本發明涉及海洋波浪觀測領域,具體涉及一種捷聯慣導式測波方法及系統。
背景技術:
在海洋波浪觀測領域,加速度式波浪觀測設備因其不受時空范圍影響、觀測周期范圍廣等優勢,自問世30余年來一直是海洋波浪觀測的主要手段。長期以來,人們對加速度測波技術(加速度-位移積分,信號濾波等)和波浪數據處理方法(時域特征統計,頻域譜分析等)傾注了極大的關注。對基于高性能嵌入式技術的加速度波浪傳感器的研制,則是隨著電子技術的發展始于最近20余年。加速度測波技術中,一個重要的環節就是通過慣性測量單元imu(3軸角加速度計、3軸加速度計、3軸磁力計或電子羅盤)獲取載體平臺(浮標、船舶、海洋平臺)在自然地理坐標系下的的加速度、姿態角,進而通過二次積分、數字濾波技術、跨零法統計獲取波浪的特征參數。目前,波浪傳感器中通過imu單元獲取自然地理坐標系下加速度和姿態角的方法,主要分為平臺慣導式和捷聯慣導式這兩類。
平臺慣導系統機電結構復雜,精度要求較高,對系統的加工工藝、裝配精度都需要很高的要求,成本更高,往往一個慣性平臺的加工費用就高達整個慣導系統40%以上,且系統穩定性較差,不利于在小體積的波浪傳感器上使用。捷聯慣導式通過固定在載體上的“數字慣導平臺”代替機電式慣性平臺,大大減少了系統的體積和制造成本,提高系統的穩定性,但對姿態解算算法、嵌入式計算機處理性能、慣性敏感元件的精度提出了更高要求。因此,基于捷聯慣導式波浪測量技術會是下一代波浪傳感器的發展方向。捷聯慣導式測波技術能夠有效的消除海洋浮動平臺自身在動態測量環境中帶來的不利影響(升沉、縱搖、橫搖等),可穩定獲取載體平臺在自然地理坐標系下姿態角、航向角、加速度等參數,提高波浪特征參數的計算精度。
根據慣性導航系統的基本原理,運動載體的速度及位移都是基于載體坐標系下加速度2次積分獲取位移獲取,在積分過程中誤差及初始速度不確定性會隨著積分在速度和位移中不斷累加,需采用合理的數值積分策略和濾波技術方能得到可靠的位移精度。以往的研究多采用硬件積分和硬件濾波器的方法實現,ribiero的研究表明硬件積分器對正弦穩態信號積分效果較理想,而對于隨機性較強的波浪信號積分則誤差很大,相對來說數值積分可取得較高的精度并且更加靈活。硬件濾波器的濾波性能是固定的,對于周期隨機性較強的波浪來說,不具有自適應性。不同的數值積分處理策略產生的積分結果差別很大,探索合理的加速度-位移積分策略是目前研究的熱點,其中包括加速度信號濾波方法選取(fir,iir),不同采樣頻率下積分方案選取(梯形,simpson等),位移趨勢項剔除(滑動濾波、最小二乘、經驗模態分解等)。
在數據處理平臺方面,因為受限于嵌入式微處理的性能,前期的波浪傳感器多是按照指定的采樣頻率(2hz,4hz或者8hz)進行imu單元采樣,完成一段時間的采樣后(10min,20min或60min),再進行積分運算得到相同頻率的姿態角、位移數組,然后按照跨零法進行該觀測時間段內的波浪特征統計。隨著嵌入式處理器性能的快速發展,按照較高的頻率邊采樣邊實時計算輸出姿態、速度、位移等信息已變為可行,這樣可提高儀器的實時觀測能力及標準化。
基于以上幾點,目前基于穩定慣性平臺式波浪傳感器存在的儀器成本高、系統可靠性低、缺乏實時觀測計算能力、體積和質量較大不利于安裝使用等問題。因此,從提高波浪傳感器觀測精度,提高儀器性能,降低儀器成本、體積和質量,促進儀器標準化和創新自主知識產權的角度出發,捷聯慣導式波浪觀測技術將是下一代主流。
技術實現要素:
本發明的目的在于針對上述現有技術中存在的問題,提出了一種捷聯慣導式測波方法及系統,實現實時采樣及計算輸出姿態、速度和位移信息,并提高了儀器的實時觀測能力及標準化,提高了儀器性能,并降低了儀器成本、體積和質量。
為達到上述發明的目的,本發明通過以下技術方案實現:
本發明還公開一種捷聯慣導式測波方法,包括步驟如下:
步驟1,獲取載體隨波浪在三維空間的運動軌跡數據和運動姿態數據;
步驟2,對運動軌跡數據和運動姿態數據進行捷聯慣導姿態解算,獲取載體的歐拉姿態角和姿態矩陣,并根據姿態矩陣獲得載體在自然地理坐標系下的加速度;
步驟3,對自然坐標系下的加速度,進行二次積分,獲取載體的位移量;
步驟4,根據載體的位移量,進行跨零法波浪統計,將最大出現率的方向角作為主波向。
