ES2443160T3 - Procedimiento para la determinación de magnitudes de oleaje - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la determinación de magnitudes de oleaje (, Ak) para un vehículo acuático, en el cual escaptado el movimiento del centro de gravedad del vehículo acuático (x), en el cual son hallados parámetros delmovimiento del centro de gravedad dependientes de las magnitudes de oleaje (, Ak) y en el cual es determinada orespectivamente son determinadas (REG, FFT) una o más magnitudes de oleaje (, Ak) a partir de estos parámetros.

Description

Procedimiento para la determinación de magnitudes de oleaje

La presente invención se refiere a un procedimiento para la determinación de magnitudes de oleaje.

Las magnitudes de oleaje tienen una influencia decisiva sobre la estabilidad del comportamiento de flotación o

5 respectivamente de navegación de vehículos acuáticos. Por ejemplo, para determinadas frecuencias de encuentro de las olas con el vehículo acuático puede llegarse a oscilaciones de balanceo excitadas paramétricamente. Éstas conducen en caso de resonancia a ángulos de balanceo fuertemente aumentados. Por ejemplo, para barcos portacontenedores grandes se ha informado de ángulos de balanceo de más de 20º. Para poder predecir de forma fiable situaciones que pueden afectar negativamente a la estabilidad de un vehículo acuático, es necesario captar

10 magnitudes de oleaje, tales como por ejemplo la dirección de las olas y el periodo de onda.

Para ello es conocido emplear boyas de oleaje de movimiento libre, por ejemplo la boya “Directional Waverider MK III” del fabricante holandés Datawell BV. También se emplean boyas ancladas para la medición de magnitudes de oleaje, por ejemplo en el programa Moored Buoy Programm del Departamento de Comercio de los EE.UU., Organismo Nacional de Océano y Atmósfera (US-Department of Commerce, National Oceanic and Atmospheric

15 Administration). Es desventajoso sin embargo en el empleo de boyas que éstas sólo captan en pocos lugares las magnitudes de oleaje, de modo que sólo pueden deducirse con precisión condicionada aquellas magnitudes de oleaje que ponen en peligro la estabilidad del vehículo acuático.

Como mejora se aprovechan actualmente disposiciones de radar del vehículo acuático, para captar magnitudes de oleaje en el mismo lugar del vehículo acuático. Sin embargo, la calidad de señal de tales disposiciones de radar

20 depende de las condiciones meteorológicas. En particular para lluvias o nevadas fuertes, la señal de radar y con ella la determinación de magnitudes de oleaje son afectadas negativamente. Además no existe ninguna relación directa entre la señal de radar retrodispersada y la altura de las olas.

Otro sistema de medida de olas es conocido a partir del documento US6382022 y calcula a partir de la posición del vehículo acuático, a partir de la distancia del vehículo acuático a la superficie del agua y a partir de la inclinación así

25 como el movimiento de balanceo las magnitudes de oleaje (altura, la dirección y la longitud de onda) de las olas del mar.

Constituye por ello la tarea de la invención poner a disposición un procedimiento, mejorado a este respecto, para la determinación de magnitudes de oleaje. En particular, este procedimiento debe tener una elevada precisión y ser independiente de las condiciones meteorológicas.

30 Esta tarea es resuelta mediante un procedimiento con las características indicadas en la reivindicación 1. Perfeccionamientos ventajosos de la invención resultan de las reivindicaciones dependientes, de la descripción siguiente y del dibujo.

El procedimiento conforme a la invención para la determinación de magnitudes de oleaje es llevado a cabo sobre un vehículo acuático. Aquí es captado el movimiento del centro de gravedad del vehículo acuático. En el procedimiento

35 son hallados parámetros, dependientes de las magnitudes de oleaje, del movimiento del centro de gravedad y son determinadas una o varias magnitudes de oleaje a partir de estos parámetros.

