船舶波浪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理

1、船舶波浪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助課題(No.20090172110008，No.20090172120041) 陳愛(ài)國(guó)1，葉家瑋2，陳遠(yuǎn)明2作者簡(jiǎn)介：陳愛(ài)國(guó)(1973-), 男, 教授,主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造研究. E-mail: chenaigu1.51.51.51.51.51.51.51.51.5School of ship Engineering, Guangzhou Maritime College, Guangzhou 510725;School of Civil Engineering and Transportation, So

2、uth China University of Technology, Guangzhou 510640;School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640廣州航海高等專(zhuān)科學(xué)校船舶工程學(xué)院，廣州 510725;華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510640;華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510640510700020-32083083;廣州黃埔紅山三路101號(hào);chenaigu;yjw4360;scutcym 陳

3、愛(ài)國(guó)(1973-), 男, 教授,主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造研究.;陳愛(ài)國(guó);葉家瑋;陳遠(yuǎn)明CHEN Aiguo;YE Jiawei;CHEN Yuanming陳愛(ài)國(guó)1.5高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助課題(No.20090172110008，No.20090172120041)1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*期刊*|*陳愛(ài)國(guó),葉家瑋,陳遠(yuǎn)明.基于加速度計(jì)陣列的艦船波浪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)J.深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版,2010,27(3):374-378.2*|*學(xué)位論文*|*陳愛(ài)國(guó).新型艦船過(guò)駁波浪補(bǔ)償系統(tǒng)關(guān)健性技術(shù)研究D.廣州：華南理工大學(xué)，2011.

4、3*|*期刊*|*陳遠(yuǎn)明,葉家瑋,魏棟.波浪運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究J.機(jī)床與液壓,2008.36(4): 67一714*|*學(xué)位論文*|*陳遠(yuǎn)明.艦（船）載直升機(jī)平臺(tái)升沉補(bǔ)償系統(tǒng)的試驗(yàn)研究D.廣州：華南理工大學(xué),2007.5*|*論文集*|*CHEN Ai-guo,YE Jia-wei (2009). Research on Four-Layer Back Propagation Neural Network for the Computation of Ship ResistanceA.the 2009 IEEE International Conference Proceeding

5、s on Mechatronics and AutomationC.Changchun, 2009.2537-25416*|*期刊*|*陳為真,汪秉文,胡曉婭.基于時(shí)域積分的加速度信號(hào)處理J. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,38(1):1-4.7*|*期刊*|*劉洋,孫玉發(fā),薛冬.一種解決電場(chǎng)積分方程低頻失效的新方法J.安徽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版) ,2012,36(2):55-59.8*|*期刊*|*魏文斌,于文震.適于目標(biāo)檢測(cè)的寬帶回波信號(hào)去高頻方法J.現(xiàn)代雷達(dá),2010,32(9):31-35.*|1|陳愛(ài)國(guó)|CHEN Aiguo|廣州航海高等專(zhuān)科學(xué)校船舶工程學(xué)院，廣州 510

6、725|School of ship Engineering, Guangzhou Maritime College, Guangzhou 510725| 陳愛(ài)國(guó)(1973-), 男, 教授,主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造研究.|廣州黃埔紅山三路101號(hào)|510700|chenaigu15920982149|2|葉家瑋|YE Jiawei|華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510640|School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guan

7、gzhou 510640|yjw4360|3|陳遠(yuǎn)明|CHEN Yuanming|華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510640|School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640|scutcym |船舶波浪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理|Measurement Technique and Data Processing of Ship Wave Movement|高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助課題(No.20090172110008，No.20

8、090172120041)（1. 廣州航海高等專(zhuān)科學(xué)校船舶工程學(xué)院，廣州 510725；2. 華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510640）摘要：為解決基于加速度計(jì)陣列的船舶波浪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的加速度積分誤差過(guò)大這一工程難題，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了液壓驅(qū)動(dòng)的船舶波浪運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)，通過(guò)對(duì)所檢測(cè)的加速度數(shù)據(jù)頻譜分析和積分處理的試驗(yàn)研究，介紹了去除直流分量、低頻分量、高頻分量和積分常數(shù)項(xiàng)等積分誤差的方法。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)加數(shù)度數(shù)據(jù)的時(shí)域積分、頻域?yàn)V波后時(shí)域積分和全頻域積分處理方法的研究，提出了它們有效的處理流程，積分效果的對(duì)比研究表明，采用全頻域積分處理方法是解決其中積分誤差過(guò)大問(wèn)題的最佳選擇。關(guān)鍵詞：船舶；波浪運(yùn)

