Разработка и исследование методов и алгоритмов для измерения параметров трехмерного волнения волномерным буем на микромеханическом модуле тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Белова Ольга Олеговна

• Белова Ольга Олеговна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Белова Ольга Олеговна

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ существующих методов и средств измерений параметров морского волнения и их метрологического обеспечения. Постановка задачи исследования

1.1 Математическое описание морского волнения

1.2 Анализ принципов и особенностей работы ВБ различных типов, современное состояние развития ВБ

1.3 Микромеханические датчики и модули для использования в ВБ и методы оценки их характеристик

1.4 Особенности метрологического обеспечения измерений параметров волнения

1.5 Выводы к главе и постановка задачи исследования

Глава 2. Оценка точности измерений параметров волнения на основе исследования модели функционирования ВБ с микромеханическим инерциальным измерительным модулем

2.1 Постановка задачи исследования

2.2 Обоснование метода расчета ординат возвышений и статистических характеристик волнения

2.3 Исследование характеристик микромеханических датчиков,

входящих в состав ВБ

2.4 Алгоритм выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем

2.5 Оценка точности измерений параметров движения ИИМ

2.5.1 Разработка алгоритма и модели для оценки погрешностей ИИМ

2.5.2 Оценка погрешности алгоритма выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем ВБ на основе разработанной модели

2.5.3 Оценка погрешности выработки параметров движения инерциальным измерительным модулем ВБ с учетом особенностей датчиков на основе разработанной модели

2.6 Исследование алгоритма расчета статистических характеристик

2.7 Формирование требований к погрешностям датчиков ВБ для обеспечения гарантированной точности определения параметров

морского трехмерного волнения

2.8 Выводы к главе

Глава 3. Разработка экспериментальных методов оценки точности измерений параметров волнения. Оценка суммарной погрешности измерений параметров трехмерного волнения с помощью ВБ

3.1 Постановка задачи исследования

3.2 Разработка методов оценки динамических погрешностей микромеханических датчиков и модулей на их основе

3.2.1 Метод оценки динамических погрешностей микромеханических датчиков и модулей на основе воспроизведения колебаний в заданном спектре частот

3.2.2 Метод оценки частотных характеристик датчиков угловой скорости при воздействии линейных ускорений

3.3 Разработка метода экспериментальной оценки точности алгоритмов определения параметров волнения по данным от инерциального измерительного модуля

3.4 Анализ составляющих погрешности измерений параметров морского волнения с помощью ВБ на микромеханическом модуле

3.5 Метод оценки суммарной погрешности измерений параметров морского волнения

3.6 Выводы к главе

Глава 4. Использование разработанных методов оценки точности

измерений параметров трехмерного волнения при разработке ВБ «Шторм»

4.1 Постановка задачи

4.2 Описание ВБ «Шторм»

4.3 Исследование гидродинамических характеристик вертикальных и угловых колебаний первичного преобразователя ВБ «Шторм»

4.4 Экспериментальная оценки характеристик инерциального измерительного модуля ВБ «Шторм»

4.5 Натурные исследования метрологических характеристик ВБ

«Шторм»

4.6 Метод проектирования ВБ на микромеханическом модуле для обеспечения гарантированной точности измерений статистических параметров морского волнения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Математическое описание алгоритма выработки

параметров ориентации ИИМ

Приложение Б. Письма заинтересованных организаций, подтверждающие

актуальность тематики диссертационной работы

Приложение В. Акт об использовании результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов и алгоритмов для измерения параметров трехмерного волнения волномерным буем на микромеханическом модуле»

ВВЕДЕНИЕ

Информация о волнении является важнейшей для всех отраслей техники, связанных с морем. Она необходима для безаварийной работы морских портов, нефтяных платформ на шельфах морей и океанов, плантаций аквакультуры, обеспечения судоходства, арбитражных измерений при страховании объектов морской техники. Знание характеристик волнения как малой интенсивности (до 3 баллов), так и более значительного, необходима для оценки качества работы гидроакустических станций, посадки гидросамолётов, мореходных качеств кораблей, судоподъёмных операций и др. В связи с интерференцией, в районе даже с небольшой средней высотой волны может возникнуть одна или несколько значительных волн с большой энергией. Учитывая, что буровые и добычные морские платформы, плавучие резервуары, морские танкеры и другие суда, причальные морские и береговые сооружения и другие инженерные объекты предназначены для работы в условиях заданного предельного волнения, одна такая значительная волна может привести к аварийному разрушению такого объекта.

Наибольшее распространение среди измерителей волнения получили волномерные буи (ВБ), они являются компактными, надёжными приборами с большой автономностью, позволяющими передавать информацию дистанционно. С их помощью решается множество задач в интересах различных областей морской техники, которые позволяют прогнозировать и учитывать текущее состояние волнения моря.

Мировое развитие приборов буйкового типа привело к появлению на рынке ВБ двух классов - для измерения только статистических или исчерпывающих, статистических и спектральных, характеристик волн. Каждый из классов ВБ использует свою модель волнения, при этом обе модели взаимосвязаны и логически вытекают из общей теории поверхностных гравитационных волн [30, 6]. Для измерения статистических характеристик волнение представляется двухмерным процессом, а волна плоской. В этом случае измеряются только ординаты возвышений водной поверхности, чаще всего путём интегрирования

вертикального ускорения. ВБ второго типа измеряют как статистические, так и спектральные характеристики волнения. При этом волнение представляется трёхмерным, прибор наряду со статистическими характеристиками, определяет направление распространения волн и пространственный спектр волнения в географических координатах.

