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動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量裝置及測(cè)量方法

文檔序號(hào):6150274閱讀:359來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及海浪參數(shù)、水深的一種動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)和裝置,屬電子信息技術(shù)領(lǐng)域和
海洋研究與開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
在海洋工程、海洋科考方面,經(jīng)常需要了解當(dāng)?shù)氐暮@烁叨取⒉ㄩL(zhǎng)和作業(yè)裝置的水下深度等,特別是了解波浪下水深,傳統(tǒng)的方法難以實(shí)現(xiàn)。其中海浪參數(shù)往往通過(guò)天氣預(yù)報(bào)獲得,實(shí)時(shí)測(cè)量的難度很大。水下瞬時(shí)深度只能通過(guò)作業(yè)器具自身的測(cè)深裝置測(cè)量。
水下作業(yè)裝置距水面的深度測(cè)深方法有聲納測(cè)量、壓力傳感器測(cè)量、激光測(cè)深和GPS定位測(cè)深等等,每種技術(shù)方案的應(yīng)用環(huán)境不同。在靜水環(huán)境下的測(cè)深技術(shù)難度低,上述方法均能滿足要求,但在海浪環(huán)境下的測(cè)深則較為復(fù)雜。GPS定位測(cè)深法必須把天線放置在水面以上,根據(jù)GPS天線與水下部分距離計(jì)算水深,其高度需要保持垂直,必須有一部分留在水面上,對(duì)水下作業(yè)型裝備來(lái)說(shuō)是不可行的。激光測(cè)深、聲納測(cè)深必須保持垂直狀態(tài)才能準(zhǔn)確測(cè)深,而且這兩種主動(dòng)測(cè)深方法不適合隱蔽測(cè)量。單壓力傳感器進(jìn)行海水深度測(cè)量,因其具有良好的隱蔽性和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),通常成為潛器或海洋探測(cè)裝置測(cè)深的首選方案。但是,在接近海洋表面測(cè)深時(shí),受波浪的影響,測(cè)量誤差很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠及時(shí)測(cè)量顯示海浪的動(dòng)態(tài)狀況,水下測(cè)量點(diǎn)瞬時(shí)深度的一種動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量方法。本發(fā)明的目的還在于提供一種動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 本發(fā)明的動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量裝置由二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、RS485通信單元、電源管理單元和數(shù)字信號(hào)處理器組成;壓力傳感器采集水下壓力,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元后輸入數(shù)字信號(hào)處理器;溫度傳感器用于各類傳感器的溫度補(bǔ)償;加速度傳感器和傾角傳感器采集測(cè)量裝置的姿態(tài)信息輸入數(shù)字信號(hào)處理器;數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器的信息計(jì)算海浪的參數(shù)、水下瞬時(shí)深度;計(jì)算結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,或者通過(guò)RS485通信單元發(fā)送;電源管理單元為數(shù)字信號(hào)處理器及各種傳感器等提供電源。 本發(fā)明的動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量方法為 數(shù)字信號(hào)處理器初始化后,每隔T時(shí)間采集一次壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和傾角傳感器的信息,根據(jù)若干點(diǎn)壓力數(shù)值的均值和變化量粗略判斷是深水區(qū)還是淺水區(qū),當(dāng)在深水區(qū)時(shí),海浪對(duì)壓力的影響可以忽略不計(jì),直接根據(jù)公式Pi = - P gZ工計(jì)算深度,計(jì)算結(jié)果放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等待定時(shí)通信程序傳輸至其他系統(tǒng),然后返回起始點(diǎn)繼續(xù)采集壓力數(shù)據(jù),當(dāng)在淺水區(qū)時(shí),首先根據(jù)雙壓力傳感器數(shù)據(jù)尋找行波過(guò)零點(diǎn),如果是過(guò)零點(diǎn),執(zhí)行淺水水深算法,如果是波峰或者波谷點(diǎn),則轉(zhuǎn)入波高計(jì)算模塊,波高計(jì)算公式為f2/;;glw = (e—J = Zl ,已知平均水深P工和P2,計(jì)算波數(shù)和波高,采用線