9、動(dòng)；加速度計(jì)；傳感器中圖分類(lèi)號(hào)：U664.4+3Measurement Technique and Data Processing of Ship Wave MovementCHEN Aiguo1, YE Jiawei2, CHEN Yuanming2(1. School of ship Engineering, Guangzhou Maritime College, Guangzhou 510725;2. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzho

10、u 510640)Abstract: In order to solve the engineering challenge that the acceleration integral error of the detection system of ships wave movement based on accelerometer array is too large, the hydraulic drive experimental platform simulating ship wave movement is designed and constructed. Through t

11、he spectrum analysis and experimental study on the integral of the detected acceleration data, the removal method of the integral error of the direct-current component, low-frequency component, high-frequency component and integral constant, are put forth. the effective processes of the whole Time-d

12、omain integral, the time-domain integral after filtering in the frequency domain and the whole frequency domain integral are presented. the comparative study of their integral effect shows that the whole frequency domain integral are the best option of the removal of the too large integral error.Key

13、 words: ship; wave movement; accelerometer; sensor0 引言基于文獻(xiàn)1對(duì)基于加速度計(jì)陣列的船舶波浪運(yùn)動(dòng)檢測(cè)原理進(jìn)行的研究，加速度計(jì)陣列的配置如圖1所示。圖1 加速度計(jì)配置圖Fig.1 Configuration of acceleration indicators在Q點(diǎn)采用一個(gè)三軸加速度計(jì)，在A、B、C點(diǎn)各采用一個(gè)二軸加速度計(jì)，通過(guò)檢測(cè)的加速度來(lái)計(jì)算船舶的波浪運(yùn)動(dòng)的角速度和角加速度，從而可以計(jì)算出任意坐標(biāo)點(diǎn)處的三向加速度，通過(guò)積分和坐標(biāo)變換計(jì)算出船舶任意坐標(biāo)點(diǎn)處的速度和位移。但要真正建立起能應(yīng)用于工程實(shí)踐的基于加速度計(jì)陣列的船舶波浪運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集系

14、統(tǒng)，建立加速度數(shù)據(jù)檢測(cè)和積分處理系統(tǒng)是其關(guān)健。為了解決此問(wèn)題，本文對(duì)之進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。1 加速度數(shù)據(jù)檢測(cè)船舶模擬運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的建立本船舶波浪運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)檢測(cè)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。從系統(tǒng)的簡(jiǎn)易性上考慮采用了3缸系統(tǒng)，由固定支架、船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)板、船舶運(yùn)動(dòng)模擬執(zhí)行油缸、連桿、頂推彈簧、鉸鏈、加速度傳感器、油缸位移傳感器、平臺(tái)位移傳感器和相關(guān)控制單元組成。試驗(yàn)中，通過(guò)使三個(gè)船舶運(yùn)動(dòng)模擬執(zhí)行油缸的動(dòng)作來(lái)逼近設(shè)定的船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)板上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)1。 圖2 加速度數(shù)據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖 圖3 船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的液壓原理圖Fig.2 Schematic drawing of the accelerat

15、ion Fig.3 Hydraulic circuit of the ship movement simulating platform data detect system圖3為船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)的液壓原理圖，由液壓泵、溢流閥、單向閥、電液比例方向閥、液壓缸、位移傳感器及控制單元所組成。系統(tǒng)通過(guò)在工控機(jī)中設(shè)定船舶運(yùn)動(dòng)圖4 加速度數(shù)據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)控制信號(hào)的總流程圖Fig.4 Flow chart of the control signals of the acceleration data detect system模擬平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的某種規(guī)律，換算出各個(gè)液壓缸位置處的具體升沉數(shù)值，在完成液壓缸位移的