Следует отметить, что измерение параметров морского волнения с помощью ВБ производится косвенными методами. Первичным преобразователем ВБ является непосредственно буй. От того, насколько он будет хорошо отслеживать профиль возвышений и ординаты волнового склона зависит выработка параметров движения буя, выполняемая его измерительным модулем. Традиционно в качестве измерительного модуля ВБ используется стабилизированный на демпфированном маятнике вертикальный акселерометр. Развитие микросистемной техники и появление дешевых микромеханических датчиков позволило использовать модули на их основе в качестве преобразователей угловых и вертикальных параметров движения буя в измерительный сигнал. Отметим, что при измерениях параметров волнения с помощью подобных модулей производится постобработка данных, что позволяет компенсировать низкую точность микромеханических датчиков за счет применяемых алгоритмов.

Серийный выпуск отечественных волнографов был прекращен к концу 80-х годов, а единичные экземпляры перестали разрабатываться с середины 90-х. В связи с этим на Российском рынке активно используются импортные ВБ. Мировым лидером в выпуске указанных приборов является компания Datawell BV выпускающая линейку ВБ Directional Waverider в различной комплектации. Отметим также, что метрологическое обеспечение измерений параметров морского волнения затруднено. В России практически отсутствуют методы и средства метрологической прослеживаемости этого вида измерений [13]. Эталонирование и сертификация ВБ отсутствует и на мировом уровне, делаются лишь попытки создания отдельных калибровочных стендов [41]. Однако в настоящее время в связи с развитием импортозамещения и освоением шельфовых

месторождений необходима разработка отечественного образца ВБ и методов оценки точности измерения параметров волнения.

Целью работы является научное обоснование и разработка метода проектирования и алгоритмов функционирования ВБ с микромеханическим инерциальным модулем для обеспечения требуемой точности измерений статистических параметров трехмерного морского волнения, а также методов контроля метрологических характеристик ВБ при изготовлении.

Комплекс задач, необходимый для выполнения поставленной цели, включает в себя:

- разработку модели функционирования ВБ с микромеханическим ИИМ;

- разработку метода расчета ординат возвышений и расчета статистических параметров волнения;

- оценку точности выработки статистических параметров волнения с помощью ИИМ на основе исследования разработанной модели функционирования ВБ;

- формирование требований к датчикам ИИМ для обеспечения необходимой точности измерений параметров волнения;

- разработку экспериментальных методов оценки динамических погрешностей ИИМ и расчета статистических параметров волнения;

- расчет суммарной погрешности измерений параметров волнения с помощью ВБ на основе микромеханического ИИМ;

- верификацию результатов аналитических исследований на основе лабораторных и натурных испытаний опытного образца ВБ;

- формирование метода проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ, имеющего заранее заданную точность измерений статистических параметров трехмерного волнения.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе производится анализ современного состояния развития средств измерения волнения, рассматриваются особенности метрологического

обеспечения измерения параметров волнения с помощью ВБ на основе микромеханического модуля, производится постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена оценке точности измерений параметров волнения микромеханическим инерциальным модулем ВБ на основе разработки и исследования модели функционирования ВБ. Производится обоснование используемых алгоритмов обработки данных и оценка точности расчета статистических параметров волнения с учетом характеристик датчиков ИИМ. Формируются требования к погрешностям датчикам для комплектации ИИМ для обеспечения необходимой точности измерений статистических параметров трехмерного морского волнения.

Третья глава посвящена разработке комплекса лабораторных методов, который включает методы оценки динамических погрешностей микромеханических датчиков и модулей в условиях их функционирования, а также метод экспериментальной оценки точности измерений параметров волнения с помощью ИИМ ВБ. Кроме того, в третьей главе производится анализ составляющих погрешности и оценка суммарной погрешности измерений статистических параметров волнения с помощью ВБ.

В четвертой главе приводятся результаты использования разработанных методов и алгоритмов при разработке опытного образца ВБ «Шторм». В главе приведены результаты гидродинамических, стендовых и натурных испытаний ВБ. По результатам работы сформирован метод проектирования ВБ на основе микромеханического ИИМ для обеспечения требуемой точности измерений статистических параметров трехмерного волнения.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- разработана модель функционирования ВБ с микромеханическим ИИМ, учитывающая характеристики датчиков и позволяющая оценить погрешность расчета параметров движения ВБ и статистических параметров волнения;

- сформирован метод проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ для обеспечения требуемой точности измерений статистических параметров трехмерного морского волнения;

- разработан комплекс методов оценки динамических погрешностей и характеристик микромеханических датчиков и модулей, адаптированных для лабораторных испытаний ИИМ ВБ.

Теоретическая значимость работы заключается в научном обосновании алгоритмов функционирования и создании метода проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ, а также разработке методов контроля точности измерений параметров морского волнения.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанные методы и алгоритмы были использованы при разработке опытного образца ВБ «Шторм» при выполнении государственного контракта с Министерством Промышленности и торговли Российской Федерации. Кроме того, сформированные рекомендации к выбору датчиков ИИМ позволят проектантам создавать ВБ с заданными метрологическими характеристиками. Результаты исследований могут быть использованы при создании новых комплексов оборудования для измерения и прогнозирования волнения, что обеспечит импортозамещение в данной области.

В работе использовались основные положения инерциальной навигации, теории автоматического управления, гидродинамики и математической статистики. Математическое моделирование, расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнены с помощью компьютера и программного обеспечения Ма1;ЬаЬ.

На защиту выносятся:

- модель функционирования ВБ с микромеханическим ИИМ, учитывающая характеристики датчиков и позволяющая оценить погрешность расчета параметров движения ВБ и статистических параметров волнения;

- алгоритмы постобработки данных от ИИМ ВБ для расчета статистических характеристик трехмерного волнения;

- комплекс экспериментальных методов лабораторных исследований точности ИИМ ВБ;

- метод проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ, обеспечивающего требуемую точность измерений статистических параметров трехмерного морского волнения.

