一种船舶实时姿态测量方法与流程

本发明涉及船舶实时姿态监测技术领域，具体而言，涉及一种船舶实时姿态测量方法。

背景技术：

随着现代船舶的发展，其尺寸逐渐增大，营运条件更为复杂，船舶的安全营运问题也尤为突出。为对船舶在航行过程中的安全状态进行更为准确的监测，需要实时获取船舶的运动姿态参数，通常通过机械式纵横倾角姿态测量装置或磁测式测量装置实时获取船舶的运动姿态参数。然而，现有的机械式纵横倾角姿态测量装置和磁测式测量装置存在结构复杂、测量精度低、测量响应时间长等问题，已不再能满足船舶现代化的需求。

技术实现要素：

本发明就是为了解决现有船舶通过机械式纵横倾角姿态测量装置或磁测式测量装置结构复杂、测量精度低、测量响应时间长的技术问题，提供了一种通过船载多个传感器组成的测量网络和计算机处理系统，对船舶的姿态进行实时反馈的船舶实时姿态测量方法。

本发明的技术方案是，提供一种船舶实时姿态测量方法，包括监测系统，所述监测系统包括电源模块、数据处理模块、z轴加速度传感器、倾角传感器、m个船艏加速度传感器、n个船舷加速度传感器、k个船艉加速度传感器，倾角传感器设置在船舶的船体的中心位置，船体的中心位置是指船体的中轴线的中心点；z轴加速度传感器设置在船体的中心位置；倾角传感器用于测量船体的纵横倾角，z轴加速度传感器用于测量船体的z轴加速度；

m个船艏加速度传感器设置在船体的船艏处且以船体的中轴线对称布置，所述n个船舷加速度传感器设置在船体的中轴线两侧且对称布置，所述k个船艉加速度传感器设置在船体的船艉处且以船体的中轴线对称布置；

船舶实时姿态测量方法包括以下步骤：

定义θ为倾角传感器测得的纵倾角度，β为倾角传感器测得的横倾角度，当|θ|≥5°且|β|＜5°时，认为船体处于纵倾状态；当|θ|＜5°且|β|≥5°时，认为船体处于横倾状态；船体的升沉状态δz利用以下公式(1)计算可得：

公式(1)中，为z轴加速度传感器测得的z轴加速度，δz为船体在竖直方向上的位移，δz＞1时认为船体处于升高状态，δz＜-1时认为船体处于下沉状态，-1≤δz≤1时认为船体处于平稳状态；

数据处理模块通过以下公式(2)计算船体绝对加速度

公式(2)中，k1，k2，k3为加权系数，当|θ|＜5°且|β|≥5°时，k1取值0.6～0.9，k2取值0.1～0.4，k3取值0.1～0.4；当|θ|≥5°且|β|＜5°时，k1取值0.1～0.4，k2取值0.6～0.9，k3取值0.6～0.9；船舷的绝对加速度船艏的绝对加速度船艉的绝对加速度的计算公式分别如下式(3)、(4)、(5)：

公式(3)中：

公式(6)、(7)中，表示船舷处x轴加速度的平均值，表示船舷处y轴加速度的平均值，n表示船舷加速度传感器的个数，n的取值是2以上的偶数；

公式(4)中：

公式(8)、(9)中，表示为船艏处x轴加速度的平均值，表示船艏处y轴加速度的平均值，m表示船艏加速度传感器的个数，m的取值是2以上的偶数；

公式(5)中：

公式(10)、(11)中，表示船艉处x轴加速度的平均值，表示船艉处y轴加速度的平均值，k表示船艉加速度传感器的个数，k的取值是2以上的偶数；

通过以下公式(13)计算船体当前时刻所受浮力大小

公式(13)中，为初始状态下船体所受的浮力，为船体当前时刻在纵横方向上所受外力情况，通过以下公式(14)计算获得：

公式(14)中，m为船体总质量，为由上述公式(2)计算的船体绝对加速度

优选地：通过以下公式(12)计算船体在地理坐标系下的运动变化率

公式(12)中，为科里奥利加速度，为地球自转产生的向心加速度，为船体所处位置的重力加速度；

对进行两次积分，即可得到船体的位移数据。

本发明的有益效果是，测量系统结构简单，能够快速地、准确地监测船舶的纵横倾角、升沉状态、浮力情况、位移数据。

本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是各个传感器分布在船舶上的侧视图；

图2是各个传感器在船舶上的整体分布图；

图3是各个传感器与数据处理模块连接通讯的原理框图。

图中符号说明：

1.船舶，2.倾角传感器，3.第一船艏加速度传感器，4.第一船舷加速度传感器，5.第一船艉加速度传感器，6.第二船艏加速度传感器，7.第二船舷加速度传感器，8.第二船艉加速度传感器，9.z轴加速度传感器。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和2所示，倾角传感器2安装在船舶1的船体的中心位置，船体的中心位置是指船体的中轴线的中心点。z轴加速度传感器9也安装在船体的中心位置。倾角传感器2用来实时测量船体的纵横倾角，z轴加速度传感器9用于实时测量船体的z轴加速度。

