[发明专利]一种检测海浪行波参数的方法及姿态自调整的无人船

权利要求书

1.一种检测海浪行波参数的方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)在船体的左侧最上沿外壁安装有左距离传感器，在船体的右侧最上沿外壁安装有右距离传感器，左距离传感器和右距离传感器实时监测海浪的高度变化；

(2)在船体的中部安装有多轴传感器，多轴传感器实时监测船的加速度变化、速度变化和磁场变化，所述加速度和速度包括船在x轴、y轴和z轴方向上的线加速度、线速度和角加速度、角速度；

(3)多轴传感器、左距离传感器和右距离传感器将采集到的信号传送到信号采集系统进行处理，经过滤波后滤去高次波和低次波只保留基波，得到连续且规律变化的曲线；

(4)根据同一个波峰到达左距离传感器和右距离传感器的时间差、幅值变化，船体在波浪作用下x轴、y轴、z轴方向上的角速度变化以及运动过程中船体周围的磁场变化，推算得到海浪行波参数，包括海浪行波的时间周期、频率、方向、速度、有效浪高、船体与海浪方向的夹角；

所述推算得到海浪行波参数的过程如下：

(a)左距离传感器和右距离传感器分别测得船体的左侧和右侧最上沿外壁距海面的高度变化，经过滤波后得到两条随时间变化分布的周期、幅值一致但相位不同的正弦曲线L₁和L₂，曲线L₁表示左距离传感器测得的曲线，曲线L₂表示右距离传感器测得的曲线，其中横坐标为时间，纵坐标为距离；任取同一波峰作用下的曲线L₁或L₂分析，该曲线的幅值就是海浪行波的有效浪高A1，该曲线的周期就是海浪行波的时间周期T1，时间周期的倒数就是海浪行波的频率f1；取同一波峰作用下的正弦曲线L₁和L₂进行分析：设左距离传感器和右距离传感器之间的直线距离为D，船体与海浪方向之间的夹角为α1，其中α1大于0且小于π，π表示弧度制是几何意义上的180°，海浪行波速度大小为v1，曲线L₁和L₂之间相邻最大峰值的时间差为Δt，则曲线L₁和L₂之间的相位差为：

当船体在控制系统的作用下调整自身姿态时，Δt和在时刻发生变化；从时刻t₁开始，到相位差的时刻t_n，满足下面公式：

……

|Δt_n|＝0 (4)

根据递推算法可以推算出速度大小v1；在同一个波峰中，若曲线L₁和L₂之间的相位差说明海浪正对着船头方向或者船尾方向；若曲线L₁和L₂之间的相位差说明海浪来自于船的左侧；若曲线L₁和L₂之间的相位差说明海浪来自于船的右侧；

(b)多轴传感器测得船的加速度变化、速度变化和磁场变化，经过滤波后得到多条周期曲线，选取3条周期曲线L₃、L₄和L₅，其中曲线L₃表示船在x轴方向上的角速度，曲线L₄表示船在y轴方向上的角速度，曲线L₅表示船在z轴方向上的角加速度；当船静止时，x轴和y轴上的加速度为0，z轴上的加速度为重力加速度；取曲线L₅进行分析，该曲线的周期就是海浪行波的时间周期T2，周期的倒数就是海浪行波的频率f2，对该曲线在一个周期内进行二重积分得到海浪行波的有效浪高A2；取同一波峰作用下的曲线L₃和L₄进行分析：其L₃和L₄的矢量和为海浪作用在船体上的速度和，船体与海浪方向之间的夹角为α2，其中α2大于0且小于π，海浪行波速度大小为v2，当船体在控制系统的作用下调整自身姿态时转过的夹角θ可由多轴传感器中的磁力计测出，其中θ大于0且小于π；设在t₁时刻船体的v_x和v_y为v_x1和v_y1，船体与海浪方向之间的夹角为α2，在t₂时刻船体的v_x和v_y为v_x2和v_y2，船体与海浪方向之间的夹角为α2+θ；从时刻t₁开始，到t₂时刻，满足下面公式：

v_y1·cosα2+v_x1·sinα2＝v_y2·cos(α2+θ)+v_x2·sin(α2+θ) (5)

v_y1·cosα2+v_x1·sinα2＝v (6)

根据公式(5)和(6)可以计算出任意时刻船体与海浪方向之间的夹角α2和海浪行波速度大小v2；在同一个波峰中，若曲线L₃始终为0且曲线L₄的初始变化值是正数，说明海浪正对着船头方向与船正交；若曲线L₃的初始变化值是正数，说明海浪来自于船的左侧；若曲线L₃的初始变化值是负数，说明海浪来自于船的右侧；

(c)比较左距离传感器和右距离传感器所测得的海浪方向与多轴传感器所测得的海浪方向是否一致，如若不一致需重新测量；若一致，则得到海浪行波参数：海浪行波的时间周期为T1，海浪行波的频率为f1，海浪行波的方向为左距离传感器和右距离传感器所测得的海浪方向，即多轴传感器所测得的海浪方向，海浪行波的速度大小为v1，有效浪高A1，船体与海浪方向之间的夹角为α2。