張凱臨， 張文靜， 秦勝光

(1. 中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100； 2. 青島鐳測創(chuàng)芯科技有限公司， 山東 青島 266100)

測風(fēng)激光雷達(dá)作為測量海面風(fēng)場的一種重要設(shè)備，在工作時(shí)承載平臺(tái)會(huì)受到海浪的作用，所以需要雷達(dá)的姿態(tài)修正算法參與風(fēng)速風(fēng)向的計(jì)算。為了模擬測風(fēng)激光雷達(dá)的海上工作環(huán)境，驗(yàn)證海上漂浮式測風(fēng)激光雷達(dá)的算法精度及工作穩(wěn)定性，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了六自由度平臺(tái)模擬海上浮動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。相比于出海進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，將激光雷達(dá)先行安裝于六自由度并聯(lián)平臺(tái)上進(jìn)行測試，能夠降低測風(fēng)激光雷達(dá)在海上實(shí)驗(yàn)和工作所帶來的人力、物力和時(shí)間成本，能夠先行測試海上工作設(shè)備的工作能力。

從Gough和Stewart研制出并聯(lián)平臺(tái)機(jī)構(gòu)起，對于六自由度平臺(tái)的研究逐漸受到重視。如今，Stewart平臺(tái)在飛行模擬器[1]、工業(yè)、機(jī)床和醫(yī)用等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[2]，六自由度平臺(tái)定位系統(tǒng)的精度[3-4]和隔振性能[5-7]也通過多種方式逐漸提高,隨著航海事業(yè)、仿真技術(shù)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為載體的多自由度運(yùn)動(dòng)模擬裝置已廣泛應(yīng)用于船舶模擬方面研究。目前，多所高校和船舶公司已經(jīng)設(shè)計(jì)出精度較高的船舶模擬裝置[8-9]和潛艇模擬裝置[10]。

21世紀(jì)初，通過對采集的風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)和速度矯正的方式來隔離平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對測風(fēng)結(jié)果的影響[11]，現(xiàn)今海上測風(fēng)激光雷達(dá)能夠?qū)崟r(shí)姿態(tài)矯正測量海上風(fēng)場。本文中使用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬器搭載海上測風(fēng)激光雷達(dá)，對激光雷達(dá)進(jìn)行不同輸入數(shù)據(jù)下的測風(fēng)實(shí)驗(yàn)，并使用地基測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行同步對比測風(fēng)實(shí)驗(yàn)，研究平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對風(fēng)場反演的影響。結(jié)果表明，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度對風(fēng)場的反演有影響，運(yùn)動(dòng)速度越快，反演誤差越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為測風(fēng)激光雷達(dá)反演算法的優(yōu)化提供參考。

1 系統(tǒng)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文運(yùn)動(dòng)模擬器在Stewart結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)重力平衡氣缸，平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)由上下2個(gè)平臺(tái)、6個(gè)電動(dòng)缸、1個(gè)氣缸、2個(gè)球頭桿端關(guān)節(jié)軸承、2個(gè)Y型接頭、6個(gè)組合軸承、若干十字軸承、萬向節(jié)叉、軸用擋圈和孔用擋圈組成，圖1為該六自由度平臺(tái)結(jié)構(gòu)三維模型。根據(jù)組合軸承和十字軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)副、電動(dòng)缸的移動(dòng)副計(jì)算可得，該平臺(tái)的自由度數(shù)為六，所設(shè)計(jì)的平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)。

上下平臺(tái)以及軸承支撐架采用鋁合金材料，強(qiáng)度高、重量輕，能夠承載激光雷達(dá)系統(tǒng)。下平臺(tái)和電動(dòng)缸之間采用組合軸承和十字軸承共同連接的方式，能夠讓電動(dòng)缸傾斜較大的角度，使得上平臺(tái)繞X軸或Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍可達(dá)30°。

平臺(tái)上搭載的激光雷達(dá)系統(tǒng)重量約為32 kg，為了六自由度平臺(tái)能夠在此負(fù)載下正常運(yùn)動(dòng)，該平臺(tái)系統(tǒng)增加了平衡重力用的氣缸結(jié)構(gòu)。圖2所示為帶氣缸的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，該氣缸通過改變氣壓，能夠平衡20～48 kg的負(fù)載的重力，滿足海上激光雷達(dá)系統(tǒng)的各種運(yùn)動(dòng)要求。