進一步,所述步驟1還包括對運動軌跡數據和運動姿態數據的原始數據進行平均值濾波和誤差補償的操作。所述捷聯慣導姿態解算采用互補濾波和四元數法進行姿態解算。
進一步,所述步驟2還包括關于姿態解算的判斷過程,包括:如果是首次姿態解算,則首先根據加速度計和陀螺儀的數據求出初始歐拉姿態角,進而初始化四元數;若不是首次姿態解算,則直接才用互補算法,用加速度對陀螺儀進行修正獲取準確穩定的陀螺儀數值,帶入四元數微分方程;有了初始化的四元數量,再結合數據數據采樣周期及修正后的陀螺儀數據,即可對四元數進行更新,獲取姿態矩陣
進一步,所述二次積分是加速度、速度和位移的數值積分,包括如下步驟:
步驟31,分別在三軸方向上繼續對加速度做積分運算,自然地理坐標系下的某一軸加速度為an,經過中值濾波處理防止加速度傳感器的脈沖干擾,得到an1;
步驟32,通過高通濾波器去除加速度傳感器的零點漂移趨勢,得到an2;
步驟33,去除直流重力加速度分量g,得到該軸真實的運動加速度an3;
步驟34,根據公式v(k)=v(k-1)+ts·a(k),數值離散化后進行時域一次數值積分得到速度v0;
步驟35,通過高通濾波去除速度序列的低頻漂移得到速度v1;
步驟36,根據公式s(k)=s(k-1)+ts·v(k),數值離散化后進行時域二次數值積分得到位移s0;
步驟37,通過高通濾波器去除位移序列的低頻漂移得到位移s1。
進一步,所述跨零法波浪統計是統計一段時間段內的波浪特征參數,所述波浪特征參數包括波高、波周期和波浪方向,所述波高包括平均波高havg、1/3大波高h1/3、1/10大波高h1/10和最大波高hmax;所述波周期包括平均波周期tavg、1/3大波周期t1/3、1/10大波周期t1/10和最大波周期tmax;所述波浪方向包括平均波向davg和主波向ddm。
進一步,所述波高和波周期的統計方法如下:
步驟41,取z軸位移平均值為波高零基準面;
步驟42,尋找相鄰的跨零點,并標記相應編號;
步驟43,計算相鄰跨零點內的波周期、波高,并存儲在指定波高和波周期數組序列;
步驟44,波高和波周期序列按照大小排列:統計最大波高、平均波高、有效波高、1/3大波高、1/10大波高及相應周期。
進一步,所波浪方向的統計方法為:根據x,y軸位移序列合成得到波浪方向序列,結合磁力計校正得到真實的波浪方向;以22.5°為間隔,劃分波向為16個方位,統計每個方向波向出現頻率;取最大出現率的方位角作為主波向。
進一步,所述高通濾波采用emd經驗模態分解方法,所述emd經驗模態分解方法是將信號的不同尺度的波動逐級分開,產生一系列具有不同尺度的本征模函數。
本發明還公開一種捷聯慣導式測波系統,采用上述方法,包括全姿態imu測量單元和數據處理單元,所述全姿態imu測量單元包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強計;所述數據處理單元包括有:
姿態數據接收模塊,用以獲取載體隨波浪在三維空間的運動軌跡;
姿態解算模塊,用以對對運動軌跡數據和運動姿態數據進行捷聯慣導姿態解算,獲取載體的歐拉姿態角和姿態矩陣,并根據姿態矩陣獲得載體在自然地理坐標系下的加速度;
積分模塊,用以對自然坐標系下的加速度,進行二次積分,獲取載體的位移量;
統計模塊,用以根據載體的位移量,進行跨零法波浪統計,將最大出現率的方向角作為主波向。
本發明的一種捷聯慣導式測波方法及系統,可實現系統的體積小、重量輕等特點,測波方法在動態波浪測量環境中具有較好的穩定性和可靠性,可代替傳統慣性穩定平臺式波浪傳感器的應用場合,降低波浪觀測成本,提高觀測精度和布放靈活度。
附圖說明
圖1為本發明的一種捷聯慣導式測波方法的步驟圖。
圖2是本發明的一種捷聯慣導式測波方法的整體技術路線。
圖3是本發明的一種捷聯慣導式測波方法的數據流及整體姿態解算流程。
圖4是本發明的一種捷聯慣導式測波方法的四元數的姿態解算互補濾波算法流程。
圖5是本發明的一種捷聯慣導式測波方法加速度-位移數值積分流程。
圖6是本發明的一種捷聯慣導式測波方法的跨零法統計z軸波浪特征流程。