性預(yù)測(cè)和濾波方法對(duì)波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完畢后返回初始點(diǎn)繼續(xù)采樣,重復(fù)下一次計(jì)算循環(huán)。 所述淺水水深算法包括過(guò)零點(diǎn)水深計(jì)算和啟動(dòng)由加速度傳感器和傾角傳感器計(jì)算過(guò)零點(diǎn)間任意時(shí)刻平均水深運(yùn)算,其主要步驟為1)由公式Pi = -p gZ工計(jì)算過(guò)零點(diǎn)平均水深;2)初始化由三維加速度傳感器和傾角傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算壓力傳感器在相鄰兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間垂直深度變化量流程,3)采用濾波方法估計(jì)相鄰過(guò)零點(diǎn)之間任意時(shí)刻的平均水深Z"然后返回初始點(diǎn)繼續(xù)采樣。 所述采用線性預(yù)測(cè)和濾波方法對(duì)波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。波高、波長(zhǎng)
只在計(jì)算誤差最小的波峰波谷點(diǎn)計(jì)算,在一個(gè)波浪周期內(nèi)只進(jìn)行一次預(yù)測(cè)濾波運(yùn)算。 本發(fā)明中所涉及的計(jì)算公式有 P = - p gz+ p gA cos (kx- co t) ek z............ (1) ^g^y = (e—.(2)..................(3) P,-pgZ丄...........................(4) 式中,Ah表示兩只傳感器的高度差,第一只傳感器壓力值Pp第二只壓力傳感器壓力值&, Z工為平均水深。兩只壓力傳感器固定在支架上,其間的高度差是固定的,在水中可以隨海浪漂浮或者被牽弓I移動(dòng)。 本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于用雙壓力傳感器、慣性器件和數(shù)字信號(hào)處理器,以及濾波、預(yù)測(cè)和航跡跟蹤等算法,計(jì)算海浪參數(shù)、水下深度,具有使用靈活、不需要海底固定等優(yōu)點(diǎn),可在運(yùn)動(dòng)、漂浮狀態(tài)下使用。 本發(fā)明根據(jù)海浪流體力學(xué)原理推導(dǎo)出海浪的波長(zhǎng)、波高的計(jì)算方法,采用加速度傳感器、傾角傳感器等技術(shù)手段,計(jì)算測(cè)量點(diǎn)的平均水深。 本發(fā)明所提供的技術(shù)方法不僅具有其新潁性和創(chuàng)造性,而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便,能廣泛地用于水下機(jī)器人、通信浮標(biāo)和其它潛水測(cè)深系統(tǒng)。


圖1典型海浪參數(shù)示意圖; 圖2動(dòng)態(tài)海浪檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)原理圖; 圖3動(dòng)態(tài)海浪檢測(cè)方法流程具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述 本發(fā)明是一種能夠及時(shí)測(cè)量顯示海浪的動(dòng)態(tài)狀況,不僅可以快速地計(jì)算出海浪的
參數(shù),而且還可以隨時(shí)顯示動(dòng)態(tài)的海浪狀況的動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量裝置及測(cè)量方法。 海浪模型如圖1所示。 一般情況下,海浪用波高H、波長(zhǎng)A和平均海面高度h來(lái)描
繪海浪。如果波幅A,則波峰h+A,波谷h-A,波高2A ;波數(shù)K和波長(zhǎng)A的關(guān)系為K = 2 Ji /
A ,本專利所提供的技術(shù)方法,首先求得波數(shù)K,隨后求得波幅A。
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本發(fā)明動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量裝置包括二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角 儀、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、RS485通信單元、電源管理單元、數(shù)字信號(hào) 處理器等,見(jiàn)原理圖2。壓力傳感器采集測(cè)量裝置所在位置的壓力,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換 器后輸入信號(hào)處理器中。溫度傳感器用于各類傳感器的溫度補(bǔ)償。加速度計(jì)和傾角儀采集 裝置的姿態(tài)信息,根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)零點(diǎn)之外的平均水深。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)大容量Flash 存儲(chǔ)器,用于保存壓力數(shù)據(jù)和海浪參數(shù),用于事后分析和記錄查詢。該裝置中設(shè)計(jì)一個(gè)串行 通信口 RS485,將測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)該串口傳輸?shù)狡渌b置上。電源模塊負(fù)責(zé)為數(shù)字信號(hào)處 理、各種傳感器等提供電源。所有的運(yùn)算均在數(shù)字信號(hào)處理器上完成。實(shí)時(shí)計(jì)算海浪參數(shù) 如波高、波數(shù)以及瞬時(shí)平均水深。 加速度傳感器和傾角傳感器兩個(gè)慣性器件獲得載體姿態(tài)信息,計(jì)算出載體垂直方 向的位移信息。加速度傳感器使用芬蘭VTI公司出品的SCA3000-D02型三軸加速度計(jì)。傾 角傳感器SCA100T-D02。
溫度傳感器 溫度是影響測(cè)量精度的一個(gè)重要因素,需要用溫度對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償校正,從 而提高每個(gè)傳感器的測(cè)量精度。溫度傳感器選用MAXIM公司出品的DS1631型溫度傳感器。
