卡尔曼滤波融合新算法及其船舶高精度液位测量的应用.pdfVIP

57卷 第 2期（总第 218期） 中 国 造 船 Vol.57 No.2 （Serial No. 218） 2016 年 6 月 SHIPBUILDING OF CHINA Jun. 2016 文章编号：1000-4882（2016）02-0192-09 卡尔曼滤波融合新算法及其船舶高精度液位 测量的应用 刘庆华 1,2，仲海嘯 1，陶 峰 1，吴震宇 1 (1. 江苏科技大学 计算机科学与工程学院，镇江，212003； 2. 同济大学 交通运输工程学院，上海，201804) 摘 要 针对雷达液位计在船舶液位测量过程中由于液位波动、外界干扰或者其它突发状况导致的测量结果出现 偏差、收敛速度慢以及不稳定等问题，提出了一种扩展卡尔曼滤波和加权算法相结合的融合算法。首先，采 用动力学原理，对雷达液位计的测量过程进行建模，并对其测量结果进行扩展卡尔曼滤波；其次，引入多传 感器融合思想，对滤波后雷达液位计的测量值与经过低通滤波后压力传感器的测量值进行加权融合。然后， 采用实际船舶上的水舱进行了实验。实验结果表明：经过扩展卡尔曼滤波和多传感器融合后的液位值，能够 具有更高的稳定性、可靠性和精度。 关 键 词：船舶；液位测量；扩展卡尔曼滤波；加权融合算法 中图分类号：TP274 文献标识码：A 0 引 言1 船舱中的液位值是船舶检测中的一个重要参数，因而液位测量系统是船舶系统中的一个重要组成 部分；目前，雷达式和压力传感器式系统在液位测量领域中占据了主导地位[1]。船舶工作人员通过该 系统能知道液舱内的液位值，通过测得的液位值的手动调节或者系统的自动调节使得船舶运行在一个 相对稳定和安全的状态，提高了船舶在海上航行和港口装卸的安全性[2]。因此，在船舶上配备一个高 精度、高可靠性的液位检测装置显得尤其重要。由于船舶自动化程度的提高，因而对液位测量精度的 要求也越来越高；雷达液位计作为一种高精度、非接触式[3]、新型的液位测量装置，也将越来越多地 被用在船舶液位测量系统中[4]。由于船舶在海上不是静止的，因此雷达液位计测量输出的液位也是动 态变化的,且测量过程很容易受到外界干扰；针对这个问题，本文提出采用扩展卡尔曼滤波的方法，对 雷达液位计测量输出值进行滤波，以获得稳定的输出；同时，对扩展卡尔曼滤波后的雷达液位计测量 值和经过低通滤波后的压力传感器测量计算值，进行加权融合，提高了液位输出值的可靠性和精度。 1 船舶液位检测的原理与误差分析 收稿日期：2015-12-11；修改稿收稿日期：2016-05-17 基金项目：国家 863高技术研究发展计划（2013AA12A206） 57卷 第 2 期 （总第218期） 刘庆华，等：卡尔曼滤波融合新算法及其船舶高精度液位测量的应用 193 1.1 船舶液位检测的原理 船舶液位检测的方法有很多，目前最常用的方法是通过压力传感器或者雷达液位计来进行测量。 雷达液位计的测量原理图如图 1 所示，它是按照“俯视式”时间行程测量原理进行工作的 [5]；通过探测 单元采集数据，然后将采集得到的数据传送给中央处理单元，计算液位值。雷达液位计首先测得的是 液位计与液舱中液面的空间高度 D，根据液位计与液舱底的距离 h，按照液位高度 s 的公式 s = h – D ， 计算得到液位高度 s。压力传感器测液位的原理如图2所示，此原理是采用两个压力传感器进行液位测 量，优点是不必知道液体的密度，同时还能最大程度地消除温度对压力传感器的影响。液位 s 的计算 公式为 d ρg P s  2 （1） Lg PP 12   （2） d PP LP s    12 2 （3） 式中，ρ 是测量液体的密度, g自由落体的加速度， 1P 、 2P 分别为压