圖7是本發明的一種捷聯慣導式測波系統的結構框圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例,而不是全部實施例。
參看圖1,為本發明實施例的一種捷聯慣導式測波方法的流程圖,包括步驟如下:
步驟1,獲取載體隨波浪在三維空間的運動軌跡數據和運動姿態數據;
步驟2,對運動軌跡數據和運動姿態數據進行捷聯慣導姿態解算,獲取載體的歐拉姿態角和姿態矩陣,并根據姿態矩陣獲得載體在自然地理坐標系下的加速度;
步驟3,對自然坐標系下的加速度,進行二次積分,獲取載體的位移量;
步驟4,根據載體的位移量,進行跨零法波浪統計,將最大出現率的方向角作為主波向。
參看圖2至圖6,為本發明的一種捷聯慣導式測波方法整體及部分算法實現流程。
參看圖1和圖2,作為一個實施例,所述步驟1還包括對運動軌跡數據和運動姿態數據的原始數據進行平均值濾波和誤差補償的操作。所述捷聯慣導姿態解算采用互補濾波和四元數法進行姿態解算。本發明實施例中,采用包括三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁強計的9軸全姿態imu,stm32f407芯片為數據處理器,其以用戶設定的采樣頻率(2hz,4hz,8hz)對imu采樣,從而獲取三維空間的載體運動軌跡和運動姿態的原始數據。在獲取原始數據后,采用互補濾波算法,用加速度計來補償陀螺儀,獲取穩定、準確的陀螺儀數據。進而,利用四元數法解算姿態矩陣和姿態歐拉角。進而,通過姿態矩陣完成坐標系轉換,獲取載體在自然地理坐標系下的加速度。進而,將自然坐標系下的加速度數據進行二次數值積分與高通濾波得到位移。進而,跨零法統計指定時間段內的位移序列,對z軸位移序列統計可以得到波高和波周期,對x,y序列統計并通過三角函數合成可以得到載體波向,結合磁力計得到的方位角進行校正,即可得到真實地理坐標系下的波浪方向。
下面結合圖3至圖6分別對各步驟做詳細描述。
參看圖3,所述步驟2,采用基于四元數的互補濾波算法,主要是完成坐標系的變換,將載體坐標系下的加速度變換到自然地理坐標系。首先用加速度傳感器數據補償修正陀螺儀數據,獲得在載體坐標系下穩定可靠陀螺儀數據;進而對姿態進行解算,獲得載體歐拉姿態角和姿態矩陣
參看圖4,首先stm32f407完成對全姿態imu9150的初始化,啟動對其中三軸陀螺儀和三軸加速度儀的原始數據采樣,對原始數據進行平均值濾波和誤差補償,如果系統是第一次姿態解算則首先根據加速度計和陀螺儀的數據求出初始歐拉姿態角,進而初始化四元數。如果系統不是第一次姿態解算,則說明系統已經進行過了歐拉角和四元數初始化,則直接進入互補算法階段,用加速度值對陀螺儀進行修正獲取準確穩定的陀螺儀數值,帶入四元數微分方程。有了初始化的四元數量,再結合數據數據采樣周期及修正后的陀螺儀數據,即可對四元數進行更新,獲取姿態矩陣
上述姿態解算及坐標系變換,已經獲取載體在自然地理坐標系下的三軸加速度,需對加速度進行二次積分,獲取位移。加速度-速度-位移的積分策略如圖5所示,以z軸積分為例,自然地理坐標系下的z軸加速度為an,經過中值濾波處理防止加速度傳感器的脈沖干擾得到an1,進一步通過高通濾波器祛除加速度傳感器的零點漂移趨勢得到an2,進一步去除直流重力加速度分量g,得到z軸真實的運動加速度an3,進一步根據公式v(k)=v(k-1)+ts.a(k),數值離散化后進行時域一次數值積分得到速度v0,進一步通過高通濾波祛除速度序列的低頻漂移得到速度v1,進一步根據公式s(k)=s(k-1)+ts.v(k),數值離散化后進行時域二次數值積分得到位移s0,進一步通過高通濾波器祛除位移序列的低頻漂移得到位移s1,供波浪特征統計使用。
本發明實施例中祛除趨勢漂移項的高通濾波采用基于emd經驗模態分解方法,emd分解是將信號的不同尺度的波動逐級分開,產生一系列具有不同尺度的本征模函數(imf)。本專利中位移序s(t)列經emd分解后,產生12組imf,根據信號采樣頻率和重力波周期范圍(2~30秒),選取imf1(代表3~4秒尺度的波動),imf2(代表3.5~5秒尺度的波動),imf3(代表5~10秒尺度的波動),imf4(代表12~20秒尺度的波動),imf5(代表20~30秒尺度的波動),剔除低頻趨勢項imf6-imf11(30秒以上的更大尺度的波動,視為漂移趨勢項),最終位移序列s0(t)計算公式為:s(t)=s0(t)-(imf6+…+imf11)。