圖1 六自由度平臺(tái)三維模型Fig.1 Three-dimensional model of 6-DOF platform

圖2 六自由度平臺(tái)實(shí)物圖

運(yùn)行過程中氣缸隨著平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，球頭桿端關(guān)節(jié)軸承亦隨之轉(zhuǎn)動(dòng)。氣缸系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中起著被動(dòng)的平衡重力的作用，兩端的萬向節(jié)對平臺(tái)運(yùn)動(dòng)位姿沒有影響。設(shè)計(jì)的六自由度平臺(tái)的工作空間如表1所示。

1.2 控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)源

控制系統(tǒng)采用工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡[12]等控制電動(dòng)缸的伸縮運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用氣泵和恒壓閥控制氣缸的支撐力。電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)整體體積小、響應(yīng)速度快、精度高，但是承重較小[13]；氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的平臺(tái)承重相對較高，但是精度較低[14]；采用電氣混合的控制方式能結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，精度較高、響應(yīng)快速的同時(shí)能承載較高的載重。

表1 六自由度平臺(tái)工作空間

計(jì)算機(jī)通過運(yùn)動(dòng)控制卡和驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而精密控制電動(dòng)缸伸縮桿上下運(yùn)動(dòng)，十字軸承和組合軸承隨著電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換任意角度，能夠使上平臺(tái)模擬漂浮平臺(tái)的橫蕩、縱蕩、垂蕩、橫搖、縱搖和艏搖六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

在模擬實(shí)際海上浮動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過程中，最重要的是模擬浮動(dòng)平臺(tái)的橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)。六自由度平臺(tái)以青島海域2020年5月21日的部分浮標(biāo)實(shí)測數(shù)據(jù)為運(yùn)動(dòng)依據(jù)，錄制了此段時(shí)間內(nèi)的橫搖角和縱搖角，作為模擬平臺(tái)控制系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)之間間隔約為200 ms，其時(shí)間間隔相對較大，使得六自由度平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程不夠連貫，因此需要對浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，選定插值時(shí)間間隔為10 ms。

圖3表示浮標(biāo)數(shù)據(jù)插值后的橫搖波形和縱搖波形。圖中縱坐標(biāo)為角度，紅色線代表橫搖角度，藍(lán)色線代表縱搖角度。此外，還增加一種固定頻率的運(yùn)動(dòng)方式，對控制系統(tǒng)輸入周期為2，幅度為分別為3°和6°的正弦運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)作為六自由度平臺(tái)橫搖、縱搖和艏搖單自由度運(yùn)動(dòng)的輸入數(shù)據(jù)。圖4是周期為2、角度偏移幅度為3°的正弦運(yùn)動(dòng)波形。

圖3 浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)波形Fig.3 Buoy motion waveform

圖4 正弦運(yùn)動(dòng)波形

為研究運(yùn)動(dòng)頻率和幅度對風(fēng)場反演的影響，平臺(tái)在上述輸入數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上分別對頻率和幅度進(jìn)行了縮放。將浮標(biāo)數(shù)據(jù)的頻率減少一半，與原有浮標(biāo)數(shù)據(jù)對比研究頻率對風(fēng)場反演的影響；將正弦數(shù)據(jù)的幅度增加一倍，與原有正弦數(shù)據(jù)對比研究幅度對風(fēng)場反演的影響。

六自由度平臺(tái)系統(tǒng)依據(jù)上述輸入的多種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過下文中介紹的坐標(biāo)變換，求得每組數(shù)據(jù)的電動(dòng)缸位移量，經(jīng)由軟件程序及運(yùn)動(dòng)控制卡等控制六自由度平臺(tái)模擬受海浪影響的浮動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。使用外部的角度測量傳感器測得該平臺(tái)在模擬輸入數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，空載誤差范圍在0.2°以內(nèi)，其精度較高，能夠良好地模擬海上浮動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，為激光雷達(dá)的測試提供準(zhǔn)確的漂浮平臺(tái)工作環(huán)境。

1.3 激光雷達(dá)系統(tǒng)

激光雷達(dá)系統(tǒng)采用了鐳測創(chuàng)芯的脈沖相干測風(fēng)激光雷達(dá)WindMast 350-M，可以在條件惡劣的海洋環(huán)境中使用。系統(tǒng)采用多波束/VAD掃描方式是一種傳統(tǒng)且常用的技術(shù)[15]，激光雷達(dá)系統(tǒng)自帶反演算法和姿態(tài)校正算法實(shí)時(shí)反演風(fēng)速和修正精度，最終得到東北、東南、西南、西北和垂直五方向的風(fēng)場數(shù)據(jù)。表2為該激光雷達(dá)的具體參數(shù)：