16、檢測(cè)和模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入、運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)、液壓缸同步及智能控制等運(yùn)算后，由數(shù)模轉(zhuǎn)換和相關(guān)的電控制單元按一定的控制策略輸出控制信號(hào)給電液比例方向閥，從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)板的按一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)2。加速度數(shù)據(jù)檢測(cè)試驗(yàn)系統(tǒng)控制單元的信號(hào)總流程如圖4所示3。2 船舶波浪運(yùn)動(dòng)加速度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)與積分分析對(duì)上述船舶波浪運(yùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)采用自動(dòng)1模式，操縱平臺(tái)進(jìn)行周期為3s的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，采集平臺(tái)的位移和三個(gè)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析研究4。2.1 實(shí)測(cè)加速度頻譜和簡(jiǎn)單積分以采集時(shí)間間隔st=0.01s，采樣頻率sf=1/st=100Hz，對(duì)加速度B采集到2744個(gè)數(shù)據(jù)，加速度計(jì)B采集的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所

17、示。 圖5 加速度計(jì)B測(cè)量的加速度數(shù)據(jù)Fig.5 Acceleration data measured by the accelerometer B設(shè)一樣本長(zhǎng)度為T(mén)的時(shí)域信號(hào)x(t)經(jīng)數(shù)據(jù)采集后，形成離散數(shù)據(jù)x(n)。如果在時(shí)間T內(nèi)采集N個(gè)數(shù)據(jù)，則x(t)歸一化的離散傅里葉變換(DFT)為 （1）式中：n和k取為0,1,2, (N-1)。DFT采用離散傅里葉變換快速算法(FFT) 5。x(n)經(jīng)離散傅里葉變換后得到的X(k)是一個(gè)長(zhǎng)度為N的復(fù)數(shù)序列(頻譜) （2）加速度信號(hào)頻域一次積分的數(shù)值計(jì)算公式為： （3）加速度信號(hào)頻域二次積分的數(shù)值計(jì)算公式可概括為： （4）其中， （5）式中k，n和r取

18、值為0,1,2,N-1；和分別為帶通濾波的下限截止頻率和上限截止頻率；為時(shí)域信號(hào)x(n)的傅立葉變換；為頻率分辨率；為帶通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)。最后將獲得的頻域積分信號(hào)通過(guò)傅立葉逆變換轉(zhuǎn)換回到時(shí)域獲得速度和位移的時(shí)域信號(hào)。 按式（6）計(jì)算功率譜Pxx = X* conj(X) / N （6）得到其功率譜曲線(xiàn)見(jiàn)圖6所示。圖6 實(shí)測(cè)加速度功率譜曲線(xiàn)Fig.6 Power spectrum of the measured acceleration data從圖6及進(jìn)一步分析得知其主瓣在6.6406Hz時(shí)；主要的旁瓣在0.3418Hz時(shí)。并具有多個(gè)較小的高頻旁瓣。對(duì)實(shí)測(cè)加速度分別采用頻域積分和辛普森（

19、simpson）時(shí)域積分算法進(jìn)行求得速度和位移6，并對(duì)實(shí)測(cè)位移采用三點(diǎn)插值型求導(dǎo)公式求得速度，得到的三種位移和速度數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖7和8所示。圖7三種速度數(shù)據(jù)的比較Fig.7 Compare of three kinds of velocity data圖8三種位移數(shù)據(jù)的比較Fig.8 Compare of three kinds of displacement data 從圖可見(jiàn)積分得到的速度和位移具有很大的誤差，必須采用合理的措施提高精度。2.2 仿真加速度的建立及時(shí)域積分誤差分析為便于分析，據(jù)圖6及編程分析建立的仿真加速度如下：（7）對(duì)此仿真函數(shù)同樣地用采樣頻率為100Hz采集2744個(gè)數(shù)

20、據(jù)。對(duì)加速度中各項(xiàng)的影響和應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行分析。（1）直流分量的誤差影響及其應(yīng)對(duì)措施分析在加速度計(jì)檢測(cè)的原始信號(hào)中由于零點(diǎn)誤差等原因不可避免地存在直流分量。仿真加速度函數(shù)的直流分量，引起的速度和位移時(shí)域誤差如圖9、10所示。圖9直流分量對(duì)積分速度的影響Fig. 9 Integral velocity error of the direct current component 圖10直流分量對(duì)積分位移的影響Fig. 10 Integral displacement error of the direct current component從圖可見(jiàn)，較小的加速度直流分量誤差，將引起速度一次項(xiàng)誤差和位移

