本公开总体上涉及海洋船舶的运动估计和运动控制。在特定方面，本公开涉及海洋船舶的运动估计和海洋船舶的主动稳定系统。本公开的不同技术可以应用于诸如游艇和其他机动船的海上休闲船只，并且还可以应用于诸如渡轮、补给船等较小的商业船只。尽管可以关于特定船舶描述本公开，但是本公开不限于任何特定船舶。
背景技术：
1、海洋船舶受到来自海洋的力(诸如作用在船舶的船体上的波浪)的作用。这些力可能引起纵摇运动和横摇运动，这可能是不期望的。例如，跃水现象是一种持续的重复运动，即使在平静的水域中，也会导致船头在水中上下弹动。虽然跃水现象可能只会让乘客感到不舒服，但是它也可能导致失去控制，从而可能导致受伤或船只结构的损坏。
2、水翼航行在机动船和小型商业海洋船舶中越来越受欢迎。高速水翼航行操作提高了对海洋船舶稳定性的要求。
3、基于陀螺仪的主动稳定器系统是已知的。这些系统可以用于缓解船只的船体的横摇运动和纵摇运动两者。
4、基于翼片、装饰板和所谓的拦截器的主动稳定器系统也是已知的。这些系统也可以用于缓解船只的船体的纵摇运动和横摇运动。
5、然而，尽管目前有许多主动稳定系统可用，但是仍需要做出进一步改进以用有效方式缓解海洋船舶的纵摇运动和横摇运动。
6、还需要改进适合于海洋船舶的运动估计技术和运动预测技术。
技术实现思路
1、本公开的各方面涉及一种海洋船舶，其包括船体、控制单元、水翼装置和运动传感器系统，其中运动传感器系统包括雷达收发器控制单元和至少一个雷达收发器，所述至少一个雷达收发器被布置成在指向海面的视轴方向上发射雷达信号。雷达收发器控制单元被布置成基于来自海面的雷达反向散射来至少确定船体相对于水面的当前升沉，并且控制单元被布置成控制水翼装置以减小船体的当前升沉与船体的期望升沉(即，船舶的升沉设定点)之间的差。以这种方式使用雷达系统来确定升沉并基于与升沉设定点相关的当前升沉来控制水翼装置实现可靠且高效的操作。对水翼装置的控制可以以低延时和高控制环路带宽的准确方式执行，这尤其在更困难的工况下(诸如具有高波浪和强风的海况下)是有利的。
2、根据一些方面，水翼系统包括前水翼装置和后水翼装置，并且控制单元被布置成基于对前水翼装置的控制来控制船体的升沉。控制单元优选地还被布置成基于对后水翼装置的控制来控制船体的纵摇和/或横摇。前水翼装置与后水翼装置之间的这种划分使得操作更加稳定且易于控制。前水翼装置主要使用从雷达获得的升沉数据进行控制，而后水翼装置可以使用来自雷达和船舶上的一个或多个imu的数据进行控制。
3、根据一些方面，至少一个雷达收发器被布置成在指向海面的视轴方向上以相对于海面的法线的非零角度发射雷达信号，并且雷达收发器控制单元被布置成基于来自海面的雷达反向散射的多普勒频移来确定船体相对于水面的速度并且还基于船体的速度来控制水翼装置。水翼装置的升力通常取决于水翼在水中的速度。因此，在确定船体对给定控制命令的响应时，获得关于船舶在水中的速度的准确信息是有益的。
4、海洋船舶可以包括多个雷达收发器，所述多个雷达收发器被布置成在指向海面的相应的视轴方向上发射相应的雷达信号。然后，雷达收发器控制单元可以被布置成基于来自海面的雷达反向散射来确定在至少两个方向上船体相对于水面的速度。因此，雷达系统不仅确定船体在水中的纵向速度，而且还确定船体相对于海面的横向速度，并且还可能确定船体相对于海面的竖直速度。这是优点，因为还可以通过利用关于船体相对于海面的横向速度的信息来执行更高级的控制操作。例如，可以使用关于横向速度的信息来改善对水翼装置的控制，因为通过水翼的水的横向速度也对水翼在船舶的船体上产生的力有影响。
5、海洋船舶还可以包括至少一个雷达收发器，所述至少一个雷达收发器被布置成在指向海面的视轴方向上发射相应的雷达信号，并且控制单元可以被布置成基于距海面的确定距离来估计船体的纵摇运动和/或横摇运动。通过测量从船体上的多个位置到海面的距离，可准确地确定船体相对于海面的姿态，诸如船体相对于海面的纵摇角和横摇角。该姿态信息可以用于改善对船舶的运动控制，诸如水翼的不同迎角。
6、根据一些方面，船舶上的雷达收发器控制单元被布置成基于一个或多个雷达信号来确定船体相对于海面的速度和/或加速度。至少一个imu同时被布置成确定船体在惯性参考系中的加速度。然后，控制单元可以被配置为基于船体相对于海面的速度和/或加速度与船体在惯性参考系中的加速度的比较来确定船体的欧拉角。这样，可以以可靠方式确定船体的纵摇角和/或横摇角。以这种方式确定的欧拉角还可以用于改进对船舶的运动控制。
