船舶运动参考单元 (MRU)
测量船舶横摇、纵摇和升沉的惯性传感器：其升沉计算原理、测量精度、安装位置，以及在主动升沉补偿中的应用。
- 运动参考单元 (MRU) 是测量船舶运动的惯性传感器，测量横摇、纵摇和升沉；大多数设备还能测量水平运动和转动速率。
- 它不直接测量升沉，而是对垂向加速度进行两次积分，并滤除漂移。实时升沉的典型精度为5 cm或升沉幅值的5 %，以较大者为准；延迟升沉数据在几分钟后输出，中档设备的典型精度为2 cm或2 %。
- 横摇和纵摇的典型精度为0.01至0.03° RMS，输出频率最高可达200 Hz。
- MRU测量的是安装点处的运动。起重机的主动升沉补偿需要吊臂端点处的运动，因此控制器利用经测量确定的力臂将运动换算到该处。被动升沉补偿器无需MRU。
运动参考单元是一种固定在船体上的紧凑型惯性传感器，通常安装在船舶转动中心附近。它每秒多次输出船舶运动数据。动力定位、测量声呐、直升机甲板以及运动补偿式起重机和舷梯都会使用这些数据。在海上吊装中，它是主动升沉补偿的输入信号。
MRU测量什么
设备内部有三个加速度计和三个角速度陀螺仪，每个轴向各配一个。陀螺仪测量船舶转动速度。加速度计测量线加速度和重力方向，后者用于抑制角度漂移。处理器融合两类数据并输出：
- 角度： 相对于重力方向测得的横摇和纵摇。
- 升沉： 相对于该点平均位置的垂向位移，以及垂向速度和加速度。
- 转动速率和加速度 在三个轴向上的数据，可供控制器直接使用。DP系统利用横摇和纵摇修正其位置参考数据。
MRU并不知道船舶的绝对位置。升沉以平均水位为基准测量，而非以绝对高度为基准。许多设备只能以转动速率形式输出艏摇；真航向由陀螺罗经或GNSS罗经提供。增加GNSS定位功能的设备则作为惯性导航系统销售。
六自由度运动
船舶有六种运动方式：沿三个轴平移，并绕这三个轴转动：
| 运动 | 轴向 | 海况中的主要激励 |
|---|---|---|
| 纵荡 | 沿X轴，艏艉方向 | 迎浪或顺浪；低频漂移 |
| 横荡 | 沿Y轴，横向 | 横浪；低频漂移 |
| 升沉 | 沿Z轴，上下方向 | 所有波浪；升沉补偿器要减小的运动 |
| 横摇 | 绕X轴 | 横浪；由于阻尼较小，在接近横摇周期时可能逐渐增大 |
| 纵摇 | 绕Y轴 | 迎浪和顺浪 |
| 艏摇 | 绕Z轴 | 斜向波浪；由DP系统或自动舵控制 |
船舶对各波浪周期的响应由响应幅值算子 (RAO) 描述；参见 船舶运动与RAO.
