从几毫米到数千千米。风浪、涌浪和近岸波的波高几厘米到20余米，最大可达30米以上。风浪是海水受到风力的作用而产生的波动，可同时出现许多高低长短不同的波，波面较陡，波长较短，波峰附近常有浪花或片片泡沫，传播方向与风向一致。一般而言，状态相同的风作用于海面时间越长，海域范围越大，风浪就越强；当风浪达到充分成长状态时，便不再继续增大。风浪离开风吹的区域后所形成的波浪称为涌浪。根据波高大小，通常将风浪分为10个等级，将涌浪分为5个等级。0级无浪无涌，海面水平如镜；5级大浪、6级巨浪，对应4级大涌，波高2～6米；7级狂浪、8级狂涛、9级怒涛，对应5级巨涌，波高6.1米到10多米。海洋波动是海水重要的运动形式之一。从海面到海洋内部，处处都存在着波动。大洋中如果海面宽广、风速大、风向稳定、吹刮时间长，海浪必定很强，如南北半球西风带的洋面上，常的浪涛滚滚；赤道无风带和南北半球副热带无风带海域，虽然水面开阔，但因风力微弱，风向不定，海浪一般都很小。海浪可视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、相位杂乱的组成波组成。这些组成波便构成海浪谱。此谱描述海浪能量相对于个组成波的分布，故又名“能量谱”。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。为研究海浪的重要概念。通常假定海浪由许多随机的正弧波叠加而成。不同频率的组成波具有不同的振幅，从而具有不同的能量。设有圆频率ω的函数S(ω)，在ω至(ω+ω)的间隔内，海浪各组成波的能量与S(ω)ω成比例,则S(ω)表示这些组成波的能量大小，它代表能量对频率的分布，故称为海浪的频谱或能谱。同样,设有一个包含组成波的圆频率ω和波向θ的函数S(ω，θ)，且在ω至(ω+ω)和θ至(θ+ω)的间隔内，各组成波的能量和S(ω,θ)ωθ成比例，则S(ω，θ)代表能量对ω和θ的分布，称为海浪的方向谱。将组成波的圆频率换为波数，可得到波数谱；将ω换为2π(频率为周期的倒)，得到以表示的频谱S()数。以上各种谱统称为海浪谱。计算海浪谱的方法包括两种：第一种是利用观测得到的波高、周期的推导，得出半理论、半经验形式的海浪谱；第二种是利用某一固定点测得的波面随时间变化的这段记录，来推算相关函数，然后求谱。也有通过建立能量平衡方程式来求谱。目前得到的谱，主要是建立在观测数据的基础上求出的。但由于目前尚缺乏精确的风和海浪的观测资料，故已提出的一些谱，彼此相差较大。海浪谱的分析研究是很重要的，根据海浪谱，可以较合理地设计防坡堤及海面对雷达的反射部分，利用海浪谱，可以算出波高、周期等海浪要素。对于海上的船舶和浮标，检测其运动起伏幅度非常重要，但是，目前缺乏相关的有效手段和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法及系统。为了实现上述目的，本专利技术提出了一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法，所述方法包括：获取惯性传感器采集的加速度和角速度；基于加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的线加速度；基于海浪频谱范围内的线加速度，通过二次积分计算惯性传感器的运动幅度。作为上述方法的一种改进，所述基于惯性传感器采集的加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；具体包括：在t时刻、传感器体坐标系下，惯性传感器的检测数据为：其中为传感器体坐标系下，惯性传感器在x,y,z三个方向的加速度，单位为m/s2；为传感器体坐标系下，惯性传感器在翻转、俯仰、偏航三个角度上的角速度，单位为rad/s；根据惯性传感器的旋转矩阵R(t)，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度线加速度减去重力加速度，得到消除重力影响后的加速度f(t)：其中，为的三个分量；fx(t),fy(t),fz(t)分别为惯性传感器消除重力影响后在x,y,z方向上的线加速度。作为上述方法的一种改进，所述惯性传感器的旋转矩阵R(t)的计算步骤，具体包括：其中，s为加权参数；则kP的大小决定互补滤波器的截止频率，kI的大小决定了消除静态偏差的时间，kI的大小为kP的0.01～0.1倍；Rw(t)为惯性传感器在t时刻的基于陀螺仪的旋转矩阵，设传感器数据采集的周期为δt，则惯性传感器在t+δt时刻的基于陀螺仪的旋转矩阵为Rw(t+δt)：当t＝0时，Rw(t)为单位矩阵；Ra(t)为惯性传感器在t时刻的基于加速度传感器的旋转矩阵：其中，θ(t)、φ(t)和ψ(t)分别为加速度传感器检测的俯仰角、横滚角和偏航角：作为上述方法的一种改进，所述利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的线加速度；具体为：设计一个截止频率为0.04Hz和0.25Hz、采样频率为100Hz，传递函数为H(s)的带通滤波器：利用该带通滤波器对叠加低频和高频噪声的线加速度f(t)进行滤波。作为上述方法的一种改进，所述基于海浪频谱范围内的线加速度，通过二次积分计算惯性传感器的运动幅度，具体为：采用二次积分的方法计算惯性传感器在三维空间的位置和运动速度，从而估算运动幅度：其中vx(t),vy(t),vz(t)代表t时刻惯性传感器的世界坐标系下的运动速度，px(t),py(t),pz(t)代表t时刻惯性传感器的空间位置，px(0)＝py(0)＝pz(0)＝0，vx(0)＝vy(0)＝vz(0)＝0。作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：对惯性传感器在三维空间的位置和运动速度进行滤波的步骤：采用传递函数为H1(s)的高通滤波器对px(t),py(t),pz(t)和vx(t),vy(t),vz(t)进行滤波：所述高通滤波器的截止频率为0.01Hz。本专利技术还提供了一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测系统，所述系统包括：检测模块，用于获取惯性传感器采集的加速度和角速度；计算模块，用于基于加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；利用带通滤波器对惯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法，所述方法包括：/n获取惯性传感器采集的加速度和角速度；/n基于加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；/n利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的线加速度；/n基于海浪频谱范围内的线加速度，通过二次积分计算惯性传感器的运动幅度。/n

