【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及海面目标探测，具体而言，涉及一种无人艇载雷达位姿补偿装置及方法。
技术介绍
1、目前，现有专利多聚焦于波浪补偿装置机构设计，如一种多自由度波浪补偿并联平台及工作方法(专利号：cn202310170678.3)；一种具有波浪补偿功能的船用实验平台(专利号：cn202210262421.6)和一种六自由度波浪补偿平台(专利号：cn201810108376.2)，但其机械补偿能力有限，忽视了不同海浪、风速风力条件下的三维度运动数据内在关系，同时也忽视数据处理方法对于位姿补偿的重要性，导致不同海况背景下平稳装置应对能力有限，多自由度数据间的内在关系难以兼顾考虑。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是：
2、为了解决现有波浪补偿装置仅利用机械补偿，在不同海况背景下平稳装置应对能力有限，多自由度数据间的内在关系难以兼顾考虑的问题。
3、本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案：
4、本专利技术提供了一种无人艇载雷达位姿补偿装置，包括三维度支架，所述三维度支架包括雷达托盘和底座，所述雷达托盘与底座通过分别沿x轴、y轴和z轴方向设置的连杆控制结构连接，沿z轴设置的连杆控制结构的数量为一个，且位于雷达托盘和底座的中心处，沿x轴和y轴设置的连杆控制结构的数量分别为偶数个，沿x轴和y轴设置的连杆控制结构均分的设置在雷达托盘和底座的外沿处，用于控制雷达托盘沿x轴、y轴和z轴方向翻动和上下移动，所述底座用于固定在无人艇甲板上，所述连杆控制结构包
5、进一步地，沿x轴和y轴设置的连杆控制结构的数量分别为两个，且均位于雷达托盘和底座的外沿处；还包括雷达固定装置，所述雷达固定装置固定在雷达托盘的中心处，所述监测雷达固定在雷达固定装置上，所述监测雷达和报警装置可设置在雷达固定装置内。
6、进一步地，还包括数据处理装置、数据存储装置和电源，所述数据处理装置包括控制器，所述控制器内含有用于将运动传感器记录的三维度运动数据拟合三条自由度曲线并打包为数据帧发送给数据存储装置和远程终端的数据处理算法，所述控制器的输入端分别与监测雷达、电子水平仪和风速计连接，控制器的输出端分别与报警装置和沿x轴、y轴和z轴方向设置的连杆控制结构连接，用于通过控制器控制连杆控制结构(11)进行机械补偿。
7、进一步地，所述监测雷达可为79ghz高分辨率相控阵毫米波雷达，所述电子水平仪可为数字高精度电子水平仪，所述运动传感器可为六轴加速度陀螺仪，所述六轴加速度陀螺仪包括三轴数字加速度计和三轴数字陀螺仪。
8、一种无人艇载雷达位姿补偿方法，包括以下步骤：
9、步骤一、将雷达位姿补偿装置固定在测试用无人艇甲板上，底座与无人艇甲板平行，并随实际海面风浪分别沿x轴、y轴和z轴方向摆动，待运动传感器收集到一个周期内无人艇以及底座的三维运动数据之后，通过数据处理装置对三维运动数据进行预处理；
10、步骤二、通过对步骤一中预处理后的三维运动数据进行拟合，得到三条自由度曲线，结合不同海浪条件和风速风力条件，对这三条曲线进行分析，寻找三条曲线的共同点以及在不同环境变量下的差异性；
11、步骤三、分别对三条自由度曲线运动数据进行预测和更新，根据前一时刻x轴、y轴和z轴的运动数据来预测下一时刻无人艇随海浪的运动趋势，即无人艇姿态随海浪起伏变动的预测估值；
12、步骤四、利用无人艇姿态的预测估值，采用雷达数据自身补偿的方式或机械辅助补偿和雷达数据自身补偿相结合的方式对下一帧的雷达数据进行矫正，将经过矫正的雷达数据与实际观测数据进行对比，评估雷达补偿的准确性，后续再根据对比结果进行调整。
13、进一步地，在步骤一中，具体包括：
