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基于数据融合的无人帆船真风计算方法

何成龙 迟书凯 宇文国朴 胡新遥 魏鹏飞 黎明

何成龙, 迟书凯, 宇文国朴, 等. 基于数据融合的无人帆船真风计算方法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 66-78 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0017
引用本文: 何成龙, 迟书凯, 宇文国朴, 等. 基于数据融合的无人帆船真风计算方法[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 66-78 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0017
HE Chenglong, CHI Shukai, YUWEN Guopu, HU Xinyao, WEI Pengfei, LI Ming. Calculation Method of True Wind of Unmanned Sailboat Based on Data Fusion[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 66-78. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0017
Citation: HE Chenglong, CHI Shukai, YUWEN Guopu, HU Xinyao, WEI Pengfei, LI Ming. Calculation Method of True Wind of Unmanned Sailboat Based on Data Fusion[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2024, 32(1): 66-78. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0017

基于数据融合的无人帆船真风计算方法

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0017
基金项目: 青岛市关键技术公关及产业化示范项目资助(22-3-3-hygg-7-hy)科技开发与协作项目资助(20210109)
详细信息
    通讯作者:

    迟书凯(1980-), 男, 博士, 高级工程师, 主要研究方向为海洋智能仪器

  • 中图分类号: TJ630.1; U674.94

Calculation Method of True Wind of Unmanned Sailboat Based on Data Fusion

  • 摘要: 针对无人帆船真风获取困难且所用风传感器受帆船姿态影响的问题, 提出了一种基于姿态信息、相对风和航行风融合的无人帆船真风计算方法。首先利用姿态仪获得帆船的俯仰角和横滚角, 通过空间坐标旋转变换矫正相对风测量结果; 其次利用卡尔曼滤波算法对航行风和矫正后的相对风进行滤波; 最后利用扩展卡尔曼滤波进行真风融合计算。实验证明, 该方法能够有效抑制帆船运动对风测量的影响, 准确提取真风风速和风向, 满足无人帆船航行控制需求。

     

  • 图  1  速度三角形

    Figure  1.  Velocity triangle

    图  2  设计系统整体框图

    Figure  2.  Overall block diagram of the designed system

    图  3  空间坐标旋转

    Figure  3.  Space coordinate rotation

    图  4  第1组参数滤波效果

    Figure  4.  Filter effect of group 1 parameters

    图  5  第2组参数滤波效果

    Figure  5.  Filter effect of group 1 parameters

    图  6  参数选用判定流程图

    Figure  6.  Flow chart of parameter selection judgment

    图  7  参数自适应卡尔曼滤波效果

    Figure  7.  Effect of parameter adaptive Kalman filter

    图  8  实验平台

    Figure  8.  Experiment platform

    图  9  实验框图

    Figure  9.  Experiment block diagram

    图  10  俯仰角0°时不同横滚角风向风速矫正结果

    Figure  10.  Correction results of wind direction and speed for different roll angles with a pitch angle of 0°

    图  11  横滚角0°时不同俯仰角风向风速矫正结果

    Figure  11.  Correction results of wind direction and speed for different pitch angles with a roll angle of 0°

    图  12  真风融合结果

    Figure  12.  True wind fusion results

    图  13  真风融合结果误差

    Figure  13.  True wind fusion result error

  • [1] Dong Y, Wu N, Qi J, et al. Predictive course control and guidance of autonomous unmanned sailboat based on efficient sampled Gaussian process[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2021, 9(12): 1420. doi: 10.3390/jmse9121420
    [2] 雷卫延, 黄海㼆, 李源鸿, 等. 船舶自动气象站真风观测试验与数据可靠性分析[J]. 海洋预报, 2019, 36(5): 47-52. doi: 10.11737/j.issn.1003-0239.2019.05.006

    Lei Weiyan, Huang Haiying, Li Yuanhong, et al. Ship automatic weather station true wind observation experiment and data reliability analyze[J]. Marine Forecasts, 2019, 36(5): 47-52. doi: 10.11737/j.issn.1003-0239.2019.05.006
    [3] 李志乾, 漆随平, 胡桐, 等. 航行船舶真风误差源分析[J]. 海洋技术学报, 2019, 38(2): 78-84.

