基于MEMS传感器波浪测量系统的设计与实现
文献类型:学位论文
作者 | 肖超 |
答辩日期 | 2022-05-20 |
文献子类 | 硕士 |
授予单位 | 中国科学院大学 |
授予地点 | 中国科学院海洋研究所 |
导师 | 陈永华 |
关键词 | 波浪仪 频域积分 坐标系转换 数字带通滤波 |
英文摘要 | 波浪观测在海洋灾害预防与海上资源开发等领域具有重要意义。波浪浮标能够实现全天时、全天候的海上波浪自动观测,相比较于其他波浪观测手段,它具有突出的优势,波浪浮标是国内外应用最为广泛的波浪测量设备。传统的波浪浮标具有功耗高、体积大、成本高的缺点,针对这些缺点,本课题设计并实现了一款基于MEMS姿态传感器的波浪测量系统。本文对波浪测量原理与算法实现进行了详细的阐述,并在硬件和软件平台实现了波浪测量的功能。通过模拟波浪检定装置进行了误差分析,最后与SBY1-1在真实海域进行了测波对比实验。具体内容如下: 首先,确定了波浪测量系统的整体设计方案与技术路线。根据《GB/T 14914- 2006海滨观测规范》对该系统提出了技术指标与功能需求,据此确定了系统的整体设计方案。对比分析了当前基于重力加速度传感器的波浪测量原理,最终确定了采用九轴姿态传感器完成波浪观测的技术路线。 其次,设计并实现了波浪测量系统的硬件与软件平台。硬件平台以STM32F103RET6作为核心处理器,通过HWT906姿态传感器采集波浪数据,采用TF卡作为存储单元,使用BDM910北斗模块进行数据回传。最终确定了波浪测量系统各个模块的详细电路设计方案,并完成了原理图设计、PCB设计与电路板制作。软件方面,对比分析了主流测波算法,确定了波浪测量系统的算法设计方案,包括采用四元数法进行加速度转换,通过带通滤波器去除干扰信号,利用快速傅里叶变换进入频域,后对加速度进行二次积分,通过上跨零点法完成对波浪特征值的解析,利用加速度矢量合成的航向角与偏向角确定波浪运动方向。然后利用Matlab对算法进行了验证与仿真,使用C语言将算法重新编写并移植到硬件平台,从而实现了波浪观测的功能。 最后,通过实验验证波浪测量系统的测波性能。制作波浪模拟装置进行波浪测量系统测波检定实验,以转动轴直径作为标准波高,通过控制电机转速改变模拟波浪的周期,从而模拟不同波高不同波周期的波浪运动,通过与SBY1-1进行波向比较实验验证了波向测量精度,模拟测波实验数据表明,该波浪测量系统示值误差在固定范围内。将波浪测量系统与SBY1-1型波浪仪在近海进行实际海域波浪观测,实验结果表明,该波浪测量系统能够稳定完成波浪观测任务,输出结果准确。经过多次实验,结果表明:该波浪测量系统体积小、精度高、成本低,实现了全波高度数据、波浪特征值、波向数据的自容式存储与波浪特征值与波向数据的准实时化通讯,输出结果示值误差满足规定的一级准确度,能够可靠地完成波浪测量工作。 |
语种 | 中文 |
目次 | |
源URL | [http://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/178314] |
专题 | 科学考察船舶大队 |
通讯作者 | 肖超 |
推荐引用方式 GB/T 7714 | 肖超. 基于MEMS传感器波浪测量系统的设计与实现[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学. 2022. |
入库方式: OAI收割
来源:海洋研究所
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