Con el procedimiento conforme a la invención, la determinación de magnitudes de oleaje se produce en el mismo lugar del vehículo acuático. Con ello, el procedimiento garantiza una determinación de las magnitudes de oleaje relevantes para la estabilidad del vehículo acuático con una precisión mejorada. Ventajosamente, una determinación 40 de las magnitudes de oleaje puede producirse independientemente de las condiciones meteorológicas. Además, en el procedimiento conforme a la invención pueden determinarse todas las magnitudes de oleaje relevantes para la estabilidad del vehículo acuático, por ejemplo la altura de las olas. El procedimiento conforme a la invención tiene con ello todas las ventajas de los procedimientos conocidos a partir del estado de la técnica, sin estar sometido sin embargo a las limitaciones de estos procedimientos. Así, la determinación de las magnitudes de oleaje se produce 45 tanto de forma independiente de las condiciones meteorológicas, como ocurre en la observación de boyas de oleaje, como también en el lugar del vehículo acuático, como ocurre al emplear disposiciones de radar a bordo del vehículo acuático. Ventajosamente, en el procedimiento conforme a la invención son captados precisamente aquellos aspectos del oleaje que ejercen una influencia considerable sobre la estabilidad del vehículo acuático. Así, por ejemplo aquellas olas cuya longitud de onda es claramente menor que la dimensión, proyectada sobre la dirección 50 de propagación de las olas, del vehículo acuático ejercen una influencia despreciable sobre el movimiento del centro de gravedad del vehículo acuático. Estas olas tienen también sólo una influencia irrelevante sobre la estabilidad del vehículo acuático. Aspectos del oleaje irrelevantes para la estabilidad del vehículo acuático no son hallados típicamente por el procedimiento conforme a la invención. Además, la realización del procedimiento no requiere forzosamente una gran necesidad de equipamiento, ya que la captación del movimiento del centro de gravedad

55 puede producirse por ejemplo sencillamente mediante sensores de movimiento.

Preferentemente, en el procedimiento conforme a la invención el movimiento del centro de gravedad se tiene en cuenta estadísticamente en varios trenes de ondas atravesados por el vehículo acuático y/o durante varios periodos de las olas atravesadas por el vehículo acuático. Esta toma en consideración estadística durante varios periodos de onda o respectivamente en varios trenes de onda permite captar, por ejemplo mediante un apropiado promediado o 5 mediante cálculos de compensación, con una buena precisión el movimiento del centro de gravedad del vehículo acuático. Preferentemente, en el procedimiento el movimiento del centro de gravedad es captado durante un tiempo de 5 a 30 minutos, en particular durante un tiempo de menos de 20 minutos. Típicamente, para la determinación de magnitudes de oleaje es ya suficiente una captación del movimiento del centro de gravedad del vehículo acuático durante un tiempo de 10 minutos. Con ello, el tiempo necesario para la captación del movimiento del centro de 10 gravedad es claramente más corto que los periodos de captación típicos al emplear boyas de oleaje, que alcanzan o superan regularmente los 30 minutos. Por una captación duradera del movimiento del centro de gravedad hay que entender en este contexto por un lado una captación continua del movimiento del centro de gravedad. Sin embargo, puede entenderse por ello también una multiplicidad de medidas individuales consecutivas durante el tiempo de captación. Convenientemente, estas medidas individuales se producen con una separación temporal regular, que es

15 mucho menor que los periodos de movimiento que se presentan típicamente para el vehículo acuático, por ejemplo con una separación temporal de 0,1 segundos. Idealmente, en el procedimiento conforme a la invención, los datos captados también son evaluados con esta separación temporal.

Idealmente, en el procedimiento conforme a la invención, son determinados o respectivamente es determinado como magnitud de oleaje la dirección de propagación y/o el periodo de onda de las olas. Precisamente la dirección de

20 propagación y el periodo de onda de las olas tienen una gran influencia sobre la estabilidad de un vehículo acuático durante la navegación. En particular, mediante la determinación de la dirección de propagación y/o del periodo de onda de las olas puede detectarse el riesgo de oscilaciones de balanceo excitadas paramétricamente, de modo que dado el caso el curso o respectivamente la velocidad de navegación del vehículo acuático pueden ser modificadas apropiadamente.