7、海洋船舶还可以包括推进系统，所述推进系统至少具有第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元由船体的纵向船中剖线分开，即，被布置在船舶的相应侧上。每个驱动单元被布置成以可控推力仰角和可控推力方位角产生推力，其中至少推力仰角是单独可控的，这意味着可以在不同的驱动单元上配置不同的推力仰角。控制单元被布置成基于来自运动传感器系统的输入来估计船体的当前纵摇运动和当前横摇运动。控制单元还被布置成通过控制第一驱动单元和第二驱动单元的推力仰角和推力方位角来抑制船体的纵摇运动和横摇运动。
8、这样，所述推进系统提供有效的纵摇和横摇缓解，这是优点，因为降低了对诸如陀螺仪和翼片的附加主动稳定系统的需求。通过协调船舶上的驱动单元有效地提供主动稳定，这是优点，因为这种协调可以以能源效率为目标或以其他优化标准(诸如噪声水平、部件磨损等)来执行。
9、船体具有重心和纵摇运动，并且船体的横摇运动可以有利地至少近似地相对于该重心来定义。也可以使用船舶的浮心作为参考，这具有类似的技术效果。通过定义船体相对于重心的运动，可以简化稳定性计算。如果相对于船舶的重心或者至少相对于船舶的近似重心来定义船舶运动，则还可以促进涉及例如前水翼装置和后水翼装置的水翼操作的控制。然而，应当理解，船体上的其他参考点可以用于定义纵摇运动和横摇运动。
10、第一驱动单元和第二驱动单元可以安装在船体的艉板上或者从船体的底部延伸到水中。还可将艉板上的驱动单元与从船体底部延伸出的驱动单元结合使用。使用从船体底部延伸出的驱动单元的优点是它可以与水翼装置有效地结合。
11、根据一些方面，第一驱动单元和第二驱动单元包括相应的纵倾致动器。每个纵倾致动器被布置成响应于来自控制单元的控制信号而独立于其驱动单元的推力仰角来控制另一驱动单元的推力仰角。使用单独的纵倾致动器是优点，因为它允许独立于一个驱动单元来调整另一驱动单元的驱动单元纵倾。当然，多于两个驱动单元的纵倾也可以以这种方式进行调整。
12、纵倾致动器可以包括液压致动器、诸如伺服系统的电机或这两者的组合。与液压纵倾致动器相比，电机纵倾致动器通常更快，即，响应更灵敏。根据一些方面，本文讨论的船舶使用液压致动器与电机的组合来控制纵倾。液压纵倾致动器为纵倾提供了更大的角度范围，但是可以被设计得比电机慢。然后，较快的电机纵倾叠加在较慢的液压纵倾上，以在更广泛的可配置纵倾角度上获得对从控制单元发送的控制命令的更快响应。
13、控制单元可以被布置成通过控制驱动单元在不同方向上的推力仰角(即，相对于诸如水平面的某个参考平面的正和负纵倾角)以引发船体的反向横摇运动来抑制船体的横摇运动。控制单元还可以被布置成通过控制驱动单元在相同方向上的推力仰角(两个正纵倾角或两个负纵倾角)以引发船体的反向纵摇运动来抑制船体的纵摇运动。然而，如下文将更详细地讨论的，驱动单元在推力角(仰角和方位角两者)和推力大小方面的致动优选地由控制单元来协调，所述控制单元还考虑一些辅助性能标准，诸如能源效率、噪声水平或部件磨损。相同的操纵通常可以通过许多不同的方式来完成，即，通过使用转向、改变推力或改变纵倾来完成。通常可以找到完成给定操纵的解决方案，例如，所述解决方案比其他解决方案更节能，或者为船舶上的乘客带来更舒适的乘坐体验。
14、本公开的各方面还涉及一种海洋船舶，其包括船体、推进系统、控制单元和运动传感器系统。推进系统至少包括第一驱动单元和第二驱动单元，所述第一驱动单元和所述第二驱动单元由船体的纵向船中剖线分开，即，它们被布置在船舶的相应侧上。每个驱动单元被布置成以可控推力仰角和可控推力方位角产生推力，其中至少驱动单元的推力仰角是单独可控的，这意味着可以在不同的驱动单元上配置不同的推力仰角。海洋船舶上的控制单元被布置成基于来自运动传感器系统的输入来估计船舶上的船体的当前纵摇运动和当前横摇运动。控制单元还被布置成通过控制第一驱动单元和第二驱动单元的推力仰角以及还可能控制第一驱动单元和第二驱动单元的推力方位角来抑制船体的非期望的纵摇运动和非期望的横摇运动。
15、所述技术可以在航行中有利地使用，即，当船只沿向前方向行驶时，其可能高速行驶。当船舶静止时，诸如当船只停泊时，所述技术也适用。
