一种基于惯性测量系统的波浪测量方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，利用惯性测量元件加速度计和陀螺仪进行运动物体的载体运动测量，通过加速度计和陀螺仪分别测量运动载体于载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角；然后对载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角转换为地理坐标系下的三个方向的加速度a(n)和姿态角，得到运动物体相对于地理坐标系下的运动信息，同时采用直流分量去除、数值积分和趋势项去除等算法对地理坐标系下的信号处理，从而得到波高的特征值及其对应的波周期。本发明专利技术提供的方法能够将采集到的加速度信号以及姿态信号转换为地理坐标系下的加速度信号后能够对加速度信号进行积分，并且去除噪声，提高测量波浪波高和周期的准确性和精确度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性测量系统的波浪测量方法
本专利技术属于海洋监测
，具体涉及一种基于惯性测量系统的波浪测量方法。
技术介绍
波浪是表层海水运动的重要形式之一，准确及时地检测波浪大小与变化，可以更好地了解海洋的变化，探究海水运动规律，便于人类更好的开发利用海洋资源。同时，对于港口建设、航海安全和灾害预警等方面起着至关重要的作用。基于加速度传感器的波浪测量方法，加速度信号的积分算法直接影响波浪测量的准确性，不经处理直接进行二次积分所获得的位移结果，即波浪高度，会存在严重的低频噪声，导致结果错误。因此急需一种能够将采集到的加速度信号以及姿态信号转换为地理坐标系下的加速度信号后能够对加速度信号进行积分，并且去除噪声，提高测量波浪波高和周期的准确性和精确度的基于惯性测量系统的波浪测量方法。
技术实现思路
本专利技术针对上述缺陷，提供一种能够将采集到的加速度信号以及姿态信号转换为地理坐标系下的加速度信号后能够对加速度信号进行积分，并且去除噪声，提高测量波浪波高和周期的准确性和精确度的基于惯性测量系统的波浪测量方法。本专利技术提供如下技术方案：一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，所述方法利用惯性测量元件加速度计和陀螺仪进行运动物体的载体运动测量，通过所述加速度计和陀螺仪分别测量运动载体于载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角，所述姿态角包括横滚角α、俯仰角β和航向角θ；然后对载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角转换为地理坐标系下的三个方向的加速度a(n)和姿态角，得到运动物体相对于地理坐标系下的运动信息，包括以下步骤：S1：构建坐标系OXnYnZn为地理坐标系，Xn、Yn、Zn分别指向运动物体的东向、北向和天向；坐标系OXcYcZc为载体坐标系，Xc、Yc、Zc分别指向运动物体的右向、前向和垂直于运动物体表面的方向；S2：将所述地理坐标系OXnYnZn绕-OZn轴旋转所述航向角θ的角度，得到坐标系OXaYaZa；S3：然后绕OXa轴旋转所述横滚角α的角度得到坐标系OXbYbZb；S4：最后绕绕OYb轴旋转角度β，最终得到载体坐标系OXcYcZc，并得到所述载体坐标系下的姿态矩阵S5：采用所述陀螺仪利用所述姿态矩阵计算坐标系OXbYbZb下的姿态矩阵再利用所述姿态矩阵计算地理坐标系的姿态矩阵T，并通过姿态角与姿态矩阵之间的相互转换得到地理坐标系下的姿态角横滚角α、俯仰角β和航向角θ的主值，采用直流分量去除算法处理载体坐标系下的三个方向的加速度a(n)、对去直流分量后的加速度信号a′(n)进行数值积分，然后采用趋势项去除算法对载体坐标系下的横滚角α、俯仰角β和航向角θ的主值处理，从而得到波浪波高的特征值及其对应的波周期。进一步地，所述波浪测量方法中的惯性测量系统坐标系与地理坐标系是重合的，运载体输出的是载体坐标系下的运动信息。进一步地，所述姿态矩阵的计算公式为：进一步地，利用所述姿态矩阵计算地理坐标系的姿态矩阵T的计算公式如下：进一步地，姿态角与姿态矩阵之间的相互转换，得到地理坐标系下的姿态角横滚角α、俯仰角β和航向角θ的主值计算公式如下：其中，Tij为姿态矩阵对应姿态角横滚角α、俯仰角β和航向角θ的向量值。进一步地，姿态角横滚角α、俯仰角β和航向角θ的主值计算公式如下：其中，α主为横滚角α的主值，β主为俯仰角β的主值，θ主为航向角θ的主值。进一步地，所述直流分量去除算法为求所有信号数据的平均值就是直流分量，采用载体坐标系下的三个方向的加速度a(n)计算去直流分量后的加速度信号a′(n)：其中，i＝0,1,2,…,n-1。进一步地，采用时域积分算法中的Simpson公式对去直流分量后的加速度信号a′(n)进行数值积分处理，包括以下步骤：1)将加速度信号进行一次积分和二次积分便可分别得到速度信号和位移信号，构建去直流分量后的加速度信号集合{a′(i)，i＝1，2，...，n}，设定采样频率为Fs，计算去直流分量后加速度信号对应的速度信号v(i)：2)根据所述步骤1)得到的速度信号v(i)计算所述速度信号v(i)的位移信号s(i)：其中，i＝0,1,2,…,n-1；当i-1为负数时，s(i-1)为0。进一步地，对去直流分量后的加速度信号进行数值积分，会产生多项式趋势项，这会导致速度和位移信号发生畸变。因此，对加速度信号进行处理时，除了去除直流分量，还需要消除积分过程中的多项式趋势项。所述趋势项修正算法为滑动平均算法，包括以下步骤：M1：对加速度信号a′(n)数值积分后得到的信号xi，进行曲线拟合出相应的趋势项x′i：x′i＝(xi+...+xm+i-1)/ni＝0,1,2,…,n，n为加速度信号a′(n)的数据量，m为滑动时移动的步长；M2：然后将数值积分后得到的信号中的趋势项去除，利用加速度信号a′(n)数值积分后得到的信号xi减去所述相应的趋势项x′i即可得到消除趋势项后的信号yi：yi＝xi-x|i。本专利技术的有益效果为：1、现有技术中在进行波浪测量时，得到的原始加速度信号，经过加速度传感器的信号采集、传输线缆的信号传输等一系列将模拟信号转化为数字信号的过程时，会产生其他的干扰信号，导致加速度信号发生零点漂移的现象。该现象产生的直流分量使得误差在积分过程中累加放大甚至会使波形发生畸变，所以在积分前需对原始加速度信号数据进行直流分量的去除。本专利技术提供的方法对加速度信号在积分前后进行处理，能够有效提高波浪测量算法准确度和可靠度。2、本专利技术提供的方法利用惯性测量元件加速度计和陀螺仪进行载体运动的测量，通过加速度计和陀螺仪分别测量运动载体的三个方向的加速度和姿态角，得到物体相对于载体坐标系下的运动信息，经过姿态矩阵转换到地理坐标系下，同时采用直流分量去除、数值积分和趋势项去除等算法对地理坐标系下的信号处理，从而得到波高的特征值及其对应的波周期。附图说明在下文中将基于实施例并参考附图来对本专利技术进行更详细的描述。其中：图1为本专利技术提供的方法所采用的惯性测量系统示意图；图2为本专利技术提供的方法中坐标系旋转流程图；图3为本专利技术提供的方法中各个坐标系转换关系图。具体实施例方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，如图1所示，所述方法利用惯性测量元件加速度计和陀螺仪进行运动物体的载体运动测量，通过所述加速度计和陀螺仪分别测量运动载体于载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角，所述姿态角包括横滚角α、俯仰角β和航向角θ；然后对载体坐标系下的三个方向的加速度和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，其特征在于，所述方法利用惯性测量元件加速度计和陀螺仪进行运动物体的载体运动测量，通过所述加速度计和陀螺仪分别测量运动载体于载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角，所述姿态角包括横滚角α、俯仰角β和航向角θ；然后对载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角转换为地理坐标系下的三个方向的加速度a(n)和姿态角，得到运动物体相对于地理坐标系下的运动信息，包括以下步骤：/nS1：构建坐标系OX