表2 測風(fēng)激光雷達(dá)參數(shù)(10 min數(shù)據(jù)產(chǎn)品精度)Table 2 Wind measurement lidar parameters (10 min data product accuracy)

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在圖5(a)和5(b)中分別建立了上下兩個(gè)坐標(biāo)系，一個(gè)位于下平臺(tái)上方鉸鏈的定坐標(biāo)系x,y,z,該坐標(biāo)原點(diǎn)o位于下平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)組成圓的圓心；一個(gè)位于上平臺(tái)下方鉸鏈的動(dòng)坐標(biāo)系x′,y′,z′，該坐標(biāo)原點(diǎn)o′位于上平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)組成圓的圓心。在初始位置時(shí)，上下兩個(gè)坐標(biāo)系x,y,z三軸方向均一致，且z軸在同一條直線上。沿z軸進(jìn)行投影，得到上下平臺(tái)的鉸鏈點(diǎn)分布圖。

圖5(a)為固定坐標(biāo)系下的各個(gè)鉸鏈點(diǎn)分布示意圖，下平臺(tái)兩點(diǎn)之間的角度為ω，鉸鏈點(diǎn)組成圓的圓半徑為Rb。圖5(b)為動(dòng)坐標(biāo)系下的各個(gè)鉸鏈點(diǎn)分布示意圖，上平臺(tái)與下平臺(tái)之間相差60°，上平臺(tái)兩點(diǎn)之間的角度為φ，鉸鏈點(diǎn)組成圓的圓半徑為Ra，上下平臺(tái)各鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)可根據(jù)角度和半徑求得。

圖5(a) 下平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)分布圖Fig.5(a) Distribution of lower platform hinge points

本文中六自由度平臺(tái)依照浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，表示為已知?jiǎng)悠脚_(tái)的運(yùn)動(dòng)反解求六個(gè)電動(dòng)缸的運(yùn)動(dòng)。動(dòng)平臺(tái)在空間中的位姿(x,y,z,α,β,γ)[16-17]為參考點(diǎn)(動(dòng)平臺(tái)中心)相對于中位時(shí)的位置(x,y,z)及姿態(tài)角(α,β,γ)。

圖6 空間關(guān)系矢量圖

圖6為空間關(guān)系矢量圖。其中：O為靜坐標(biāo)系原點(diǎn)；O′為動(dòng)坐標(biāo)系原點(diǎn)；Os′為O′在靜坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。動(dòng)靜平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)已確定尺寸，動(dòng)靜平臺(tái)各鉸鏈點(diǎn)的坐標(biāo)亦隨之確定。動(dòng)坐標(biāo)系任意一點(diǎn)都可經(jīng)過坐標(biāo)變換變換到靜坐標(biāo)系。圍繞x軸旋轉(zhuǎn)α角度后，變換矩陣為Tx，圍繞y軸旋轉(zhuǎn)β角度后，變換矩陣為Ty，圍繞z軸旋轉(zhuǎn)γ角度后，變換矩陣為Tz。

(1)

T為坐標(biāo)變換矩陣:

(2)

動(dòng)平臺(tái)任意一點(diǎn)Ai轉(zhuǎn)換到靜坐標(biāo)系的坐標(biāo)值為Ai′：

Ai′=TAi+Os′。

(3)

六根驅(qū)動(dòng)桿桿長的矢量為：

Li=Bi-(TAi+Os′)。

(4)

由圖可得，電動(dòng)缸長度li為動(dòng)平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)Pi′和對應(yīng)靜平臺(tái)鉸鏈點(diǎn)Mi之間的距離。li為：

(5)

電動(dòng)缸的伸縮量Lei為：

Lei=|li|-|li|init。

(6)

其中:|li|init為電動(dòng)缸的初始長度,上述i=0,1,…,5。依據(jù)浮標(biāo)數(shù)據(jù)提供的位置姿態(tài)以及上述公式反解出六根驅(qū)動(dòng)桿的伸縮量。在控制系統(tǒng)中編寫計(jì)算所得的驅(qū)動(dòng)桿伸縮量程序，可以控制六自由度平臺(tái)根據(jù)浮標(biāo)數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng)。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