14、s1、确定当前实验的地点和时间周期，以及需要监测的无人艇和底座，每隔一定时间间隔进行一次数据采集，按照预定的时间间隔和检测周期，通过运动传感器获取沿x轴、y轴和z轴方向摆动的运动数据，将收集到的运动数据记录下来，对收集到的数据进行预处理或去除粗大误差；
15、s2、预处理或去除粗大误差的方法为3σ准则，对一组监测数据进行计算处理得到数据标准偏差σ和均值μ，获得数据的取值区间，将超出区间的数值定义为随机误差并去除，得到预处理后的三维运动数据。
16、进一步地，在步骤二中，具体包括：
17、s1、对预处理后的三维运动数据进行拟合，得到三条自由度曲线，
18、给定一组数据(xi,yi)，假设其拟合的多项式为n次多项式：
19、
20、其中，a0,a1,…,an为待确定的拟合参数；
21、对于每个xi，通过n次多项式计算的值和yi之间的差值的最小平方和作为各阶参数的最优解：
22、
23、对等式右边的ai求偏导，获得矩阵形式：
24、
25、简化为xa＝y，得到系数矩阵a；
26、s2、分析三条自由度曲线共同点及差异性，
27、通过观察在同一时间周期内，x轴、y轴和z轴方向上同一时刻的起伏变化规律来确定海浪对无人艇的影响，所述起伏变化规律为曲线的振幅和频率；通过观察曲线的相位差可推断不同自由度之间的时间延迟，根据测试地点、天气、风速、风向和测试无人艇的不同，分析三条自由度曲线在不同环境变量下的差异性，通过比较不同风速和风向条件下的曲线形状和振幅，得到三条自由度曲线的差异性。
28、进一步地，在步骤三中，具体包括：
29、已知上一时刻某一方向的状态或者状态初值x0|0，得到k时刻状态预测方程：
30、
31、其中，fk|k-1为系统的运动转移矩阵，b为控制矩阵，uk为控制向量；
32、的协方差矩阵为：
33、pk|k-1＝fk|k-1pk-1|k-1ftk|k-1 (5)
34、在状态转移过程中，将不确定性定义为过程噪声矩阵qk，获得k时刻状态预测误差协方差矩阵：
35、pk|k-1＝fk|k-1pk-1|k-1ftk|k-1+qk (6)
36、其中，pk-1|k-1为上一时刻的误差协方差矩阵，qk为外部干扰产生的噪声源；
37、所述更新过程为利用当前时刻系统输出的测量值对预测阶段的估计值进行修正，得到当前时刻的后验估计值；
38、卡尔曼增益k为状态最优估计过程中模型预测误差与测量误差的比重，当前k时刻的卡尔曼增益k为：
39、
40、其中，hk为状态观测矩阵；
41、根据状态变量的预测值和实际测量值zk，计算当前k时刻状态最优解：
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1.一种无人艇载雷达位姿补偿装置，其特征在于：包括三维度支架，所述三维度支架包括雷达托盘(21)和底座，所述雷达托盘(21)与底座通过分别沿x轴、y轴和z轴方向设置的连杆控制结构(11)连接，沿z轴设置的连杆控制结构(11)的数量为一个，且位于雷达托盘(21)和底座的中心处，沿x轴和y轴设置的连杆控制结构(11)的数量分别为偶数个，沿x轴和y轴设置的连杆控制结构(11)均分的设置在雷达托盘(21)和底座的外沿处，用于控制雷达托盘(21)沿x轴、y轴和z轴方向翻动和上下移动，所述底座用于固定在无人艇甲板上，所述连杆控制结构(11)包括两端的虎克铰中间的伸缩连杆，连杆控制结构(11)两端的虎克铰分别与雷达托盘(21)和底座连接，所述底座上端面中心处设有运动传感器(31)，所述运动传感器(31)用于记录无人艇在海面浪涌晃动下沿x轴、y轴和z轴三个维度的运动数据，所述雷达托盘(21)上设有监测雷达(22)、电子水平仪(23)、风速计(25)和报警装置(33)。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇载雷达位姿补偿装置，其特征在于：沿x轴和y轴设置的连杆控制结构(11)的数量分别为