第一船艏加速度传感器3和第二船艏加速度传感器6安装在船体的船艏处且以船体的中轴线对称布置，图中显示第一船艏加速度传感器3和第二船艏加速度传感器6的数量是一对。第一船舷加速度传感器4和第二船舷加速度传感器7安装在船体的中轴线两侧且对称布置，第一船舷加速度传感器4和第二船舷加速度传感器7位于船体左右舷处。第一船艉加速度传感器5和第二船艉加速度传感器8安装在船体的船艉处且以船体的中轴线对称布置，图中显示第一船艉加速度传感器5和第二船艉加速度传感器8的数量是一对。第一船艏加速度传感器3、第一船舷加速度传感器4、第一船艉加速度传感器5、第二船艏加速度传感器6、第二船舷加速度传感器7和第二船艉加速度传感器8用于采集船舶实时的加速度信息。

z轴加速度传感器9具体可以采用单轴加速度传感器、双轴加速度传感器或三轴加速度传感器。第一船艏加速度传感器3、第一船舷加速度传感器4、第一船艉加速度传感器5、第二船艏加速度传感器6、第二船舷加速度传感器7和第二船艉加速度传感器8具体可以采用单轴加速度传感器、双轴加速度传感器或三轴加速度传感器。

如图3所示，电源模块分别向倾角传感器、数据处理模块、显示模块以及各个加速度传感器供电，显示模块与数据处理模块相连，倾角传感器与数据处理模块连接，各个加速度传感器分别与数据处理模块连接。电源模块、数据处理模块和显示模块放置于船舶的控制箱内。数据处理模块根据各个传感器采集的数据进行综合处理，最终计算得到船舶的纵横倾角、升沉状态、浮力情况等一系列数据。

定义θ为倾角传感器2测得的纵倾角度，β为倾角传感器2测得的横倾角度。当|θ|≥5°且|β|＜5°时，认为船体处于纵倾状态；当|θ|＜5°且|β|≥5°时，认为船体处于横倾状态。船体的升沉状态δz利用以下公式(1)计算可得。

公式(1)中，为船体中心位置处z轴加速度传感器9测得的z轴加速度，单位为m/s²；δz为船体在竖直方向上的位移，单位为m。δz＞1时认为船体处于升高状态，δz＜-1时认为船体处于下沉状态，-1≤δz≤1时认为船体处于平稳状态。

数据处理模块通过以下公式(2)对船体上多个加速度传感器进行动态加权后得到船体绝对加速度

船体绝对加速度的单位为m/s²，船舷的绝对加速度的单位是m/s²，船艏的绝对加速度的单位是m/s²，船艉的绝对加速度的单位是m/s²。

公式(2)中，k1，k2，k3为加权系数，当|θ|＜5°且|β|≥5°时，k1取值0.6～0.9，k2取值0.1～0.4，k3取值0.1～0.4；当|θ|≥5°且|β|＜5°时，k1取值0.1～0.4，k2取值0.6～0.9，k3取值0.6～0.9。船舷的绝对加速度船艏的绝对加速度船艉的绝对加速度的计算公式分别如下式(3)、(4)、(5)：

公式(3)中：

公式(6)、(7)中，表示船舷处x轴加速度的平均值(单位为m/s²)，表示船舷处y轴加速度的平均值(单位为m/s²)，n表示船舷加速度传感器的个数，n的取值是2以上的偶数。

公式(4)中：

公式(8)、(9)中，表示为船艏处x轴加速度的平均值，表示船艏处y轴加速度的平均值，m表示船艏加速度传感器的个数，m的取值是2以上的偶数。

公式(5)中：

公式(10)、(11)中，表示船艉处x轴加速度的平均值(单位为m/s²)，表示船艉处y轴加速度的平均值(单位为m/s²)，k表示船艉加速度传感器的个数，k的取值是2以上的偶数。

通过以下公式(12)计算船体在地理坐标系下的运动变化率，对进行两次积分，即可得到船体的位移数据。

公式(12)中，为科里奥利加速度，单位为m/s²；为地球自转产生的向心加速度，单位为m/s²；为船体所处位置的重力加速度，单位为m/s²。

通过以下公式(13)计算船体当前时刻所受浮力大小

公式(13)中，为初始状态下船体所受的浮力，单位为牛，方向与重力相反，竖直向上。为船体当前时刻在纵横方向上所受外力情况，单位为牛，通过以下公式(14)计算获得：

公式(14)中，m为船体总质量，单位为千克；为由上述公式(2)计算的船体绝对加速度

按照图1和2举例，当船艏加速度传感器的个数m＝2，也就是说有第一船艏加速度传感器3、第二船艏加速度传感器6，即有两个船艏加速度传感器；船艉加速度传感器的个数k＝2，也就是说有第一船艉加速度传感器5、第二船艉加速度传感器8，即有两个船艉加速度传感器；船舷加速度传感器的个数n＝2，也就是说有第一船舷加速度传感器4、第二船舷加速度传感器7，即有两个船舷加速度传感器，进行举例，那么：

根据上述公式(4)，

根据上述公式(5)，

根据上述公式(3)，

根据上述公式(2)，船体绝对加速度的值为：

当船艏加速度传感器的个数m＝4时，也就是说有两对船艏加速度传感器，即有两个船艏加速度传感器3、两个船艏加速度传感器6。当船艉加速度传感器的个数k＝4，也就是说有两对船艉加速度传感器，即有两个第一船艉加速度传感器5、两个第二船艉加速度传感器8。当船舷加速度传感器的个数n＝4时，也就是说有两对船舷加速度传感器，即有两个第一船舷加速度传感器4、两个第二船舷加速度传感器7。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。