Достоверность результатов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием обоснованных методов исследования и сопоставлением результатов моделирования с результатами стендовых и натурных испытаний опытного образца ВБ.

По результатам исследований опубликовано 12 работ, из них 3 статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК, сделано 9 докладов по теме диссертации на научно-технических конференциях. Разработанные оригинальные методы защищены 3 патентами РФ. На основании материалов проведенных исследований разработан, изготовлен и испытан опытный образец ВБ на основе ИИМ на микромеханических датчиках.

Глава 1. Анализ существующих методов и средств измерений параметров морского волнения и их метрологического обеспечения. Постановка задачи исследования

1.1 Математическое описание морского волнения

Морское ветровое волнение относится к числу важнейших гидрометеорологических параметров, характеризующих состояние поверхности морей и океанов и оказывающих значительное влияние на безопасность и эффективность морской деятельности. Ветровое волнение - это процесс формирования, развития, распространения, затухания и разрушения волн, вызванных ветром на поверхности океанов и морей.

Профиль ветрового волнения непрерывно изменяется, является случайным процессом и может быть описан как с позиций спектральной теории, так и с помощью статистических методов. В спектральной теории трехмерное волнение рассматривается как суперпозиция множества плоских (регулярных) волн, имеющих различные периоды, амплитуды, и направления распространения.

Устоявшееся описание морского волнения [30] рассматривает этот процесс как стационарный и эргодический. Отметим, что это допущение справедливо для промежутков времени не более 30 минут. При более продолжительных наблюдениях может быть выявлена нестационарность процесса. Многочисленные исследования ветрового волнения показали, что на ограниченных участках акватории в небольшие промежутки времени распределение волн можно удовлетворительно аппроксимировать с помощью функции распределения того или иного вида. Так, например, ординаты возвышений стационарного волнения подчинены закону Релея.

Исчерпывающей энергетической характеристикой взволнованной поверхности С(Х,УЛ) является спектральная плотность волновой энергии, или двухмерный энергетический спектр $>(а>,а). Методы получения двухмерного энергетического спектра морской поверхности разработаны в трудах

А.А.Свешникова и М.Лонге-Хиггинса [6, 33]. В этих работах показано, что если в фиксированной точке поверхности моря произведена одновременная запись возвышения уровня ф) волновой поверхности и двух её уклонов дф)/дх и дф)/ду в ортогональных координатах x и y, сохраняющих неизменную пространственную ориентацию, то можно получить приближённый вид двухмерного спектра в этой точке. Достигается это путём представления двухмерного спектра S(a>,a) взволнованной поверхности в виде ряда Фурье по направлениям a:

1 <ю

S(ш, a) = — a0 + ^ [aK cos Ka + bK sin Ka)

к=1

a b

где коэффициенты ряда Фурье K и K определяются из выражений

1 л

aK = — J S (a, a) cos Kada

1 л

bK = — J S(ш, a) sin Kada

'K

Л Л

— Л

Как правило, ограничиваются первыми пятью членами разложения [14]:

S (ш, a) « 1 a0 + a, cos a + b, sin a + a2 cos 2a + b2 sin 2a

2 0 1 1 2 2 . (1.1)

В работах [42, 32] показано, что коэффициенты ao, ai, a2, bh b2 практически

вычисляются через автокорреляционные r(т), Rxx (r), Ryy (r) или взаимно

корреляционные функции rx (т), ry (г), rxy (т) , где r(r) -

автокорреляционная функция волновых ординат, Rxx (т), Ryy (т) -

автокорреляционные функции углов волнового склона, Rx (т), ry (т) - взаимно

корреляционные функции волновых ординат и углов волнового склона, rxy (т) -взаимно корреляционная функция углов волнового склона.

Таким образом, для интервала 0 -ш - ^ выражения для коэффициентов разложения ряда (1.1) при учёте того, что взаимные корреляционные функции

между двумя углами волнового склона равны, могут быть записаны в следующей форме:

2 "

а 0

0 тг 2

— 0

—- | Я(г) 008 согйг

2

а, = —-— Г Ях (г) вт сотс1т

1 —2 к 0

2

Ь =—-—Г Яу (г^тсг/г

— к 0 у

(1.2)

2

а^ =

2 —2 к 20

ои

Г [ЯЯхх (г) _ Яуу (г)]о0Б сотйт

21 г

Ь2 = —-—- I Яху (г) 00Б стйт

тг 2 V 2 Л

2_ —2 к \ .

Вид двухмерного спектра в полярной системе координат (с, а) представлен на рисунке 1.1. В отличие от плоской волны, где гармонические волны распространяются в одном направлении, а график спектральной плоскости имеет одномерный вид, трехмерное представление волнения содержит множество элементарных гармоник, распространяющихся в различных направлениях. Каждая из этих гармонических волн несёт свою энергию. В связи с этим двухмерный спектр трёхмерного волнения состоит из суперпозиции элементарных плоских спектров определённых для совокупности волн. При этом каждый из этих плоских спектров построен только для волн, распространяющихся в одном выбранном направлении. Он строится в географических осях, где угол а представляет собой курсовой угол, отсчитываемый от направления на магнитный Север. При этом на горизонтальной плоскости по каждому направлению а наложена ось частот с, что и позволяет изобразить суперпозицию спектров по каждому направлению распространения элементарных гармонических волн. По вертикальной оси откладывается численное значение спектральной плотности (рис. 1.1).

с

Важной характеристикой трехмерного волнения является генеральное направление распространения волн, то есть направление, откуда приходят волны с наибольшей энергией. Именно двухмерный спектр и позволяет получить эту информацию. Так, направление (угол а), при котором сечение двухмерного спектра будет обладать наибольшей дисперсией, и будет определять генеральное распространение волн.

