[发明专利]一种基于惯性传感器的海浪起伏幅度检测方法及系统

权利要求书

1.一种基于惯性传感器的海浪起伏幅度检测方法，该方法基于在海面上设备安装的惯性传感器实现，所述方法包括：

获取惯性传感器采集的加速度和角速度；

基于加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；

利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的z轴线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的z轴线加速度；

基于海浪频谱范围内的z轴线加速度，通过二次积分计算海浪在z轴方向的起伏幅度。

2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的海浪起伏幅度检测方法，其特征在于，所述基于惯性传感器采集的加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；具体包括：

在t时刻、传感器体坐标系下，惯性传感器的检测数据为：

其中为传感器体坐标系下，惯性传感器在x,y,z三个方向的加速度，单位为m/s2；为传感器体坐标系下，惯性传感器在翻转、俯仰、偏航三个角度上的角速度，单位为rad/s；

根据惯性传感器的旋转矩阵R(t)，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度

线加速度减去重力加速度，得到消除重力影响后的加速度f(t)：

其中，为的三个分量；f_x(t),f_y(t),f_z(t)分别为惯性传感器在x,y,z方向上的线加速度。

3.根据权利要求2所述的基于惯性传感器的海浪起伏幅度检测方法，其特征在于，所述惯性传感器的旋转矩阵R(t)的计算步骤，具体包括：

其中，s为加权参数；则k_P的大小决定互补滤波器的截止频率，k_I的大小决定了消除静态偏差的时间，k_I的大小为k_P的0.01～0.1倍；

R_w(t)为惯性传感器在t时刻的基于陀螺仪的旋转矩阵，设传感器数据采集的周期为δ_t，则惯性传感器在t+δ_t时刻的基于陀螺仪的旋转矩阵为R_w(t+δ_t)：

当t＝0时，R_w(t)为单位矩阵；

R_a(t)为惯性传感器在t时刻的基于加速度传感器的旋转矩阵：

其中，θ(t)、φ(t)和ψ(t)分别为加速度传感器检测的俯仰角、横滚角和偏航角：

4.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的海浪起伏幅度检测方法，其特征在于，所述利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的z轴线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的z轴线加速度；具体为：

设计一个截止频率为0.04Hz和0.25Hz、采样频率为100Hz，传递函数为H(s)的带通滤波器：

利用该带通滤波器对叠加低频和高频噪声的z轴线加速度f_z(t)进行滤波。

5.根据权利要求4所述的基于惯性传感器的海浪起伏幅度检测方法，其特征在于，所述基于海浪频谱范围内的z轴线加速度，通过二次积分计算海浪在z轴方向的起伏幅度，具体为：

基于z轴线加速度f_z(t)，通过二次积分的方法计算海浪在z轴方向的起伏幅度：

其中，p_z(t)和v_z(t)分别为t时刻海浪在z方向的位移和运动速度，p_z(0)＝0，v_z(0)＝0。

6.根据权利要求5所述的基于惯性传感器检测海浪起伏幅度的方法，其特征在于，所述方法还包括：对海浪在z方向的位移和运动速度进行滤波的步骤：

采用传递函数为H₁(s)的高通滤波器对p_z(t)和v_z(t)进行滤波：

所述高通滤波器的截止频率为0.01Hz。

7.一种基于惯性传感器的海浪起伏幅度检测系统，其特征在于，所述系统包括：

检测模块，用于获取惯性传感器采集的加速度和角速度；

计算模块，用于基于加速度和角速度，在消除惯性传感器的重力加速度影响的基础上，计算惯性传感器在世界坐标系下的线加速度；利用带通滤波器对惯性传感器在世界坐标系下的z轴线加速度进行滤波，获取海浪频谱范围内的z轴线加速度；基于海浪频谱范围内的z轴线加速度，通过二次积分计算海浪在z轴方向的起伏幅度。