信號(hào)調(diào)理單元 壓力傳感器輸出往往采用電流傳輸方式,可以避免電壓傳輸時(shí)帶來(lái)的線路壓降問(wèn)
題,因此需要將電流轉(zhuǎn)換為電壓,并根據(jù)量程和數(shù)模轉(zhuǎn)換的要求放大信號(hào)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元 采用TI公司的12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器LV2544,具有精度高,體積小、通道多,使用靈活 的特點(diǎn)。 電源管理單元 本技術(shù)實(shí)施方案,使用UA78M12將+24v供電電壓降至+12v為壓力傳感器供電。采 用TI公司的TPS5430開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器直接將+24v變換至+7v,再通過(guò)UCC283將+7v穩(wěn)壓到 +5v、 TPS767D301產(chǎn)生DSP和其他數(shù)字芯片所需的+3. 3v和+1. 9v電壓。
數(shù)字信號(hào)處理器 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明專利的的最終目標(biāo),為滿足新型動(dòng)態(tài)海浪壓力測(cè)深系統(tǒng)的需求, 本技術(shù)方案選擇TI公司的TMS320F28335型浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignal Processor),芯片既集成了控制系統(tǒng)所需的外設(shè)資源,又具有數(shù)據(jù)處理能力和C編譯效率。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的功能是記錄海浪參數(shù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)。選擇SPANSI0N公司的4片 S25FL064A大容量FLASH存儲(chǔ)器,以滿足系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)的記錄。
RS485通信單元 此部分按全雙工模式設(shè)計(jì),應(yīng)用MAXM公司的全雙工RS485收發(fā)器MAX3490,工作 電壓3. 3v,通信速率高達(dá)10Mbps。 動(dòng)態(tài)海浪參數(shù)測(cè)量方法的核心特征是利用雙壓力傳感器檢測(cè)水中壓力,根據(jù)流體 力學(xué)中的Bernoulli方程式(1)所描述的水中壓力計(jì)算公式,推導(dǎo)出過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻波數(shù)(2) 和波高(3)計(jì)算關(guān)系式,計(jì)算過(guò)零點(diǎn)的深度,根據(jù)加速度傳感器和角度傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)估 計(jì)過(guò)零點(diǎn)以外其他時(shí)間的深度。算法是兩個(gè)并行的計(jì)算流程組成,一個(gè)周期計(jì)算深度;一個(gè) 5是周期計(jì)算海浪參數(shù)(波數(shù)和波高)。算法流程見(jiàn)圖3。
結(jié)合圖3,本發(fā)明的動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量方法為 動(dòng)態(tài)海浪參數(shù)測(cè)量主要在海平面附近。較深水域時(shí),動(dòng)態(tài)海浪引起的壓力變化非 常小,難以準(zhǔn)確提取海浪參數(shù),因此首先根據(jù)壓力值粗略判斷水深,深水區(qū)只進(jìn)行深度測(cè) 量,并對(duì)數(shù)據(jù)濾波去噪,獲得穩(wěn)定的深度序列。如果實(shí)在淺水區(qū)域,動(dòng)態(tài)海浪的影響接近水 面時(shí)影響很大,必須根據(jù)流體力學(xué)關(guān)系計(jì)算深度,并根據(jù)深度、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)計(jì)算海浪參 數(shù)和瞬時(shí)深度。
軟件實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)的軟件,按下位機(jī)和上位機(jī)兩部分設(shè)計(jì),其中下位機(jī)軟件完成信息采集與 水深計(jì)算算法的實(shí)現(xiàn)以及計(jì)算結(jié)果向上位機(jī)傳輸,這一部分由C語(yǔ)言寫成;上位機(jī)完成數(shù) 據(jù)的接收和解析并且將水深信息繪圖顯示,這一部分用MATLAB語(yǔ)言編寫。在運(yùn)算過(guò)程中, 為了加快運(yùn)算的速度,對(duì)指數(shù)、對(duì)數(shù)和正弦等函數(shù),編寫出相應(yīng)的"運(yùn)算函數(shù)表",采用查表 和泰勒展開(kāi)式結(jié)合的算法,從而,縮短了運(yùn)算的時(shí)間。
權(quán)利要求