【技术特征摘要】
1.一种受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法，所述方法包括：
获取惯性传感器采集的加速度和角速度；
基于加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；
利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的线加速度；
基于海浪频谱范围内的线加速度，通过二次积分计算惯性传感器的运动幅度。


2.根据权利要求1所述的受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法，其特征在于，所述基于惯性传感器采集的加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；具体包括：
在t时刻、传感器体坐标系下，惯性传感器的检测数据为：



其中为传感器体坐标系下，惯性传感器在x,y,z三个方向的加速度，单位为m/s2；为传感器体坐标系下，惯性传感器在翻转、俯仰、偏航三个角度上的角速度，单位为rad/s；
根据惯性传感器的旋转矩阵R(t)，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度



线加速度减去重力加速度，得到消除重力影响后的加速度f(t)：



其中，为的三个分量；fx(t),fy(t),fz(t)分别为惯性传感器消除重力影响后在x,y,z方向上的线加速度。


3.根据权利要求2所述的受海浪影响的惯性传感器的运动幅度检测方法，其特征在于，所述惯性传感器的旋转矩阵R(t)的计算步骤，具体包括：



其中，s为加权参数；则kP的大小决定互补滤波器的截止频率，kI的大小决定了消除静态偏差的时间，kI的大小为kP的0.01～0.1倍；
Rw(t)为惯性传感器在t时刻的基于陀螺仪的旋转矩阵，设传感器数据采集的周期为δt，则惯性传感器在t+δt时刻的基于陀螺仪的旋转矩阵为Rw(t+δt)：



当t＝0时，Rw(t)为单位矩阵；
Ra(t)为惯性传感器在t时刻的基于加速度传感器的旋转矩阵：



...

【专利技术属性】
技术研发人员：文捷，王永才，李东升，姚治萱，周昱城，耿雄飞，张明睿，
申请(专利权)人：交通运输部水运科学研究所，中国人民大学，
类型：发明
国别省市：北京;11