    Li Zhiqian, Qi Suiping, Hu Tong, et al. Analysis on the Error Source for Ocean Ship's True Wind[J]. Journal of Ocean Technology, 2019, 38(2): 78-84.
    [4] 左少燕, 蔡烽, 李岩, 等. 船舶真风速风向的实时解算与分析研究[C]//中国造船工程学会船舶力学学术委员会测试技术学组2021年学术会议论文集. 昆明: 中国造船工程学会, 2021: 150-157.
    [5] 王大志, 郭晓艳, 慈元达, 等. 一种用于船舶真风测量标定的装置: CN110554213A[P]. 2019-12-10.
    [6] 周亦武, 王国锋, 赵永生. 船舶摇摆状态下风速测量误差分析与补偿研究[J]. 仪器仪表学报, 2014, 35(6): 1239-1245.

    Zhou Yiwu, Wang Guofeng, Zhao Yongsheng. Research on error analysis and compensation of wind speed measurement for ships under swaying motions[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2014, 35(6): 1239-1245.
    [7] 王国峰, 赵永生, 范云生. 风速风向测量误差补偿算法的研究[J]. 仪器仪表学报, 2013, 34(4): 786-790.

    Wang Guofeng, Zhao Yongsheng, Fan Yunsheng. Research on error compensation algorithm for wind speed and direction measurement[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(4): 786-790.
    [8] 于永清, 范云生, 王国锋, 等. 船舶运动状态下风速风向测量补偿与数字仿真[J]. 计算机测量与控制, 2016, 24(10): 32-35.

    Yu Yongqing, Fan Yunsheng, Wang Guofeng, et al. Compensation and digital simulation for measurement of wind speed and direction with ships motion[J]. Computer Measurement & Control, 2016, 24(10): 32-35.
    [9] 郭颜萍, 胡桐, 李志乾, 等. 船舶相对风的融合算法研究[J]. 舰船科学技术, 2020, 42(5): 34-39.

    Guo Yanping, Hu Tong, Li Zhiqian, et al. Research on fusion algorithm of wind relative to the ship[J]. Ship Science and Technology, 2020, 42(5): 34-39.
    [10] 周艳青, 薛河儒, 姜新华, 等. 基于改进的卡尔曼滤波算法的气象数据融合[J]. 计算机系统应用, 2018, 27(4): 184-189.

    Zhou Yanqing, Xue Heru, Jiang Xinhua, et al. Meteorological data fusion based on proposed Kalman filter method[J]. Computer Systems & Applications, 2018, 27(4): 184-189.
    [11] 缪国平. 帆船运动的力学原理[J]. 力学与实践, 1994(1): 9-18.
    [12] 王倩. 无人帆船循迹航行的控制研究[D]. 上海: 上海交通大学, 2015.
    [13] Andersen R A, Snyder L H, Li C S, et al. Coordinate transformations in the representation of spatial information[J]. Current opinion in neurobiology, 1993, 3(2): 171-176. doi: 10.1016/0959-4388(93)90206-E
    [14] Welch G F. Kalman filter[J/OL]. Computer Vision: A Reference Guide, 2020: 1-3. https://doi.org/10.1007/978-3-030-03243-2_716-1.
    [15] 成春彦, 李亚安. EKF和UKF在双观测站纯方位目标跟踪中的应用[J]. 水下无人系统学报, 2023, 31(3): 388-397.

    Cheng Chunyan, Li Yaan. Applications of EKF and UKF algorithms in bearings-only target tracking with a double observation stations[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2023, 31(3): 388-397.
    [16] Şahın H, Gürkan B, Ömürlü V E. Sensor fusion design by extended and unscented Kalman filter approaches for position and attitude estimation[C]//2022 International Congress on Human-Computer Interaction, Optimization and Robotic Applications(HORA). Ankara, Turkey: IEEE, 2022: 1-10.
    [17] 郭龙祥, 虞涵钧, 生雪莉, 等. 基于协同探测数据融合的水下多目标跟踪[J]. 水下无人系统学报, 2018, 26(5): 387-394.

    Guo Longxiang, Yu Hanjun, Sheng Xueli, et al. Underwater multi-target tracking based on collaborative detection data fusion[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2018, 26(5): 387-394.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-02-27
  • 修回日期:  2023-04-04
  • 录用日期:  2023-05-08
  • 网络出版日期:  2024-03-08

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