基于制造技术

本申请涉及新一代信息技术领域，尤其涉及基于

【技术实现步骤摘要】
基于IMU船舶姿态监测系统及其算法


[0001]本申请属于新一代信息
，更具体地说，是涉及一种基于
IMU
船舶姿态监测系统及其算法
。

技术介绍

[0002]船用惯性测量器件内部主要由加速度计和陀螺仪构成，而测量精确性主要有内部器件的精度决定
。
国外研究者经过长期研究，已经研究出高精度的测量器件，并且在实际工程应用中被广泛使用
。
目前被广泛应用于船舶姿态测量的产品时运动参考单元（
Motion reference unit
，
MRU
），除了测量姿态，该产品还能测量升沉信息，其内部精度由内部惯性测量期间精度与相关算法的设计精度决定
。
由于惯性元件（如微惯性陀螺仪
、
加速度计和磁阻仪）的特性问题和外界环境的复杂干扰，它们单独使用时可能会产生误差和偏差
。
因此，组合姿态测量系统的应用日益广泛，它能够成功克服各个传感器的缺陷，从而取长补短，提高姿态测量的精度
。
>卡尔曼滤波算法主要本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
IMU
船舶姿态监测系统，包括上位机和下位机，其特征在于：所述下位机将电路姿态检测的数据发送至上位机；所述上位机包括上位机姿态监测模块；所述下位机包括硬件电路模块
、
姿态解算算法模块
、
通信模块，所述硬件电路模块
、
姿态解算算法模块
、
通信模块均设置在主控板上
。2.
如权利要求1所述的基于
IMU
船舶姿态监测系统，其特征在于：所述上位机检测模块包括串口调试助手
、
网络调试助手
、Processing 3D
模型；所述串口调试助手用于绘制姿态角的波形图，所述网络调试助手用于接收
4G
工业路由器发送的姿态信息，所述
Processing 3D
模型用于实时展现姿态信息；所述姿态解算算法模块，采用欧拉算法分解加速度计和陀螺仪的原始数据，并采用卡尔曼滤波融合算法实现数据融合，得到滤波融合后数据，将滤波融合后数据与解算数据进行比较；所述通信模块，包括
4G
通信模块，下位机通过
4G
通信模块进行姿态数据的传输，下位机的姿态数据通过下位机自带的串口传输至串口转网口模块，串口转网口模块经网口再将姿态数据传输至
4G
工业路由器，由
4G
工业路由器通过
TCP
协议传输至上位机
。3.
如权利要求2所述的基于
IMU
船舶姿态监测系统，其特征在于：所述串口转网口模块的参数设置步骤如下：步骤一，设置串口转网口模块的
IP
地址，使得任何接入路由器的网络模块自动被分配
IP
地址，该
IP
地址为
4G
工业路由器在设置好的
DHCP
的
IP
池中顺序分配；步骤二，设置串口参数，该串口参数需与下位机自带的串口发送的参数一致；步骤三，设置网口发送的目标
IP
和端口号，即为映射的外网域名的
IP
和端口号；步骤四，设置串口转网口模块的工作方式为
TCP Client
模式
。4.
基于
IMU
船舶姿态监测算法，其特征在于：包括以下步骤：步骤
S1
，计算加速度计的载体坐标系下的
X
轴
、Y
轴和
Z
轴的新坐标；步骤
S2
，计算陀螺仪的载体坐标系下的
X
轴
、Y
轴和
Z
轴的新坐标，然后将其新坐标转换为大地坐标系下的
X
轴
、Y
轴和
Z
轴坐标；步骤
S3
，对加速度计和陀螺仪测量解算的姿态角数据进行卡尔曼互补融合运算
。5.
如权利要求4所述的基于
IMU
船舶姿态监测算法，其特征在于：步骤
S1
中，加速度计用于测量载体的加速度；当载体处于静止状态时，加速度计为水平静止放置，大地坐标系与载体坐标系重合，加速计测量到的加速度为重力加速度，此时测量到的加速度向量坐标为
(0,0,g)
；加速度计依次绕着
Z
轴
、Y
轴
、X
轴分别旋转姿态
Yaw
角
、Roll
角
、Pitch
角之后，加速度计测得新的载体坐标系下的三轴加速度，获得
X
轴
、Y
轴和
Z
轴的新坐标；加速度计依次绕着
Z
轴
、Y
轴
、X
轴分别旋转姿态
Yaw
角
、Roll
角
、Pitch
角，表示为公式（1）：
（1）其中，
、、
分别是新的载体坐标系下，加速度计测得
X
轴，
Y
轴，
Z
轴的角速度；为载体坐标系绕
X
轴的旋转矩阵；为载体坐标系绕
Y
轴的旋转矩阵；为载体坐标系绕
Z
轴的旋转矩阵；为绕
Y
轴旋转的角度；为绕
Z
轴旋转的角度；为绕
X
轴旋转的角度；为重力加速度；解算公式（1），得到
roll
角和
pitch
角：
。6.
如权利要求4所述的基于
IMU
船舶姿态监测算法，其特征在于：步骤
S2
中，陀螺仪用于测量载体绕
Z
轴
、Y
轴
、X
轴旋转的角速度，对测得的
Z
轴
、Y
轴
、X
轴旋转的角速度进行时间积分，转换求得姿态
Yaw
角
、Roll
角
、Pitch
角
。7.
如权利要求6所述的基于
IMU
船舶姿态监测算法，其特征在于：当陀螺仪在上一个时刻（）测得的姿态角为
ro...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新胜，周志权，李洋，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：