3.根据权利要求2所述的一种无人艇载雷达位姿补偿装置，其特征在于：还包括数据处理装置、数据存储装置和电源(34)，所述数据处理装置包括控制器，所述控制器内含有用于将运动传感器(31)记录的三维度运动数据拟合三条自由度曲线并打包为数据帧发送给数据存储装置和远程终端的数据处理算法，所述控制器的输入端分别与监测雷达(22)、电子水平仪(23)和风速计(25)连接，控制器的输出端分别与报警装置(33)和沿x轴、y轴和z轴方向设置的连杆控制结构(11)连接，用于通过控制器控制连杆控制结构(11)进行机械补偿。
4.根据权利要求3所述的一种无人艇载雷达位姿补偿装置，其特征在于：所述监测雷达(22)可为79GHz高分辨率相控阵毫米波雷达，所述电子水平仪(23)可为数字高精度电子水平仪，所述运动传感器(31)可为六轴加速度陀螺仪，所述六轴加速度陀螺仪包括三轴数字加速度计和三轴数字陀螺仪。
5.一种利用权利要求1-4中任一权利要求所述的无人艇载雷达位姿补偿装置的补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种无人艇载雷达位姿补偿方法，其特征在于，在步骤一中，具体包括：
7.根据权利要求6所述的一种无人艇载雷达位姿补偿方法，其特征在于，在步骤二中，具体包括：
8.根据权利要求7所述的一种无人艇载雷达位姿补偿方法，其特征在于，在步骤三中，具体包括：
9.根据权利要求8所述的一种无人艇载雷达位姿补偿方法，其特征在于，在步骤四中，具体包括：
10.根据权利要求9所述的一种无人艇载雷达位姿补偿方法，其特征在于：当风速小于4级、风力小于8.0m/s所对应的浪高约小于1.2-1.5m时为第一补偿等级；当风速大于4级、风力大于8.0m/s所对应的浪高约大于1.2-1.5m时为第二补偿等级。
...【技术特征摘要】
1.一种无人艇载雷达位姿补偿装置，其特征在于：包括三维度支架，所述三维度支架包括雷达托盘(21)和底座，所述雷达托盘(21)与底座通过分别沿x轴、y轴和z轴方向设置的连杆控制结构(11)连接，沿z轴设置的连杆控制结构(11)的数量为一个，且位于雷达托盘(21)和底座的中心处，沿x轴和y轴设置的连杆控制结构(11)的数量分别为偶数个，沿x轴和y轴设置的连杆控制结构(11)均分的设置在雷达托盘(21)和底座的外沿处，用于控制雷达托盘(21)沿x轴、y轴和z轴方向翻动和上下移动，所述底座用于固定在无人艇甲板上，所述连杆控制结构(11)包括两端的虎克铰中间的伸缩连杆，连杆控制结构(11)两端的虎克铰分别与雷达托盘(21)和底座连接，所述底座上端面中心处设有运动传感器(31)，所述运动传感器(31)用于记录无人艇在海面浪涌晃动下沿x轴、y轴和z轴三个维度的运动数据，所述雷达托盘(21)上设有监测雷达(22)、电子水平仪(23)、风速计(25)和报警装置(33)。
2.根据权利要求1所述的一种无人艇载雷达位姿补偿装置，其特征在于：沿x轴和y轴设置的连杆控制结构(11)的数量分别为两个，且均位于雷达托盘(21)和底座的外沿处；还包括雷达固定装置(24)，所述雷达固定装置(24)固定在雷达托盘(21)的中心处，所述监测雷达(22)固定在雷达固定装置(24)上，所述监测雷达(22)和报警装置(33)可设置在雷达固定装置(24)内。
3.根据权利要求2所述的一种无人艇载雷达位姿补偿装置，其特征在于：还包括数据处理装置、数据存储装置和电源(34)，所述数据处理装置包括控制器，所述控制器内含有用于...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯翔，普家栋，赵忠庆，赵占锋，王振兴，周志权，王晨旭，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：
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