16、这样，推进系统提供有效的纵摇和横摇缓解，这是优点，因为降低了对诸如陀螺仪和主动翼片的附加主动稳定系统的需求。通过协调船舶上的驱动单元提供主动稳定，这是优点，因为这种协调可以以能源效率或其他辅助性能标准作为目标来执行，如下文将更详细地解释的。
17、船体具有重心和纵摇运动，并且船体的横摇运动可以有利地相对于该重心来定义。也可以使用船舶的浮心作为参考。通过定义船体相对于重心或浮心的运动，可以简化稳定性计算。如果相对于船舶的重心或者至少相对于船舶的近似重心来定义船舶运动，则例如可以简化涉及例如前水翼装置和后水翼装置的水翼操作的控制。
18、第一驱动单元和第二驱动单元可以安装在船体的艉板上或者船体的底部上，即，从船体的底部向下延伸到水中。还可将艉板上的驱动单元与从船体底部延伸出的驱动单元结合使用。使用从船体底部延伸出的驱动单元的优点是它可以与水翼装置(诸如水翼)有效地结合。下文将描述诸如推进系统的示例。
19、根据一些方面，第一驱动单元和第二驱动单元包括相应的纵倾致动器。每个纵倾致动器被布置成响应于来自控制单元的控制信号而独立于其驱动单元的推力仰角来控制另一驱动单元的推力仰角。以这种方式使用单独的纵倾致动器是优点，因为它允许独立于一个驱动单元来调整另一驱动单元的驱动单元纵倾。当然，多于两个驱动单元的纵倾也可以以这种方式进行调整。可在两个或更多个驱动单元上分开调整纵倾允许实现高效的横摇补偿。
20、本文公开的一些纵倾致动器允许在超过180度的范围内调整推力仰角，这意味着可以通过将纵倾角调整180度或更大角度来反转推力方向。
21、纵倾致动器可以包括液压致动器、诸如伺服系统的电机或液压纵倾致动器与电动纵倾致动器的组合。与液压纵倾致动器相比，电机纵倾致动器通常更快，即，响应更灵敏，并且因此可以在更高的控制环带宽下进行控制。这意味着它们更快地对来自控制单元的控制命令做出响应，并且也以更高速率改变纵倾角。根据一些方面，本文讨论的船舶使用液压致动器与电机的组合来控制海洋船舶上的驱动单元的纵倾。然后，较快的电机纵倾叠加在较慢的液压纵倾上，以获得对从控制单元发送的控制命令的更快整体响应。液压纵倾致动器为纵倾提供了更大的角度范围，但是可以被设计得更慢，因为响应性是由电动纵倾致动器提供的。这种配置类似于道路车辆上的制动混合操作，其使用摩擦制动器和电机两者进行减速，其中在调整制动扭矩时，摩擦制动器比电机更慢。
22、控制单元可以被布置成通过控制驱动单元在不同方向上的推力仰角(即，相对于水平面或某个其他参考角的正和负纵倾角)以引发船体的反向横摇运动来抑制船体的横摇运动。控制单元还可以被布置成通过控制驱动单元在相同方向上的推力仰角(都为正或都为负)以引发船体的反向纵摇运动来抑制船体的纵摇运动。然而，如下文将更详细地讨论的，驱动单元在推力角(仰角和方位角两者)和推力大小方面的致动优选地由控制单元来协调，控制单元还考虑一些辅助性能标准，诸如能源效率、噪声水平或部件磨损。相同的船舶操纵通常可以通过许多不同的方式来完成，即，通过使用转向、改变推力或改变驱动单元的纵倾来完成。通常可以找到完成给定操纵的解决方案，例如，所述解决方案比其他解决方案更节能，或者为船舶上的乘客带来更舒适的乘坐体验，如下文将解释的。
23、船舶上的运动传感器系统优选地包括惯性测量单元(imu)，所述惯性测量单元被布置成测量船体围绕纵向参考轴线的旋转(横摇运动)和围绕横向参考轴线的旋转(纵摇运动)。imu优选地是六轴imu，其包括陀螺仪和加速度计两者。与使用imu相关联的优点在于，其输出以相对较低的延时获得，这在诸如本文讨论的控制应用中是优点，其中优选地以尽可能低的延时来缓解船舶的非期望运动。
24、运动传感器系统优选地还包括至少一个雷达收发器，所述至少一个雷达收发器被布置成在指向海面的视轴方向上优选地以相对于海面的法线的非零角度发射雷达信号。被布置成指向海面的雷达收发器可以用于测量海洋船舶的船体的升沉，即，船体上的某个参考点与海面之间的距离。雷达收发器控制单元还可以被布置成在视轴方向以相对于海面的法线的非零角度指向海面的情况下，基于来自海面的雷达反向散射的多普勒频移来确定船体相对于水面的速度。这种类型的速度传感器雷达在陆基车辆中是已知的，其中它已被有利地用于估计道路车辆(诸如卡车、火车和乘用车)的纵向速度和横向速度两者。通过在海洋船舶上安装类似的雷达系统，可以获得关于船舶相对于海面的速度的宝贵信息。所获得的速度数据可以被获得作为三维速度矢量，即，纵向、横向和竖直速度分量。