Рисунок 1.1 - Двухмерный энергетический спектр волнения

Очевидно, что наибольшую энергию переносят низкочастотные волны. Даже малая по высоте низкочастотная волна может передать значительную энергию гидротехническому сооружению или судну. В связи с этим для предупреждения аварийных ситуаций необходимо измерять параметры пространственного спектра волнения.

Как видно из соотношений (1.2), нулевой коэффициент разложения характеризует распределение волновой энергии только по частотам, независимо от направлений, и представляет по существу частотный (одномерный) спектр трехмерного волнения. Рассматривая реализации ветрового волнения в конкретной точке моря, волнение представляется как двухмерный процесс £(х>0, все составляющие которого распространяются в одном направлении. При этом энергетический спектр £()) является функцией только частоты ю. Этот спектр называют энергетическим спектром двухмерного волнения.

Энергетические спектры двухмерного и трёхмерного волнения связаны соотношением, следующим из закона сохранения энергии [30]:

х х ж 12

|£())<) = | |£(),а)с1))с1а

0 0 -ж/2

Помимо спектральных характеристик, волнение характеризуется статистическими параметрами. К основным статистическим характеристикам морского ветрового волнения относятся средняя высота волны, средний период и высота волны трехпроцентной обеспеченности.

т

0

с >

ф

1

ф 3 .0

1_г (длина записи)

Рисунок 1.2 - К определению статистических параметров волнения

Высоту волны определим как расстояние между вершиной и подошвой волнового колебания без учета вторичных волн. Период волны - как время, за которое через одну и ту же точку на поверхности моря проходят два следующих друг за другом гребня волн. При этом вторичные колебания также не учитываются [30].

0

Высота волны трехпроцентной обеспеченности Л3% - высота волны, вероятность превышения которой составляет 3%. Эта характеристика волнения используется в отечественном мореплавании, считается, что эта высота наиболее близка к данным отечественных визуальных наблюдений за волнением.

Для записи (волнограммы) состоящей из N индивидуальных волн высотой ^

средняя высота волн определяется по формуле:

- 1 N

* = NI К, (1.3)

Средний период волн определяют как отношение длины записи Тг (рисунок 1.2) к числу гребней N0 или числу пересечений волнового профиля с нулевой отметкой уровня N2:

Т Т

гр 1 г 7~> _ г

Т - N2 или - к ■ (ы)

На основе проведенного анализа можно сделать следующий вывод. Для полного описания трехмерного волнения помимо основных статистических характеристик необходимо иметь информацию о двухмерном энергетическом спектре трехмерного волнения. Для расчета указанного спектра необходимо измерять не только ординаты возвышения водной поверхности, но также два угла волнового склона в двух ортогональных направлениях, сохраняющих свою неизменную ориентацию.

1.2 Анализ принципов и особенностей работы ВБ различных типов, современное состояние развития ВБ.

В настоящее время существует большое число измерителей волнения, основанных на разных принципах действия и предназначенных для решения различных задач.

Данные приборы можно классифицировать по нескольким признакам [8], включая степень связи с пространством, степень взаимодействия датчика с водой, принцип размещения и характер измерительной информации (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Классификация измерителей волнения

Основным классификационным признаком является физическое явление, положенное в основу функционирования прибора и используемое первичным преобразователем для его работы (рис. 1.4).

- Классификация измерителей волнения по физическим явлениям, используемым для работы первичного преобразователя

Классификация приборов по этому признаку охватывает значительное число методов и устройств, включая электродные волнографы, альтиметры, в том числе

Рисунок 1.4

судовые, используемые совместно с компенсаторами качки, оптические методы и волномерные буи.

Отметим, что наибольшее распространение в качестве измерителей морского волнения получили именно волномерные буи, что обусловлено рядом преимуществ:

- низкая стоимость;

- высокая автономность и надежность;

- точность получаемых данных;

- возможность использования на различных акваториях.

Волномерные буи могут быть предназначены как для измерения только статистических характеристик волнения, получаемых путем обработки реализаций волновых ординат, так и для исчерпывающих - статистических и спектральных характеристик, для получения которых необходимо измерять и волновые ординаты, и углы волнового склона в географической системе координат.

Все существующие методы измерения статистических характеристик волнения с помощью ВБ основаны на преобразовании в электрический сигнал следующих физических величин [9]:

1. Ускорения при движении ВБ по водной поверхности.

К этому классу относятся ВБ, использующие в качестве датчика акселерометр, стабилизированный по вертикали. Двойное интегрирование сигнала с датчика позволяет получить значения волновых возвышений. Данные буи получили самое широкое распространение в мировой практике.

2. Скорости при движении ВБ по водной поверхности.

В буях этой группы в качестве датчика используется гидрометрическая вертушка. При подъёме датчика вслед за буем на лопасти вертушки набегает поток воды, в результате чего она вращается. Вращение формируется в электрический сигнал, интегрирование которого дает информацию об ординатах волновых возвышений.

3. Давления, пропорционального ординатам возвышений водной поверхности.

К этому классу устройств относятся буи с гидростатическим датчиком давления, установленным в гондоле, соединенной с корпусом буя с помощью кабель-троса. В связи с простотой конструкции этот тип ВБ также получил широкое распространение.

Для измерения спектральных характеристик волнения в ВБ применяют:

- инерциальный измерительный модуль на основе триад гироскопов и акселерометров, дополненных магнитометром для определения направления на магнитный Север. Применение модулей различных модификаций предоставляет потребителю широкий выбор приборов в зависимости от требуемой точности, стоимости, надежности, массогабаритных характеристик и пр. Однако создание ВБ с инерциальным модулем требует разработки специальных алгоритмов обработки измерительной информации.

- GPS технологии, с помощью которых возможно определять ординаты волновых возвышений и направление распространения волн. Однако, несмотря на простоту конструкции и значительное снижение количества входящих в состав ВБ конструктивных элементов, устройства имеют и недостатки: сложность алгоритмов обработки данных от спутников и нарушение работоспособности при заливании антенны GPS водой или сильных наклонах ВБ.