兩臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)WindMast 350-M于2021年1月29日進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)(見圖7)。兩臺(tái)激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)時(shí)平行放置，其中一臺(tái)安裝慣導(dǎo)的激光雷達(dá)固定于六自由度平臺(tái)上，隨著六自由度平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測量。另一臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)靜置于地面進(jìn)行同步對比實(shí)驗(yàn)[18]。激光雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)包括浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、頻率縮小一半的浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、幅度為3°的正弦數(shù)據(jù)和幅度為6°的正弦數(shù)據(jù)。獲得的測風(fēng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)包含了GPS數(shù)據(jù)、信噪比數(shù)據(jù)和20～350 m不同高度上秒級(jí)的實(shí)測風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)。

圖7 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)圖

本文風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)皆選自高空50 m處的風(fēng)場數(shù)據(jù)。圖8(a)和8(b)為兩臺(tái)激光雷達(dá)均靜止時(shí)，一段時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向的對比圖。本節(jié)圖中藍(lán)色線均為地基測風(fēng)激光雷達(dá)測得的風(fēng)場數(shù)據(jù)，紅色線均為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上測風(fēng)激光雷達(dá)測得的風(fēng)場數(shù)據(jù)。

圖8(a) 靜止時(shí)風(fēng)速對比圖Fig.8(a) Wind speed comparison at rest

由圖8可知，該段時(shí)間的風(fēng)速大多在3～9 m/s之間，且風(fēng)速隨著時(shí)間變化較快；風(fēng)向基本在140°～220°之間變化，該段時(shí)間的風(fēng)主要為西南風(fēng)。對該段時(shí)間的風(fēng)速誤差和風(fēng)向誤差進(jìn)行了平均，其中，風(fēng)速平均誤差為0.019 8 m/s,風(fēng)向平均誤差為2.021 9°，誤差較小且均在測風(fēng)激光雷達(dá)誤差范圍內(nèi)。說明兩臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)在靜止時(shí)反演的風(fēng)速和風(fēng)向基本一致，擬合較好，同時(shí)為下文六自由度平臺(tái)模擬不同運(yùn)動(dòng)時(shí)測得的風(fēng)場數(shù)據(jù)提供對比依據(jù)和基準(zhǔn)。

平臺(tái)輸入浮標(biāo)數(shù)據(jù)為青島海域2020年5月21日部分浮標(biāo)實(shí)測姿態(tài)數(shù)據(jù)，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行了10 ms的插值處理后，得到了53 946個(gè)姿態(tài)數(shù)據(jù)。圖9(a)和9(b)分別表示運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輸入浮標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Ρ葓D。

圖9(a) 輸入浮標(biāo)數(shù)據(jù)風(fēng)速對比圖 Fig.9(a) Input buoy data wind speed comparison chart

由圖9可知，該段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速大多在3～7.5 m/s之間變化，風(fēng)向大多在120°～200°之間變化。與平臺(tái)靜止時(shí)間段相比，風(fēng)速有所減小，同為西南風(fēng)。該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測得的平均風(fēng)速誤差為0.148 4 m/s,平均風(fēng)向誤差為3.534 3°。其中，單臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)的風(fēng)速精度≤0.1 m/s，風(fēng)向精度<3°，實(shí)驗(yàn)為兩臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)對比，平臺(tái)輸入浮標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)的平均誤差在兩臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)的誤差范圍內(nèi)。該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測得的平均誤差均比平臺(tái)靜止時(shí)的平均誤差大，說明平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對風(fēng)場反演有影響。

將上述幅度相同，頻率縮小一半的浮標(biāo)數(shù)據(jù)輸入到運(yùn)動(dòng)模擬器中。圖10(a)和10(b)分別是平臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)在這種運(yùn)動(dòng)下測得的風(fēng)速和風(fēng)向，與同一時(shí)間內(nèi)地基測風(fēng)激光雷達(dá)測得的風(fēng)速和風(fēng)向的對比圖像。

由圖10可知，該段時(shí)間風(fēng)速基本在1～5 m/s之間變化，風(fēng)向基本在100°～180°之間變化。圖10(a)中，兩臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)的平均風(fēng)速誤差為0.074 3 m/s,圖10(b)中，平均風(fēng)向誤差為2.228 8°。數(shù)據(jù)顯示，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)輸入頻率縮小一半的實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，其風(fēng)速和風(fēng)向的平均誤差較小。說明平臺(tái)運(yùn)動(dòng)頻率對風(fēng)場的反演有影響，且平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的頻率越快，誤差也就越大。