21、二次項(xiàng)誤差，在積分時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，由于對(duì)時(shí)間積分的累積作用，將產(chǎn)生超過(guò)真實(shí)信號(hào)幅值的很大的誤差。為了消除直流分量，應(yīng)對(duì)周期信號(hào)的加速度一般采用去平均值法或者用最小二乘法。（2）積分常數(shù)項(xiàng)的誤差影響及其應(yīng)對(duì)措施由于僅僅使用加速度計(jì)，進(jìn)行時(shí)域積分或定積分運(yùn)算時(shí)僅是令t=0的時(shí)刻初速度和初位移為零，而實(shí)際上并不零，由此便帶來(lái)了積分常數(shù)項(xiàng)誤差，圖9中的平衡位置嚴(yán)重偏離零線(xiàn)便是由于速度積分常數(shù)項(xiàng)引起的，而此項(xiàng)誤差經(jīng)過(guò)再次積分后在位移曲線(xiàn)中以一次項(xiàng)存在，加上位移的常數(shù)項(xiàng)誤差，使得圖10中位移曲線(xiàn)的總體變化趨勢(shì)以斜直線(xiàn)變化明顯偏離正常值（其中還包含低頻分量的影響）。因此積分常數(shù)項(xiàng)的誤差必須消除，消除方式是對(duì)速度

22、數(shù)據(jù)去平均值（采樣總時(shí)長(zhǎng)很長(zhǎng)或者應(yīng)是主要周期的整數(shù)倍），對(duì)位移數(shù)據(jù)也可通過(guò)多項(xiàng)式擬合的方式去一次多項(xiàng)式項(xiàng)。（3）低頻分量的誤差影響及其應(yīng)對(duì)措施在仿真加速度函數(shù)中的低頻分量如下式所示： （8）去除積分常數(shù)項(xiàng)影響后誤差影響如圖11、12所示。圖11低頻分量去除積分常數(shù)影響后對(duì)積分速度的影響Fig.11 Integral velocity error of the low frequency component When the effect of integral constants was eliminated圖12低頻分量去除積分常數(shù)影響后對(duì)積分位移的影響Fig.12 Integral dis

23、placement error of the low frequency component When the effect of integral constants was eliminated可見(jiàn)，加速度低頻分量的幅值僅只有理想值的6.3111/51.1152=12.35%，但是隨著時(shí)間的推移卻很塊成為時(shí)域積分中速度和位移的最主要影響項(xiàng)?？梢?jiàn)時(shí)域積分時(shí)，除非積分步數(shù)很少，否則是必須消除低頻分量的誤差影響。為去除低頻趨勢(shì)項(xiàng)可以進(jìn)行高通濾波法、分段多項(xiàng)式擬合去趨勢(shì)項(xiàng)法和EMD分解去趨勢(shì)項(xiàng)法等方法7。（4）高頻分量的誤差影響及其應(yīng)對(duì)措施分析在仿真函數(shù)中的高頻分量有兩個(gè)，分別如下： （9） （1

24、0）通過(guò)對(duì)高頻分量對(duì)誤差的影響作圖和分析可知，高頻分量主要是影響積分后曲線(xiàn)的光滑度，使得在速度低頻曲線(xiàn)上產(chǎn)生較大的高頻波動(dòng)，對(duì)本課題采用速度控制，將造成控制系統(tǒng)不必要的高頻動(dòng)作，因此也應(yīng)消除其誤差影響。為消除高頻分量可采用加權(quán)平均法或高頻濾波法8。3 實(shí)測(cè)加速度的有效積分方法進(jìn)一步研究表明，采用數(shù)字濾波方法難以得到采樣時(shí)段末的準(zhǔn)確波形數(shù)據(jù)。結(jié)合對(duì)各種濾波方法的研究，得出了全時(shí)域積分、頻域?yàn)V波后時(shí)域積分和全頻域積分三種方法消除積分誤差的處理流程。（1）全時(shí)域積分處理方法據(jù)研究得出，對(duì)艦船波浪運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)實(shí)測(cè)加速度進(jìn)行完全時(shí)域內(nèi)處理和積分的流程圖如圖13所示。圖13 加速度滑動(dòng)濾波時(shí)域積分處理框圖

25、Fig.13 Flow chart of acceleration data integral processing in time domain after glide filtering對(duì)積分位移數(shù)據(jù)進(jìn)行30萬(wàn)次的五點(diǎn)滑動(dòng)處理，求得趨勢(shì)項(xiàng)曲線(xiàn)，去趨勢(shì)項(xiàng)后的位移趨線(xiàn)見(jiàn)圖14所示。圖14 時(shí)域積分位移去趨勢(shì)項(xiàng)曲線(xiàn)Fig.14 Integral displacement between before the trend terms are removed and after對(duì)圖5所示實(shí)測(cè)加速度進(jìn)行以上時(shí)域積分，得到位移曲線(xiàn)如圖14所示。從圖可見(jiàn)，時(shí)域積分的波形不太理想。（2）頻域?yàn)V波后時(shí)域積分處