- вертикальный акселерометр, стабилизированный в горизонте. Двойное интегрирование сигнала акселерометра позволяет получить информацию о волновых ординатах, а данные системы стабилизации позволяют рассчитать углы волнового склона. Данный тип приборов широко распространен в мировой практике, однако, наличие значительного количества механических элементов, а также сложность конструкции и ее обслуживания не позволяет говорить о высокой надежности подобного класса ВБ.

В настоящее время лидерами производства ВБ для определения параметров морского волнения являются зарубежные компании, в частности голландская компания Datawell BV [40]. В настоящее время компания выпускает широкий

спектр измерительного оборудования, предназначенного для всестороннего контроля состояния поверхности моря, и контролирует практически % мирового рынка приборов подобного назначения. Наиболее распространенным измерительным модулем является блок Hippy 40, предназначенный для измерения вертикальных перемещений и углов качки. В данном блоке акселерометр для измерения вертикальных ускорений размещен на стабилизированной платформе с периодом собственных колебаний 40 с, представляющей собой демпфированный маятник. Сигналы вертикального ускорения дважды интегрируются и преобразуются в перемещение, а информация об углах волнового склона вырабатывается благодаря наличию стабилизированной платформы. На базе датчика Hippy 40 компания Datawell BV выпускает ВБ Directional Waverider MkIII [38] и его различные модификации - Directional Waverider DWR4/ACM, DWR-G4, Waverider SG. Отметим, что буи этой фирмы могут оснащаться системой электропитания на солнечных батареях, что значительно повышает их автономность.

Одним из наиболее современных образцов ВБ, выпускаемых компанией Datawell BV, является ВБ Waverider DWR-G [31]. Он предназначен для измерения статистических характеристик волнения и параметров двухмерного спектра. Буй имеет шарообразный корпус, в котором размещены приборный блок и аккумуляторные батареи. Общий вид ВБ Waverider DWR-G представлен на рис. 1.5, а его основные характеристики - в таблице 1.1.

Рисунок 1.5 - Внешний вид ВБ Waverider О Технические и метрологические характеристики буя представлены в таблице

1.1

Таблица 1.1 - Технические характеристик ВБ Waverider DWR G

Измерение высоты Диапазон -20-+20м

волны Период 1.6 -30 сек

Разрешение 1 см

Погрешность ± 1 см или 0,1%

Измерение Разрешение 1.5°

направления Отсчетное направление направление на магнитный полюс

Ошибка курса 0.4°-2° в зависимости от широты

Общие Рабочая температура (в -5 °C-+35 °C

характеристики воде)

Канал передачи Iridium

Диаметр буя 0,9 м

Вес буя 250 кг

Анализ технических характеристик, приведенных в документации на ВБ, показывает их рекламный характер. Так, например, не приведена чувствительность прибора, т.е. отношение длины волны к её высоте, при которых задана погрешность. Погрешность выработки курса задана не строго, гидродинамические свойства корпуса опущены, отсутствует суммарная погрешность измерения, и др. Однако этот прибор является одним из наиболее известных в мире и применяется на различных акваториях мирового океана.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Белова Ольга Олеговна, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Анучин, О. Н. , Емельянцев Г. И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / О. Н. Анучин, Г. И. Емельянцев. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - 390 с.

2 Благовещенский, С. Н. Качка корабля / С. Н. Благовещенский. - Л.: Судпромгиз, 1954.

3 Бронштейн, И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. - 13-е изд., исправленное. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 544 с.

4 Величко (Белова), О. О. Испытания микромеханических датчиков и модулей. Метрологическое обеспечение / О. О. Величко (Белова) // Материалы XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». -2012. - С. 413-419.

5 Вентцель, Е. С. Теория вероятностей / Е. С. Вентцель. - М.: Наука, 1977.

6 Ветровые волны / под ред. Ю. М. Крылова. - М.: изд-во ИЛ, 1962.

7 Грязин, Д. Г. Метрологическое обеспечение испытаний микромеханических датчиков и модулей / Д. Г. Грязин, О. О. Величко (Белова), А. Б. Чекмарев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. - 2012. - Выпуск 7. - С. 67-77.

8 Грязин, Д. Г. Морские волномерные буи. Современное состояние и тенденции развития / Д. Г. Грязин, Л. П. Несенюк // Гироскопия и навигация. -2009. - № 4 (67). - С. 70-80.

9 Грязин, Д. Г. Расчёт и проектирование буёв для измерения морского волнения / Д. Г. Грязин. - СПб.: СПбГИТМО(ТУ), 2000. - 133 с.

10 Грязин, Д. Г. Оценка характеристик микромеханических датчиков и модулей при их групповом изготовлении. Метод и его техническая реализация / Д. Г. Грязин, О. О. Величко (Белова) // Нано- и микросистемная техника. - 2015. - № 5(178). - С. 37-44.

11 Иванов, Ю. В. Информационно-измерительная система вертикального канала волноизмерительного буя / Ю. В. Иванов, Р. В. Алалуев

12 Инерциальный измерительный модуль волномерного буя. Результаты разработки и испытаний / Д. Г. Грязин [и др.] // Гироскопия и навигация. - 2016. -№ 1. - С.88-99.

13 Кочарян, С.А. Особенности и современное состояние гидрологических измерений / С. А. Кочарян, А. Н. Пронин // Труды конференции «Метрология гидроакустических измерений». - 2013.

14 Крылов, Ю.М. Спектральный метод исследования морского волнения / Ю. М. Крылов. - Л. : Гидрометеоиздат, 1966. - 231 с.