25、海洋船舶可以包括多个雷达收发器，所述多个雷达收发器被布置成在指向海面的相应的视轴方向上发射相应的雷达信号。然后，一个或多个雷达收发器控制单元可以被布置成基于来自海面的雷达反向散射来至少确定船体相对于水面的速度。通过以这种方式使用多于一个雷达收发器，速度估计变得更加可靠。也可估计多于一个维度的速度。
26、雷达收发器还可以被布置成确定从雷达收发器到海面的距离，并且控制单元可以被布置成基于距海面的确定距离来估计船体的纵摇运动和/或横摇运动。具有关于从船体上的几个位置到海面的距离的信息并且已知不同雷达收发器的视轴角，可准确地确定船体相对于海面的当前纵摇角和当前横摇角。该信息可以用于改进对船舶的运动控制。
27、根据一些方面，雷达收发器控制单元被布置成基于一个或多个雷达信号来确定船体相对于海面的速度和/或加速度。至少一个imu同时被布置成确定船体在惯性参考系中(即，相对于重力)的加速度。然后，船舶上的控制单元可以被配置为基于船体相对于海面的速度和/或加速度与船体在惯性参考系中的加速度的比较来确定船体的欧拉角。这样，可以以可靠且有效的方式确定船舶的纵摇角和/或横摇角，这是优点。
28、根据一些方面，海洋船舶包括水翼系统。控制单元然后可以被布置成通过结合第一驱动单元和第二驱动单元的推力仰角和推力方位角控制水翼系统来抑制船体的纵摇运动和横摇运动。水翼装置与驱动单元协调以获得船舶的期望运动可以根据协调函数的目标函数来实现例如更节能的操作、更少噪声和更少的部件磨损。水翼系统可以例如包括前水翼装置和后水翼装置，并且控制单元可以被布置成基于对前水翼装置的控制来控制船体的升沉并基于对后水翼装置的控制来控制船体的纵摇和/或横摇。
29、所公开的方面、示例(包括任何优选示例)和/或所附权利要求可以适当地彼此组合，这对于本领域的任何普通技术人员来说是显而易见的。附加的特征和优点在具体实施方式、权利要求和附图中公开，并且部分地对于本领域技术人员而言将是显而易见的或者通过如本文描述实践本公开而被认识到。
30、本文还公开了与上文讨论的技术益处相关联的计算机系统、控制单元、代码模块、计算机实施的方法、计算机可读介质和计算机程序产品。
1.一种海洋船舶(500)，其包括船体(110)、控制单元(130)、水翼装置(180、190)以及运动传感器系统(140)，
2.根据权利要求1所述的海洋船舶(500)，其中水翼系统包括前水翼装置(190)和后水翼装置(180)，其中所述控制单元(130)被布置成基于对所述前水翼装置(190)的控制来控制所述船体(110)的所述升沉(dz)。
3.根据权利要求2所述的海洋船舶(500)，其中所述控制单元(130)被布置成基于对所述后水翼装置(180)的控制来控制所述船体(110)的纵摇和/或横摇。
4.根据前述权利要求中任一项所述的海洋船舶(500)，其中所述至少一个雷达收发器(170)被布置成在指向所述海面(150)的视轴方向上以相对于所述海面(150)的法线(v)的非零角度发射所述雷达信号(175)，其中所述雷达收发器控制单元(145)被布置成基于来自所述海面(150)的雷达反向散射来确定所述船体(110)相对于所述水面(150)的速度并基于所述船体(110)的所述速度来控制所述水翼装置(180、190)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的海洋船舶(500)，其包括多个雷达收发器(170a至170d)，所述多个雷达收发器被布置成在指向所述海面(150)的相应的视轴方向上发射相应的雷达信号，其中所述雷达收发器控制单元(145)被布置成基于来自所述海面(150)的雷达反向散射来确定在至少两个方向上所述船体(110)相对于所述水面(150)的所述速度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的海洋船舶(500)，其包括至少一个雷达收发器(170a至170d)，所述至少一个雷达收发器被布置成在指向所述海面(150)的视轴方向上发射相应的雷达信号，其中所述控制单元(130)被布置成基于距所述海面(150)的确定距离来估计所述船体(110)的纵摇运动(ωy)和/或横摇运动(ωx)