emd分解方法是依據信號數據本身固有的特性自然地展開分解,無需設置先驗的分解函數基,也無需預測信號類型。相比于低通滑動濾波法、小波變化法、最小二乘法均具有較強的自適應性,更適合應用在隨機波浪加速度信號處理中。
對于海洋中隨機性很強的波浪研究,可將其運動看作為隨機過程,作為一種隨機現象加以分析。應用統計學的概念和方法可以分析海浪的對外表觀(波高、波周期、波向)。如圖6所示,采用跨零方法進行波浪時域特征統計分析。
波高和波周期的統計方法為:首選取z軸位移平均值為波高零基準面;進一步尋找相鄰的跨零點,并標記相應編號;進一步計算相鄰跨零點內的波周期、波高,并存儲在指定波高和波周期數組序列;進一步波高和波周期序列按照大小排列;統計平均波高havg,平均波周期tavg,1/3大波高h1/3,1/3大波周期t1/3,1/10大波高h1/10,1/10大波周期t1/10,最大波高hmax,最大波周期tmax,平均波向davg;
波向統計方法為:根據x,y軸位移序列合成得到波浪方向序列,結合磁力計校正得到真實的波浪方向;以22.5°為間隔,劃分波向為16個方位,統計每個方向波向出現頻率;最大出現率的方位角作為主波向ddm;使用x,y軸位移合成的波浪方向,是傳感器隨波浪真實的運動方向,相對于使用載體縱傾和橫傾斜計算浮標傾斜方位角的方法反演波浪方向更加準確。而且,改方法僅需要加速度數據即可,不需使用陀螺儀數據,計算方法更加直觀簡單,容易實現。
參看圖7,為本發明實施例的一種捷聯慣導式測波系統,采用上述捷聯慣導式測波方法,包括全姿態imu測量單元和數據處理單元,所述數據處理單元包括有:
姿態數據接收模塊,用以獲取載體隨波浪在三維空間的運動軌跡;
姿態解算模塊,用以對對運動軌跡數據和運動姿態數據進行捷聯慣導姿態解算,獲取載體的歐拉姿態角和姿態矩陣,并根據姿態矩陣獲得載體在自然地理坐標系下的加速度;
積分模塊,用以對自然坐標系下的加速度,進行二次積分,獲取載體的位移量;
統計模塊,用以根據載體的位移量,進行跨零法波浪統計,將最大出現率的方向角作為主波向;
所述全姿態imu測量單元,為9軸全姿態imu,包括三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁強計,stm32f407以用戶設定的采樣頻率(2hz,4hz,8hz)對imu采樣。,包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強計;用來測量載體隨波浪在三維空間的運動規矩和運動姿態,三軸的加速度計用來測量載體坐標系下x,y,z軸的加速度值,三軸的角加速度計用來測量俯仰角pitch、翻滾角roll、偏航角yaw,三軸的磁力計用來測量地磁場在載體坐標系下x,y,z軸的矢量,獲取載體的方位角,用于校正波浪方向。
所述姿態數據接收模塊、姿態解算模塊、積分模塊和統計模塊是固化在數據處理單元的芯片中的邏輯電路,參看圖6,9軸全姿態imu單元mpu9150通過iic總線與stm32f407連接,用于波浪姿態的測量;eeprom通過spi總線與stm32f407連接,預存儲用戶設置的參數,如:imu采樣頻率,波浪特征統計間隔等;實時時鐘rtc通過iic總線與stm32f407連接,為系統提供時間和鬧鐘;stm32f407通過專用sdc接口連接存儲卡,移植fat32文件系統,用于存儲系統原始數據、中間變量、波浪統計特征等;通過通用i/o口連接lcd顯示屏,顯示實時姿態數據及波浪統計數據;通過uart串口連接上位機,與上位機進行通訊,用于用戶進行相關預設值。
上述實施例僅用以說明本發明而并非限制本發明所描述的技術方案;因此,盡管本說明書參照上述的各個實施例對本發明已進行了詳細的說明,但是,本領域的普通技術人員應當理解,仍然可以對本發明進行修改或者等同替換;而一切不脫離本發明的精神和范圍的技術方案及其改進,其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。