25 Preferentemente, en el procedimiento conforme a la invención es captado o respectivamente son captados la evolución temporal y/o el intervalo de valores de al menos una magnitud cinemática del movimiento del centro de gravedad.

Preferentemente, en el procedimiento conforme a la invención la magnitud cinemática es la posición. Así, por ejemplo ya sólo a partir del intervalo de valores que toma la posición del centro de gravedad del vehículo acuático

30 puede ser determinada la dirección de propagación de las olas con relación al vehículo acuático.

Idealmente, en el procedimiento conforme a la invención una magnitud de oleaje es la dirección de propagación de las olas, en que la orientación del eje principal más largo de una trayectoria, que es descrita por el centro de gravedad del vehículo acuático, es un parámetro dependiente de la magnitud de oleaje.

Típicamente, el centro de gravedad del vehículo acuático describe una trayectoria en forma de una elipse. Si una ola

35 incide acaso desde delante sobre la proa del vehículo acuático, el vehículo acuático se sumerge debido al nivel del mar creciente primeramente a más profundidad y con ello es acelerado hacia arriba. Además, el vehículo acuático es acelerado entonces también hacia la popa. Si la elevación de la ola alcanza la popa del vehículo acuático, las relaciones de movimiento justamente se invierten, es decir el vehículo acuático es acelerado hacia abajo y hacia delante. El movimiento del centro de gravedad del vehículo acuático se produce con ello a lo largo de una trayectoria

40 en forma de una elipse. La orientación del eje principal más largo de esta elipse es un parámetro dependiente de la dirección de propagación de las olas. En lo que sigue, el eje principal más largo es denominado también primer eje principal para distinguirlo de otros ejes principales.

La orientación de las olas, es decir la posición del eje que discurre normalmente a los frentes de onda, corresponde a la proyección del eje principal más grande de la elipse sobre el plano horizontal. La orientación del eje principal 45 más largo de la elipse determina con ello la dirección de propagación de las olas excepto por el signo. La dirección de propagación de las olas se dirige entonces en aquella dirección a lo largo de la orientación de las olas que forma el ángulo más pequeño con la dirección en la que se dirige el extremo, inclinado hacia arriba, del eje principal más largo de la elipse. De este modo, a partir del intervalo de valores que toma la posición del centro de gravedad del vehículo acuático puede ser determinada la dirección de propagación de las olas. Alternativa o

50 complementariamente, la dirección de propagación de las olas puede ser determinada a partir de la evolución temporal de la posición del centro de gravedad del vehículo acuático, por ejemplo determinando el sentido de marcha del centro de gravedad sobre la trayectoria elíptica.

Convenientemente, en el procedimiento es captada la desviación media del movimiento del centro de gravedad respecto al eje principal más largo de la trayectoria y es empleada como criterio de bondad para la determinación de 55 la magnitud de oleaje. Por ejemplo puede tomarse el segundo eje principal – y/o el tercero que aparece para oleaje real y como consecuencia de éste para la trayectoria tridimensional del centro de gravedad – de la trayectoria como medida para la desviación media del movimiento respecto al eje principal más largo. En particular, el criterio de calidad es determinado es determinado a partir de la comparación de las amplitudes medias del movimiento a lo largo del segundo y/o tercer eje principal con la amplitud media del movimiento a lo largo del primer eje principal. Por ejemplo, puede deducirse una buena calidad de la obtención de la dirección de propagación como se ha descrito anteriormente, cuando la desviación media del movimiento es pequeña respecto a la amplitud del movimiento a lo largo del eje principal más largo. Se deduce una mala calidad por el contrario, cuando la desviación media del 5 movimiento es grande respecto a la amplitud del movimiento a lo largo del eje principal más largo. Una buena calidad se determina además cuando el primer eje principal está claramente inclinado, es decir en aproximadamente 45º. Puede deducirse por el contrario una mala calidad, cuando el primer eje principal de la trayectoria está orientado prácticamente de forma vertical o prácticamente de forma horizontal. En caso de una orientación vertical u horizontal del primer eje principal, la determinación de la dirección de propagación de las olas puede ser por ejemplo

10 suspendida. Las desviaciones medias o respectivamente las amplitudes del movimiento a lo largo del segundo y/o tercer eje principal son halladas convenientemente mediante un procedimiento de regresión bi- o tridimensional. Idealmente, en el procedimiento conforme a la invención, la magnitud cinemática es transformada a ejes principales.