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的海洋船舶(200、500)，其中雷达收发器控制单元(145)被布置成基于一个或多个雷达信号(175)来确定所述船体(110)相对于所述海面(150)的速度和/或加速度，其中imu被布置成确定所述船体(110)在惯性参考系中的加速度，其中所述控制单元(130)被布置成基于所述船体(110)相对于所述海面(150)的所述速度和/或所述加速度以及基于所述船体(110)在所述惯性参考系中的所述加速度来确定所述船体(150)的欧拉角(θ)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的船舶(100、200、500)，其包括推进系统(120)，所述推进系统具有由所述船体(110)的纵向船中剖线(115)分开的第一驱动单元(120a)和第二驱动单元(120b)，其中每个驱动单元(120a、120b)被布置成以可控推力仰角(ωy,t)和可控推力方位角(ωz，t)产生推力(t)，
9.根据权利要求8所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述船体(110)具有重心(160)，其中所述船体(110)的所述纵摇运动(ωy)和所述横摇运动(ωx)是相对于所述重心(160)来定义的。
10.根据权利要求8或9所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述第一驱动单元(120a)和所述第二驱动单元(120b)与所述水翼装置(180、190)分开地安装在所述船体(110)的艉板(111)上。
11.根据权利要求8或9所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述第一驱动单元(120a)和所述第二驱动单元(120b)安装在所述船体(110)的底部(112)上。
12.根据权利要求11所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述第一驱动单元(120a)和所述第二驱动单元(120b)与所述水翼装置(180、190)集成。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述第一驱动单元(120a)和所述第二驱动单元(120b)包括相应的纵倾致动器，其中每个纵倾致动器被布置成响应于来自所述控制单元(130)的控制信号而独立于其驱动单元的推力仰角(ωy，t)来控制所述另一驱动单元的推力仰角(ωy，t)。
14.根据权利要求13所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述纵倾致动器包括液压致动器。
15.根据权利要求13或14所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述纵倾致动器包括电机。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的海洋船舶(100、200、500)，其中所述控制单元(130)被布置成通过控制所述驱动单元(120a、120b)在不同方向上的所述推力仰角(ωy,t)以引发所述船体(110)的反向横摇运动(r)来抑制所述船体(110)的横摇运动。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的船舶(100、200、500)，其中所述控制单元(130)被布置成通过控制所述驱动单元(120a、120b)在相同方向上的所述推力仰角(ωy,t)以引发所述船体(110)的反向纵摇运动(p)来抑制所述船体(110)的纵摇运动。
18.一种用于控制海洋船舶(500)的水翼操作的计算机实施的方法，所述海洋船舶(500)包括船体(110)、控制单元(130)、水翼装置(180、190)以及运动传感器系统(140)，
19.一种包括程序代码的计算机程序产品，所述程序代码用于在由所述控制单元(130)的处理电路执行时执行根据权利要求18所述的方法。
20.一种包括指令的非暂时性计算机可读存储介质，所述指令在由所述处理电路执行时使所述处理电路执行根据权利要求18所述的方法。