一種動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量裝置,由二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、RS485通信單元、電源管理單元和數(shù)字信號(hào)處理器組成;其特征是壓力傳感器采集水下壓力,經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元后輸入數(shù)字信號(hào)處理器;溫度傳感器用于各類傳感器的溫度補(bǔ)償;加速度傳感器和傾角傳感器采集測(cè)量裝置的姿態(tài)信息輸入數(shù)字信號(hào)處理器;數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器的信息計(jì)算海浪的參數(shù)、水下瞬時(shí)深度;計(jì)算結(jié)果存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,或者通過(guò)RS485通信單元發(fā)送;電源管理單元為數(shù)字信號(hào)處理器及各種傳感器提供電源。
2. —種動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量方法,其特征是數(shù)字信號(hào)處理器初始化后,每隔T時(shí)間采集一次 壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器和傾角傳感器的信息,根據(jù)若干點(diǎn)壓力數(shù)值的均值 和變化量粗略判斷是深水區(qū)還是淺水區(qū)。當(dāng)在深水區(qū)時(shí),海浪對(duì)壓力的影響可以忽略不計(jì), 可直接根據(jù)公式Pi = _ P gZ工計(jì)算深度,計(jì)算結(jié)果放在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等待定時(shí)通信程序傳輸至 其他系統(tǒng),然后返回起始點(diǎn)繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)在淺水區(qū)時(shí),首先根據(jù)雙壓力傳感器數(shù)據(jù)尋找 行波過(guò)零點(diǎn),如果是過(guò)零點(diǎn),執(zhí)行淺水水深算法,如果是波峰或者波谷點(diǎn),則轉(zhuǎn)入波高波數(shù) 計(jì)算模塊,計(jì)算公式為p/^g竭=(e—《)M」=,(Z)-^ ,已知平均水深Zl、 P工和P2,計(jì)算波數(shù)和波高,采用線性預(yù)測(cè)和濾波方法對(duì)波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完畢后返 回初始點(diǎn)繼續(xù)采樣,重復(fù)下一次計(jì)算循環(huán)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量方法,其特征是所述淺水水深算法包括過(guò)零 點(diǎn)水深計(jì)算和啟動(dòng)由加速度傳感器和傾角傳感器計(jì)算過(guò)零點(diǎn)間任意時(shí)刻平均水深運(yùn)算,其 主要步驟為1)由公式Pi = - P gZ工計(jì)算過(guò)零點(diǎn)平均水深;2)初始化由三維加速度傳感器和 傾角傳感器姿態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算壓力傳感器在相鄰兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間垂直深度變化量流程,3)采用 濾波方法估計(jì)相鄰過(guò)零點(diǎn)之間任意時(shí)刻的平均水深Zp然后返回初始點(diǎn)繼續(xù)采樣。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量方法,其特征是所述采用線性預(yù)測(cè)和濾 波方法對(duì)波高、波數(shù)和平均水深進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。波高、波數(shù)只在計(jì)算誤差最小的波峰波谷點(diǎn) 計(jì)算,在一個(gè)波浪周期內(nèi)只進(jìn)行一次預(yù)測(cè)濾波運(yùn)算。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種動(dòng)態(tài)海浪測(cè)量方法及測(cè)量裝置。本發(fā)明的裝置由二只壓力傳感器、溫度傳感器、加速度傳感器、傾角傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、RS485通信單元、電源管理單元和數(shù)字信號(hào)處理器組成。本發(fā)明的核心是利用雙壓力傳感器檢測(cè)水中壓力,根據(jù)流體力學(xué)中的Bernoulli方程式所描述的水中壓力計(jì)算公式,推導(dǎo)出過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻的深度,根據(jù)加速度傳感器和角度傳感器數(shù)據(jù)連續(xù)估計(jì)過(guò)零點(diǎn)以外其他時(shí)間的深度,再根據(jù)非過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻波數(shù)和波高計(jì)算關(guān)系式計(jì)算波數(shù)和波高。本發(fā)明所提供的技術(shù)方法不僅具有其新潁性和創(chuàng)造性,而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便,能廣泛地用于水下機(jī)器人、通信浮標(biāo)和其它潛水測(cè)深系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01C13/00GK101706275SQ20091007315
公開(kāi)日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月9日
發(fā)明者馮馳, 張海東, 李康 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)
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