26、理方法頻域?yàn)V波后時(shí)域積分處理流程見(jiàn)圖15所示。圖15 加速度頻域?yàn)V波時(shí)域積分處理框圖Fig.13 Flow chart of acceleration data integral processing in time domain after filtering in frequency domain對(duì)圖5所示實(shí)測(cè)加速度在0.20.5Hz進(jìn)行通帶頻域?yàn)V波，然后進(jìn)行時(shí)域積分，得到的速度和位移曲線(xiàn)如圖16和圖17所示。對(duì)圖17中的位移曲線(xiàn)可進(jìn)一步采用中點(diǎn)糾正為零點(diǎn)的方法進(jìn)行零點(diǎn)糾偏。圖16 實(shí)測(cè)加速度頻域?yàn)V波后時(shí)域積分速度Fig.16 Integral velocity of accelerati

27、on data filtered in frequency domain圖17 實(shí)測(cè)加速度頻域?yàn)V波后時(shí)域積分位移Fig.17 Integral displacement of acceleration data filtered in frequency domain(3)全頻域積分處理方法實(shí)測(cè)加速度數(shù)據(jù)頻域積分處理流程如圖18所示。對(duì)圖5所示的實(shí)測(cè)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域積分和濾波后得到的位移積分如圖19所示，從圖可見(jiàn)，對(duì)位移積分來(lái)說(shuō)主要是首尾波形的波幅偏小了一些。圖18 實(shí)測(cè)加速度頻域積分處理框圖Fig.18 Flow chart of acceleration data integral pr

28、ocessing in frequency domain 圖19 實(shí)測(cè)加速度頻域積分位移Fig.19 Integral displacement of the measured acceleration in frequency domain(4) 實(shí)測(cè)加速度三種積分處理措施比較首先對(duì)于無(wú)論哪一種積分處理方式，都要注意采用合適的采樣頻率。根據(jù)采樣定律，采樣頻率必須是我們要采取的頻率的兩倍以上，如果采樣頻率過(guò)低，將無(wú)法采集到我們所需要的頻率信號(hào)，無(wú)法進(jìn)行運(yùn)算處理。而采樣頻率過(guò)高，無(wú)疑地將增加數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，但對(duì)于頻域?yàn)V波還是可以方便地進(jìn)行濾波得到較好的加速度曲線(xiàn)，而對(duì)于時(shí)域加速度的滑動(dòng)加權(quán)平均濾

29、波法則很難獲得好的加速度曲線(xiàn)，必須進(jìn)行重采樣處理。而對(duì)于高頻采樣加速度數(shù)據(jù)積分后數(shù)據(jù)的處理，三種積分方式都可采用相應(yīng)的方法解決好。在處理措施的復(fù)雜性上，時(shí)域積分方式由于采用平滑處理濾波和去趨勢(shì)項(xiàng)的處理方式，比較麻煩。一個(gè)是進(jìn)行平滑處理的次數(shù)要反復(fù)試驗(yàn)確定，次數(shù)太少時(shí)，濾波達(dá)不到濾波的目的，去趨勢(shì)項(xiàng)時(shí)消除的有用成份過(guò)多，使得處理后幅值大大降低；次數(shù)太多時(shí)，濾波的能量損失大，而去趨勢(shì)項(xiàng)時(shí)達(dá)不到去趨勢(shì)項(xiàng)的目的。二個(gè)是去趨勢(shì)項(xiàng)時(shí)平滑處理的次數(shù)是很大的（本課題為10萬(wàn)次），將花費(fèi)很多時(shí)間（本課題的時(shí)域積分處理耗時(shí)5.071s），不利于實(shí)時(shí)應(yīng)用的場(chǎng)合。而頻域?yàn)V波后時(shí)域積分處理時(shí)是比較方便的(本課題的頻域?yàn)V波后時(shí)域積分處理耗時(shí)0.324s)。直接進(jìn)行頻域?yàn)V波和積分最簡(jiǎn)單省時(shí)(本課