Alternativa o adicionalmente, la magnitud cinemática es o respectivamente las magnitudes cinemáticas son la velocidad y/o la aceleración. Por ejemplo, encuentran aplicación correspondiente los procedimientos, anteriormente

15 descritos más detalladamente, para la determinación de la dirección de propagación de las olas. Por ejemplo, también la velocidad y la aceleración del centro de gravedad del vehículo acuático describen típicamente trayectorias en forma de elipses, en las cuales parámetros característicos de estas elipses dependen de la dirección de propagación de las olas. La aceleración es captada convenientemente mediante sensores de aceleración.

En un perfeccionamiento preferido del procedimiento conforme a la invención es captado el espectro de frecuencias

20 del movimiento del centro de gravedad. Por ejemplo, el espectro de frecuencias del movimiento del centro de gravedad en olas con una longitud de onda, que es considerablemente mayor que la proyección del casco del vehículo acuático sobre la orientación de las olas, es igual al espectro de frecuencias de las olas.

De forma adicionalmente preferida, en el procedimiento conforme a la invención es determinada la altura de las olas como magnitud de oleaje. Por ejemplo, en olas, cuya longitud de onda es claramente mayor que la proyección del 25 casco del vehículo acuático sobre la orientación de las olas, el centro de gravedad del vehículo acuático sigue directamente la evolución de las olas. Si el vehículo acuático se sumerge al pasar la ola por el contrario con diferente profundidad, esta circunstancia lleva a una desviación entre el movimiento del centro de gravedad y la evolución de las olas. Esta desviación, la profundidad media de sumergimiento, es hallada aquí por ejemplo a partir de la aceleración del vehículo acuático en dirección vertical teniendo en cuenta el campo característico del empuje 30 ascensional del vehículo acuático. De forma adicionalmente preferida es determinado el periodo de onda de las olas.

Preferentemente, en el procedimiento conforme a la invención, el movimiento del centro de gravedad es transformado a coordenadas fijas a tierra antes de su evaluación. En este perfeccionamiento de la invención se garantiza que el curso y la velocidad del vehículo acuático o respectivamente sus variaciones durante el tiempo de captación del centro de gravedad no falsean la determinación de las magnitudes de oleaje.

35 De forma adicionalmente preferida, en el procedimiento es corregido el movimiento del centro de gravedad en lo relativo al curso y/o a la velocidad del vehículo acuático. En particular, el movimiento del centro de gravedad es corregido en lo relativo a las variaciones del curso y/o la velocidad del vehículo acuático. Así puede ser analizado el movimiento, inducido exclusivamente por el oleaje, del vehículo acuático. Para este fin es suficiente filtrar simplemente las partes horizontales del movimiento del centro de gravedad. Por ejemplo, los datos de medida son

40 filtrados con paso alto. En el filtrado de paso alto, la frecuencia límite es escogida convenientemente de tal modo que los movimientos inducidos por el oleaje permanecen esencialmente sin modificar, pero los cambios de la velocidad y/o del curso del vehículo acuático son extraídos por filtrado. Ventajosamente, la frecuencia límite es escogida con un valor mayor o igual que la tasa de cambios de curso y/o de velocidad del vehículo acuático. Por ejemplo, una frecuencia límite así es de 40 mHz. Preferentemente, se lleva a cabo un procedimiento de regresión

45 tras una corrección así.

Apropiadamente, en el procedimiento conforme a la invención se mantienen almacenados datos de referencia procedentes de medidas y/o simulaciones para la navegación del vehículo acuático, los cuales son utilizados para la adaptación y/o la corrección de las magnitudes de oleaje halladas. Por ejemplo, un aumento de la precisión del procedimiento conforme a la invención se produce teniendo en cuenta propiedades hidrodinámicas del respectivo

50 vehículo acuático y la característica de las olas. Convenientemente, mediante cálculo de simulación y/o medida es hallada la dependencia por ejemplo de la dirección de propagación hallada de las olas respecto al ángulo relativo entre el curso del vehículo acuático y la dirección de propagación de las olas, y es registrada en una tabla. Mediante la tabla puede ser corregida una dirección de propagación de las olas hallada posteriormente.