15 Макаров, И.М. Линейные автоматические системы (элементы теории, методы расчета и справочный материал) / И. М. Макаров, Б. М. Менский. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982. - 504 с., ил.

16 Матвеев, В. В., Погорелов М.Г. Система измерения вертикальной качки волномерного буя / В. В. Матвеев, М. Г. Погорелов // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 9 Ч. 2. - 2014.

17 Микромеханическая система на базе микромеханических гироскопов. Текстовый отчет ДНИЯ.431419.002ГО. - 2006

18 Миниатюрная интегрированная инерциальная/спутниковая система навигации и ориентации / Б. А. Блажнов [и др.] //Гироскопия и навигация. -1998. -№ 1. - С.56-62.

19 Миниатюрные интегрированные системы ориентации и навигации для малых судов и катеров / Б. А. Блажнов [и др.] // Электроника: Наука, Технология. Бизнес. - 2001. - № 5. - С.56-59.

20 Модели судов. Определение коэффициентов сопротивления бортовой качки. Методика испытаний на тихой воде. ИМЯН 106-225-97 МИ (Свидетельство об аттестации № 225/10 - 97).

21 Модели судов. Характеристики мореходности. Методика испытаний на регулярном волнении с разными курсовыми углами. ИМЯН 106-230-97 МИ (Свидетельство об аттестации № 230/10 - 97).

22 Морской гидрофизический институт [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.mhi.ras.ru, свободный. - Загл. с экрана.

23 Отчет о научно-исследовательской работе «Исследование устойчивости микромеханического гироскопа к вибрационным воздействиям» (шифр «База-ЭП-05»). ФГУП «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - 2005.

24 ПАО «АНПП «Темп-Авиа» [Электронный ресурс]. - Режим доступа : www.temp-avia.ru, свободный. - Загл. с экрана.

25 Пат. 2546983 С2 Российская Федерация, МПК О 01 Б 3/00. Способ определения динамических погрешностей микромеханических инерциальных датчиков и инерциальных измерительных модулей на их основе / Грязин Д. Г., Величко (Белова) О. О. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - № 2013139118/28 ; заявл. 21.08.2013 ; опубл. 10.04.2015, Бюл. № 10. - 6 с.

26 Пат. 2526508 С1 Российская Федерация, МПК О 01 Р 21/00. Способ оценки динамических характеристик датчиков угловой скорости / Грязин Д. Г., Скалон А. И., Величко (Белова) О. О. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». - № 2013119774/28 ; заявл. 22.04.2013 ; опубл. 20.08.2014, Бюл. № 23. - 4 с.

27 Пат. 2554631 С2 Российская Федерация, МПК О 01 М 7/06. Стенд для выработки угловых колебаний в двух плоскостях / Грязин Д. Г., Величко (Белова) О. О., Филатов Ю. В., Самохвалов Д. В., Боронахин А. М. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор». -№ 2013119775/28 ; заявл. 22.04.2013 ; опубл. 27.06.2015, Бюл. № 18. - 5 с.: ил.

28 Поллард, Д. Справочник по вычислительным методам статистики / Д. Поллард. - М.: Финансы и статистика, 1982.

28 Прикладные задачи динамики судов на волнении / И. К. Бородай [и др.]. -Л.: Судостроение, 1989. - 264 с, ил.

30 Рахманин, Н. Н. Стохастическое описание морской поверхности / Н. Н. Рахманин. - СПб : Государственный Морской Технический Университет, 1994. -52 с.

31 Руководство пользователя Datawell Waverider WR-SG, DWR-Mklll, DWR-G. - Datawell BV. - 2010. - 140 с.

32 Свешников, А. А. Определение вероятностных характеристик трёхмерного волнения моря / А. А. .Свешников // Известия АН СССР ОТН Механика и машиностроение. - 1959. - №3. - С.32-41.

33 Свешников, А. А. Прикладные методы теории случайных функций / А. А. Свешников. - М.: Наука, 1968.

34 Синельников, А. Е. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства поверки и градуировки / А. Е. Синельников. - Серия «Библиотека метролога». - М. Изд-во стандартов, 1979. - 176 с.

35 Технические условия ИСМЯ.402139.013ТУ

36 Чекмарев, А. Б. Стенд для контроля частотных характеристик микромеханических гироскопов и модулей на их основе / А. Б. Чекмарев // Материалы докладов XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». - СПб, 2010.

37 Analog Devices [Электронный ресурс]. - Режим доступа : www.analog.com/ru/products/mems.html, свободный. - Загл. с экрана.

38 Directional Waverider MkIII [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.datawell.nl/Products/Completesystems/DirectionalWaveriderMKIII.aspx, свобоный. - Загл. с эксрана.

39 Fugro [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.fugro.com/, свобоный. - Загл. с экрана.

40 Home of the waverider [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://datawell.nl, свободный. - Загл. с экрана.

41 Jianqing, YU. How we calibrate the Wave Height and Period Measurements from the Gravitational Acceleration Wave Buoys in RMIC/AP / YU Jianqing // RMIC for the Asia-Pacific Region National Center of Ocean Standards and Metrology, China. - 2014

42 Longuet - Higgins, M.S., Cartwright D.E., Smith N.D. Observations of the directional spectrum of sea waves using the motions of sloating buoy / М. S. Longuet -

Higgins, D. E. Cartwright, N. D. Smith // Prentice - Hall Ocean wave spectra. - 1963. -p.111-136.

43 Triaxys directional wave buoy [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://axystechnologies.com/products/triaxys-directional-wave-buoy/, свободный. - Загл. с экрана.

Приложение А Математическое описание алгоритма выработки параметров ориентации ИИМ

Кватернион Ь о, определяющий ориентацию объекта относительно горизонтной системы координат с географической ориентацией осей, может быть найден по теореме сложения преобразований или в виде «кватернионного» произведения [1]:

ЬГо = О 1 о С О, (А.1)

где (о) - оператор «умножения» кватернионов.