【技术特征摘要】
1.一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，其特征在于，所述方法利用惯性测量元件加速度计和陀螺仪进行运动物体的载体运动测量，通过所述加速度计和陀螺仪分别测量运动载体于载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角，所述姿态角包括横滚角α、俯仰角β和航向角θ；然后对载体坐标系下的三个方向的加速度和姿态角转换为地理坐标系下的三个方向的加速度a(n)和姿态角，得到运动物体相对于地理坐标系下的运动信息，包括以下步骤：
S1：构建坐标系OXnYnZn为地理坐标系，Xn、Yn、Zn分别指向运动物体的东向、北向和天向；坐标系OXcYcZc为载体坐标系，Xc、Yc、Zc分别指向运动物体的右向、前向和垂直于运动物体表面的方向；
S2：将所述地理坐标系OXnYnZn绕-OZn轴旋转所述航向角θ的角度，得到坐标系OXaYaZa；
S3：然后绕OXa轴旋转所述横滚角α的角度得到坐标系OXbYbZb；
S4：最后绕绕OYb轴旋转角度β，最终得到载体坐标系OXcYcZc，并得到所述载体坐标系下的姿态矩阵
S5：采用所述陀螺仪利用所述姿态矩阵计算坐标系OXbYbZb下的姿态矩阵再利用所述姿态矩阵计算地理坐标系的姿态矩阵T，并通过姿态角与姿态矩阵之间的相互转换得到地理坐标系下的姿态角横滚角α、俯仰角β和航向角θ的主值，采用直流分量去除算法处理载体坐标系下的三个方向的加速度a(n)、对去直流分量后的加速度信号a′(n)进行数值积分，然后采用趋势项去除算法对载体坐标系下的横滚角α、俯仰角β和航向角θ的主值处理，从而得到波浪波高的特征值及其对应的波周期。


2.根据权利要求1所述的一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，其特征在于，所述波浪测量方法中的惯性测量系统坐标系与地理坐标系是重合的，运载体输出的是载体坐标系下的运动信息。


3.根据权利要求1所述的一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，其特征在于，所述姿态矩阵的计算公式为：





4.根据权利要求1所述的一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，其特征在于，利用所述姿态矩阵计算地理坐标系的姿态矩阵T的计算公式如下：





5.根据权利要求1所述的一种基于惯性测量系统的波浪测量方法，其特征在于，姿态角与姿态矩阵之间的相互转换，得到地理坐标系下的姿态角横滚角α、俯仰角β和航向角θ的主...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨睿，梁尔冰，陈新，吕冰冰，陈卓，
申请(专利权)人：湖南国天电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43