Preferentemente, en el procedimiento son tenidas en cuenta las diferencias de la forma de la embarcación en

55 dirección transversal y longitudinal mediante una tabla y/o un campo característico, y las magnitudes de oleaje son corregidas correspondientemente. De forma adicionalmente preferida, las magnitudes de oleaje halladas son corregidas en lo relativo a la frecuencia de encuentro y/o a la velocidad del vehículo acuático y/o al estado de carga del vehículo acuático.

Convenientemente, el procedimiento es empleado en un submarino para navegación en superficie. De forma adicionalmente preferida, el procedimiento se emplea en barcos portacontenedores y yates.

La invención es descrita a continuación con ayuda de un ejemplo de realización representado en el dibujo. La figura del dibujo muestra un procedimiento conforme a la invención para la determinación de la dirección de propagación 5 de las olas así como del espectro de frecuencias en un diagrama de flujo.

El procedimiento representado en la figura sirve para la determinación de la dirección de propagación de las olas y es iniciado (START) para la predicción de la estabilidad del comportamiento de navegación en un barco portacontenedores. En el procedimiento se lleva a cabo una medida x de la posición, es decir de las coordenadas espaciales, del centro de gravedad del barco. Tras una medida así se comprueba LT, si ha transcurrido un tiempo 10 de espera hasta la realización de la siguiente medida x. Mientras no sea éste el caso, se permanece en un bucle de espera N hasta que se haya alcanzado, J, el tiempo de espera. Si es éste el caso, se realiza una nueva medida x de la posición del centro de gravedad del barco. Correspondientemente, la posición del centro de gravedad del barco es medida a intervalos regulares – aquí el tiempo de espera de 0,1 segundos - . Con la misma frecuencia de medida se produce una medida v del curso del barco y de la velocidad. Los resultados de medida de las medidas x y v son

15 utilizados para una transformación de coordenadas TRAFO de la posición medida del centro de gravedad del barco.

La transformación de coordenadas TRAFO proporciona los datos de posición del centro de gravedad del barco en coordenadas fijas a tierra. Las influencias de cambios de curso y velocidad del barco están eliminadas con ello por cálculo ampliamente de los datos.

Para poder analizar exclusivamente el movimiento del barco inducido por el oleaje, los datos de posición son

20 filtrados además con un filtro de paso alto con una frecuencia límite de 40 mHz, PASS. Este filtrado se extiende entonces simplemente a los datos de posición horizontales, que pueden ser influidos por cambios de curso y velocidad del barco.

Los datos filtrados de este modo son registrados en una memoria de datos, STOR, y son almacenados temporalmente para respectivamente un intervalo de análisis de 10 minutos.

25 Los datos de posición, con una resolución temporal de este tipo, del centro de gravedad del barco son sometidos por un lado a una transformada de Fourier rápida FFT, cuyo resultado pone a disposición el espectro de frecuencias Ak del oleaje. Además, con los datos almacenados temporalmente se realiza una regresión de datos REG, la cual transforma a ejes principales la trayectoria descrita por el centro de gravedad del barco.

La orientación, hallada con la regresión de datos REG, del eje principal más largo de la trayectoria es corregida,

30 CORR, con datos tabulados TAB en lo relativo a las propiedades hidrodinámicas del barco así como en lo relativo a datos tabulados sobre la carga Lm del barco. Mediante la orientación corregida del eje principal más largo de la trayectoria es determinada la dirección de propagación a de las olas.