Если исходной информацией для вычисления параметров ориентации являются составляющие вектора ю0 угловой скорости вращения связанной с объектом системы координат на ее оси, то компоненты кватерниона С 0 могут быть вычислены интегрированием уравнения Пуассона [1]

С о = 2 с 0 о ю 0,

(А.2)

или в векторно-матричной форме (здесь и далее опускаем у компонентов кватерниона верхние и нижние индексы)

О 0" - О1 -О2 - Оз' " 0 "

О1 1 О1 О0 -О3 О 2 Юо

О 2 = 2 О2 О3 О0 О Юо

О 3 _ _Оз -О2 О1 О0 _ Ю _

(А.3)

где

О0 - О -О2 - Оз

О1 О0 - Оз О2

О 2 Оз О0 -О1

Оз -О2 О1 О0

матрица, соответствующая кватернионному

произведению;

Ю =

0

кватернион, соответствующий вектору ю0

и

о

о

Элементы кватерниона 0у (сопряженного с О у) вычисляются по значениям

выработанных в ИИМ координат места в соответствии со следующими соотношениями:

/г\1 \ Л* ф Г ГЛ1\ Л* . ф

(Цу)0 = —, = - С08-2~5Ш —,

, • Л* ф /Л' \ Л* • ф

(Цу)2 = ЫПусМ —, (ЦГ)3 =

(А.4)

Кватернион Ь 0 может быть найден либо как кватернионное произведение (согласно А.1), либо непосредственно интегрированием дифференциального уравнения Пуассона в виде [1]

Ь У =1 (Ь

2

У О Ю - Ю о Т У

о о у

ЬУ).

(А.5)

Уравнение (А.5) в векторно-матричной форме (здесь и далее опускаем у компонентов кватерниона Ь у верхние и нижние индексы) может быть представлено в виде

А Ц -Л3 Ц

Ц Ц, Ц -Л1 Ц -Л2 Ц Ц

2-

X

Ц

Ц

А

0 0 -Ч

Ч Ч 0

Ч Ч Ч

Ч Ч -Ч

Ч -Ч -Ч

Ч Ч

0 -Ч 0

Л

Л Ц

Ц

(А.6)

или

2 -

А

¿2

0

(Ч -юЕ) - (ту ) - (ч -Ч) (Ч -Че) 0 (Ч + Ч) - + Ч)

(Ч -Ч) - (Ч + Ч) 0 (Ч + Ч)

0

А

ь2

_ Ц _

(А.7)

(Ч -Ч) (Ч + Ч) - (Ч + Ч) Для получения выходных параметров ориентации, т.е. углов к, 0, по информации о вычисленных составляющих кватерниона Ь можно воспользоваться связью элементов матрицы направляющих косинусов, определяющей взаимную ориентацию связанной и горизонтной систем координат, через искомые углы и составляющие кватерниона, а именно:

d11 d12 d13

d 21 d22 d23

d 31 d 32 d 33

C0 =

cosK cos0+sinK sinysin0 sinK cosy cosK sin0-sinK sinycos0 - sinKcos0+cosKsinysin0 cosKcosy - (sinKsin0 +cosKsinycos0 - cosysin0 siny cosycos0

L0 + Ц. - L2 - L3 2((1L2 - L0 L3 ) 2((0 L2 + L1L3 ) 2((0 L3 + L1L2 ) L0 + L2 - L2 - L3 2((L2L3 - L0 L1 ) 2((3 - L0 L2 ) 2((0 L1 + L2 L3 ) L0 + L3 - L1 -

(А.8)

Из элемента d32 находим выражение для угла килевой качки

у = arctg

d32 1 - d32

(А.9)

Элементы матриц ё31 и позволяют определить угол бортовой качки е

0 = arctg

- d31

d

33

(А.10)

Поскольку модули углов у и 0 меньше , то приведенные выше выражения

однозначно определяют значения углов килевой и бортовой качки. Для нахождения соотношения, однозначно определяющего курс к, воспользуемся элементами d12, d22, d32 матрицы (2.8) и зависимостью

К sin К _ dn

tg

2 1+cosК

(А.11)

/1 - dз2 + d22

Так как угол ^ изменяется от 0 до л , то внутри этого диапазона функция

разрывов не имеет и однозначно определяет значение угла К. Окончательно, для вычисления угла курса К имеем

^12

К = 2arctg

1_ d32 + d

22

(А.12)

Приложение Б

Письма заинтересованных организаций, подтверждающие актуальность тематики

диссертационной работы

МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ЭКОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (Росгидромет)

Федеральное государственное бюджетное учреждение

«АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ» (ФГБУ «ААНИИ»)

199197, Санкт-Петербург, ул. Беринга. 38 Телефон: [phone] ' Факс:[phone] E-mail: aaricoopciaari.nw.ni

05. м. / - ^/jr

На №_

Генеральному директору ФГУП «Крыловский государственный научный центр» B.C. Никитину 196158. Санкт-Петербург, Московское шоссе, д.44

Копия:

Генеральному директору АО «Концерн «ЦНИИ «Курс», председателю рабочей группы по рассмотрению предложений тематики НИОКР по технологическому направлению №5

Л. М. Клячко 105187, Москва, ул. Кирпичная, д.34а

ФГБУ «Арктический и антарктический научно-исследовательский институт» традиционно ведет работы по широкомасштабному исследованию Северно Ледовитого океана. В последнее время наш институт активизировал работы применительно к прикладным задачам на шельфе арктических морей, связанных разработкой и освоением месторождений углеводородного сырья. Однако для проведения таких работ в основном используется техника зарубежного производства.