圖10(a) 輸入半倍頻浮標(biāo)數(shù)據(jù)風(fēng)速對比圖

對平臺(tái)的橫搖、縱搖和艏搖3個(gè)自由度分別輸入周期為2π、幅度為3°和6°的正弦姿態(tài)數(shù)據(jù)，研究平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度對反演風(fēng)場的影響。圖11(a)和11(b)分別表示平臺(tái)在輸入運(yùn)動(dòng)幅度為3°的正弦數(shù)據(jù)時(shí)，測風(fēng)激光雷達(dá)測得的風(fēng)速風(fēng)向與地基測風(fēng)激光雷達(dá)測得的風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ葓D。

圖11(a) 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度為3°時(shí)風(fēng)速對比圖

由圖11可知，平臺(tái)在該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測得的平均風(fēng)速誤差為0.026 3 m/s,平均風(fēng)向誤差為2.020 9°。此外，對運(yùn)動(dòng)模擬器輸入了幅度為6°的正弦數(shù)據(jù)，圖12(a)和12(b)分別表示兩臺(tái)測風(fēng)激光雷達(dá)在該數(shù)據(jù)運(yùn)行時(shí)測得的風(fēng)速和風(fēng)向?qū)Ρ葓D。

圖12(a) 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度為6°時(shí)風(fēng)速對比圖

圖12測得此時(shí)的平均風(fēng)速誤差為-0.022 1 m/s,平均風(fēng)向誤差為2.656 9°?？偨Y(jié)上述五種情況下的平均風(fēng)速誤差和平均風(fēng)向誤差，如表3所示。

表3 平均誤差總結(jié)

綜合上述五種情況的誤差總結(jié)，平臺(tái)靜止時(shí)的平均風(fēng)速誤差最小，為0.019 8 m/s；平臺(tái)靜止時(shí)的平均風(fēng)向誤差與最小的平均風(fēng)向誤差基本相同，為2.021 9°，表明平臺(tái)靜止時(shí)測得的風(fēng)速風(fēng)向誤差最小，擬合最好。說明平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對風(fēng)場的反演有影響。

平臺(tái)輸入浮標(biāo)數(shù)據(jù)和頻率縮小一半的浮標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，不管是從絕對誤差來看，還是從二者與平臺(tái)靜止時(shí)的相對誤差來看，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)頻率縮小時(shí)測得的平均誤差更小。平臺(tái)輸入周期為2π、幅度分別為3°和6°的正弦數(shù)據(jù)時(shí)，兩種輸入數(shù)據(jù)測得的平均風(fēng)速誤差和平均風(fēng)向誤差相對接近。平臺(tái)輸入幅度為3°的正弦數(shù)據(jù)時(shí)，測得的平均風(fēng)速誤差的數(shù)值大，為0.026 3 m/s；輸入幅度為6°的正弦數(shù)據(jù)時(shí)，平均風(fēng)向誤差的數(shù)值大，為2.656 9°，這難以說明平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度對風(fēng)場反演的影響。但是，以平臺(tái)靜止時(shí)的平均誤差為基準(zhǔn)，平臺(tái)輸入幅度為3°的正弦數(shù)據(jù)時(shí)，平均風(fēng)速相對誤差是0.006 5 m/s，平均風(fēng)向相對誤差是-0.001°。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度為6°時(shí)，平均風(fēng)速相對誤差是-0.041 9 m/s，平均風(fēng)向相對誤差是0.635°。說明了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度對風(fēng)場的反演有影響，平均誤差隨著幅度的增加而增加。

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅度對風(fēng)場反演的影響都可以歸結(jié)為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度對風(fēng)場反演的影響。運(yùn)動(dòng)頻率和幅度增大時(shí)，其速度都相應(yīng)增大。表明平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的速度越快，其平均誤差也就越大。反演風(fēng)場數(shù)據(jù)時(shí)需要考慮到平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度對反演的影響。

4 結(jié)語

本文介紹的海上漂浮式激光雷達(dá)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模擬器能夠模擬海上浮動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，且能夠搭載海上測風(fēng)激光雷達(dá)進(jìn)行測風(fēng)實(shí)驗(yàn)，可有效降低外場實(shí)驗(yàn)成本。對比平臺(tái)靜止和平臺(tái)不同運(yùn)動(dòng)模式時(shí)，運(yùn)動(dòng)時(shí)測得的平均誤差比靜止時(shí)測得的平均誤差大，表明平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)對風(fēng)場反演有影響，風(fēng)速和風(fēng)向的平均誤差隨著平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的增加而增加。實(shí)驗(yàn)證明，運(yùn)動(dòng)模擬器可廣泛應(yīng)用于驗(yàn)證海上實(shí)驗(yàn)設(shè)備的工作性能，為海上測風(fēng)激光雷達(dá)反演算法的改進(jìn)和優(yōu)化提供參考。