En la regresión de datos REG es determinada además la amplitud del movimiento del centro de gravedad a lo largo del segundo y del tercer eje principal y es puesta en relación a la amplitud del movimiento a lo largo del primer eje

35 principal. Un valor de calidad Q derivado de ello es proporcionado como criterio de bondad. El criterio de bondad indica una buena calidad en la determinación de la dirección de avance de las olas cuando la desviación media del movimiento a lo largo del segundo y del tercer eje principal es pequeña en comparación con la amplitud del movimiento a lo largo del primer eje principal y cuando la orientación del primer eje principal puede ser distinguida claramente de una orientación vertical u horizontal.

40 Lista de referencias

START – Inicio del procedimiento

x – Medida de la posición del centro de gravedad

LT – Comprobación del transcurso del tiempo de espera

N – Bucle de espera

45 J – Repetición de las medidas x y v

v – Medida del curso del barco y de la velocidad de navegación

TRAFO – Transformación de coordenadas

PASS – Filtrado con paso alto

STOR – Almacenamiento intermedio

FFT – Transformada de Fourier

Ak – Espectro de frecuencias del oleaje

REG – Regresión de datos

Q – Valor de calidad

5

Lm – Carga del barco

TAB – Datos tabulados

CORR – Corrección de los datos

a – Dirección de propagación de las olas

10

15

20

25

30

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento para la determinación de magnitudes de oleaje (a, Ak) para un vehículo acuático, en el cual es

   5 captado el movimiento del centro de gravedad del vehículo acuático (x), en el cual son hallados parámetros del movimiento del centro de gravedad dependientes de las magnitudes de oleaje (a, Ak) y en el cual es determinada o respectivamente son determinadas (REG, FFT) una o más magnitudes de oleaje (a, Ak) a partir de estos parámetros.
2. 2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el cual el movimiento del centro de gravedad es tenido en cuenta estadísticamente en varios trenes de onda atravesados por el vehículo acuático.

   10 3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el cual el movimiento del centro de gravedad es captado durante un tiempo de 5 a 30 minutos.

3. 4.

   Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el cual la dirección de propagación (a) y/o el periodo de onda de las olas son determinados (REG, FFT) como magnitudes de oleaje (a, Ak).

4. 5.

   Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, en el cual es captado o respectivamente son captados la

   15 evolución temporal y/o el intervalo de valores al menos de una magnitud cinemática del movimiento del centro de gravedad (x).

5. 6.

   Procedimiento según la reivindicación 5, en el cual la magnitud cinemática es la posición.

6. 7.

   Procedimiento según la reivindicación 6, en el cual una magnitud de oleaje (a) es la dirección de propagación (a)

   de las olas y en el cual la orientación del eje principal más largo de una trayectoria, que es descrita por el centro de 20 gravedad del vehículo acuático, es un parámetro dependiente de la magnitud de oleaje (a).
7. 8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el cual es captada la desviación media del movimiento del centro de gravedad respecto al eje principal de la trayectoria y es empleada como criterio de bondad (Q) para la determinación de la magnitud de oleaje (a, Ak).
8. 9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 a 8, en el cual la magnitud cinemática es la velocidad y/o la 25 aceleración.

9. 10.

   Procedimiento según una de las reivindicaciones 5 a 9, en el cual la magnitud cinemática es transformada (REG) a ejes principales.

10. 11.

    Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual es captado el espectro de frecuencias (Ak) del movimiento del centro de gravedad.

    30 12. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual es determinada la altura de las olas como magnitud de oleaje.
11. 13. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el movimiento del centro de gravedad es transformado a coordenadas fijas a tierra (TRAFO) antes de su evaluación (REG, FFT, CORR).
12. 14. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el movimiento del centro de gravedad 35 es corregido (TRAFO, PASS) en lo relativo al curso y/o a la velocidad del vehículo acuático.

13. 15.

    Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual se mantienen almacenados datos de referencia (TAB) procedentes de medidas y/o simulaciones para la navegación del vehículo acuático, los cuales son utilizados para la adaptación y/o la corrección (CORR) de las magnitudes de oleaje (a, Ak) halladas.

14. 16.

    Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, en el cual las diferencias de la forma de la

    40 embarcación en la dirección transversal y longitudinal son tenidas en cuenta mediante una tabla (TAB) y/o un campo característico y las magnitudes de oleaje (a, Ak) son correspondientemente corregidas (CORR).