В соответствие с этим и необходимостью развития импортозамещения в области высоких технологий и освоения арктического региона считаем целесообразным включить в программу перспективного развития отечественного судостроения на 2016-2020 гг. ОКР «Ураган» по созданию на современном уровне комплекса оборудования для выполнения судовых измерений гидрометеорологических и волновых характеристик в арктических морях, пригодной для обслуживания ее научным персоналом.

Наш институт, заинтересован в наличие отечественной техники такого назначения и, как головной институт Росгидромета в области развития методологии наблюдений и производства натурных исследований, сможет более эффективно вести такие работы в арктическом регионе в рамках выполнения Государственных заданий.

Зам. директора института

А.И. Данилов

Исп. Соколов В.Т. [phone]

Федеральное государственное унитарное предприятие

«Крыловский государственный научный центр»

{ФГУП «Крыловский государственный научный центр»)

Московское шоссе, 44, Санкт-Петербург, 196158 Тел: [phone] Факс: [phone] E-mail:[e-mail] www.kfylov.com.ru ИНН / КПП 7810213747/783450001 ОКПО 07535359 ОГРН 1027804905303

На №_от_

[По вопросу участия в ОКР]

Уважаемый Владимир Григорьевич,

В рамках ФЦП «Развитие гражданской морской техники на 2009 - 2016 г.г.» Вашей организацией совместно с нашим предприятием выполнялась ОКР «Шторм», направленная на разработку методов прогнозирования состояния моря вблизи морских буровых платформ и создание опытного образца волномерного буя для оценки параметров морского волнения.

Отмечаем, что работы в области зашиты морских оффшорных платформ от воздействия волнения всё ещё остаются актуальными. В связи с формированием государственной программы «Развитие судостроения и техники для освоения шельфовых месторождений на 2015 - 2030 г.г.», на наш взгляд, представляется целесообразным продолжение работ, направленных на разработку автоматизированных средств мониторинга и прогноза волнения, а также проектирование волномерных заякоренных буёв. обладающих автономностью более года. Подобные приборы могут найти применение при обеспечении безопасности судоходства вблизи портов, испытаниях морской техники и др.

Учитывая наше многолетнее плодотворное сотрудничество, Крыловский государственный научный центр мог бы принять участие в качестве соисполнителя в исследованиях гидродинамических вопросов при проектировании Вашей организацией волномерных буёв и их элементов.

Генеральному директору АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»

академику В,Г. Пешехонову

ул. Малая Посадская, 30 197046, г. Санкт-Петербург.

С уважением,

Начальник отделения гидроаэродинамики

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНОБОРОНЫ РОССИИ)

управление навигации и океанографии

г. Санкт-Петербург, 199034 апреля 2015 г. № 708/5/ 93.

Первому заместителю директора ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» В.М. ЗИНЕНКО

Па

№ 68/3326 от 07,04.2015г

Уважаемый Владимир Михайлович!

Ваше обращение по вопросу создания волномерного буя в интересах Военно-Морского Флота Управлением навигации и океанографии Министерства обороны Российской Федерации рассмотрено.

Волнение является одним из важнейших гидрометеорологических явлений, оказывающих влияние на безопасность кораблевождения и выполнения целого ряда задач, решаемых в Военно-Морском Флоте. В настоящее время на флотах отсутствуют современные отечественные технические средства измерения параметров морского волнения, поэтому работы, выполняемые ЦНИИ «Электроприбор» в этом направлении актуальны.

Управление навигации и океанографии Министерства обороны

Российской Федерации, как головная организация, ответственная

в Военно-Морском Флоте за техническое оснащение сил (объектов) флота,

в части касающейся гидрометеорологического обеспечения, заинтересована

в продолжении ваших работ по созданию гидрологического буя (типоряда

буев), отвечающего в том числе запросам Военно-Морского Флота

(для оперативного и долгосрочного измерения гидрометеорологических параметров сред).

В настоящее время флот испытывает крайнюю необходимость в малогабаритных дрейфующих волномерных буях, с отечественным передатчиком информации по спутниковому каналу связи или УКВ. с дополнительным размещением метеорологических датчиков (атмосферного давления, температуры воздуха и водь^ электропроводности (солености) воды .

Считаю целесообразным согласование с нашей стороны Технического задания на создание перспективного буя, участия в его разработке и испытаниях.

При положительных результатах вашей работы будет рассмотрен вопрос серийного заказа упомянутого изделия для Военно-Морского Флота.

Начальник Управления навигации и океанографии Министерства обороны Российской Федерации

/

С. Травин

Приложение В

Акт об использовании результатов диссертационной работы

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы О. О. Беловой «Разработка и исследование методов и алгоритмов для измерения параметров трехмерного волнения вол номерным буем на микромеханическом модуле» в разработках АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»

Научно-техническая комиссия в составе ведущего научного сотрудника отдела 017, заместителя главного конструктора ОКР «Шторм» JI. 11. Старое ел ьцева, начальника отдела 084, главного конструктора ОКР «МСТ-1.2-Ц» Д.В.Волынского, начальника сектора 0851 Я.А.Некрасова составила нас тоящий акт в том, что результаты работы О. О, Беловой:

1 Модель функционирования ВБ с микромеханическим ИИМ, алгоритмы постобработки данных от ИИМ ВБ для расчета статистических характеристик трехмерного волнения, а также метод проектирования ВБ с микромеханическим ИИМ были использованы при выполнении ОКР «Шторм»,

2 Комплекс экспериментальных методов лабораторных исследований точности микромеханического ИИМ ВБ использован при выполнении ОКР «Шторм», ОКР «МСТ-1.2-Ц» и ОКР «МСТ-2.13-Ц».

Ведущий научный сотрудник отдела 0' 7

Начальник отдела 084,

главный конструктор ОКР «МСТ-1.2-1

заместитель главного конструктора ОКР «Шторм»

Начальник сектора 0851