MRU如何计算升沉
MRU没有高度传感器。它测量自身各轴向的加速度，利用横摇和纵摇解算出垂向分量 a_z，扣除重力后进行两次积分：
在两次积分过程中，偏差会迅速累积：仅0.001 m/s²的偏差，一分钟后就会产生1.8 m的虚假升沉位移（ (\tfrac{1}{2} b t^2). ）。因此，升沉处理器对结果进行高通滤波，保留波浪频率范围内的运动并去除低频漂移。滤波也有代价：在接近截止频率的长周期涌浪中，实时升沉的幅值会偏小，且相位超前于真实运动。对控制器而言，两者都会表现为残余运动。
因此，大多数MRU提供两种升沉输出：
| 输出 | 生成方式 | 用途 |
|---|---|---|
| 实时升沉 | 仅根据此前的数据滤波，因此可立即获取 | 控制用途：主动升沉补偿和运动补偿式舷梯；直升机甲板运动监测 |
| 延迟升沉 | 利用目标时刻前后的数据滤波，因此精度更高，但输出会延迟几分钟 | 事后处理的测量数据，以及实时输出的核查 |
控制器只能使用实时升沉数据。速度与位置同样重要：主动升沉补偿器驱动绞车或液压缸抵消升沉速度，并通过预测补偿执行机构的延迟。
典型精度
多家制造商的资料表对目前的中档和高档设备给出了相近的数据：
| 输出 | 典型规格 | 核查要点 |
|---|---|---|
| 横摇和纵摇 | 0.01至0.03° RMS | 确认是静态还是动态指标；两者可能相差数倍 |
| 实时升沉 | 5 cm或幅值的5 %，以较大者为准 | 适用的波浪周期，以及在长周期涌浪中的表现 |
| 延迟升沉 | 2 cm或2 %，以较大者为准 | 输出延迟，因此不能用于控制 |
| 输出频率 | 最高200 Hz | 资料表通常未列出延迟时间：应询问从测量到输出的时间差 |
根据2020至2025年的公开资料表。高端设备的横摇和纵摇精度可达约0.008°，延迟升沉精度可达1 cm或1 %。这些均为典型数据；具体以所选设备的资料表和测试条件为准。
对于吊装作业，传感器本身的误差（5 %，因此在2 m升沉条件下约为10 cm）通常不是最大的误差来源。更大的误差往往来自传感器以外：力臂参数错误、安装方向偏差，或在错误的位置读取信号。
安装位置与力臂
MRU输出其安装点处的运动。由于转动会叠加位移，距离该点30 m的吊臂端点运动幅度可能大得多：船艏上仰一度时，前方30 m处的点上升
因此，控制器利用船舶的转动速率 \boldsymbol{\omega} 以及两点之间的力臂 \mathbf{r}_{OP} ，将传感器O点的运动换算到吊臂端点P：
该式适用于固定在船体上的点。起重机回转或变幅时，吊臂端点还会相对于船体运动，控制器通过起重机自身的角度传感器计入这部分速度。升沉补偿器使用其垂向分量， v_{P,z}. 许多MRU也能根据相同的偏移量配置，直接输出远端点的运动。无论采用哪种方式，安装质量都会影响精度：
- 安装位置 应靠近转动中心，固定在刚性结构上，并远离发动机和其他振动源。
- 安装方向 应与船舶坐标轴对齐，并记录所有安装偏移量：传感器方向若有偏差，输出的横摇和纵摇将对应错误的轴，运动也会被换算到错误的位置。
- 测量偏移量 应测定MRU到每个需要运动数据的位置的偏移量，并根据控制器坐标系核查正负号和单位。
- 制定故障预案： 在吊装前配置第二台MRU，并明确规定信号丢失或明显异常时的应对措施。
MRU在升沉补偿中的应用
在起重机的 主动升沉补偿系统中，MRU提供输入信号。控制器获取实时运动数据，将其换算到吊臂端点，预测执行机构延迟期间的运动，并驱动绞车或液压缸抵消该运动。负载的稳定程度取决于整个系统：MRU的精度和延迟、预测效果，以及执行机构的速度和作用力。仅靠传感器不能让吊钩保持静止。
被动升沉补偿器无需MRU。其气弹簧直接响应负载，在无需测量运动的情况下隔离吊臂端点升沉对负载的影响。 ANTARES是我们的自适应被动升沉补偿设备，通过自身传感器自动控制阻尼，负载支承仍采用被动方式。 VEGA是我们正在开发的串联式主动升沉补偿器，将MRU驱动的主动液压缸控制与自动阻尼控制相结合。 主动与被动升沉补偿对比 一文介绍两者各自适用的情况。
IMU、VRU还是MRU
各制造商使用的名称可能重叠，但它们反映了设备的数据处理程度：
| 名称 | 提供的数据 | 典型用途 |
|---|---|---|
| IMU惯性测量单元 | 三个轴向的原始加速度和转动速率 | 其他设备内部的传感器；其输出还需处理 |
| VRU垂直参考单元 | 横摇和纵摇，有时也包括升沉 | 为天线和传感器提供姿态数据，以及用于较简单的运动监测 |
| AHRS姿态航向参考系统 | 横摇、纵摇和航向；不提供升沉 | 无需升沉数据时的姿态和航向测量 |
| MRU运动参考单元 | 横摇、纵摇和处理后的升沉数据，通常还包括纵荡、横荡以及三个轴向的转动速率 | DP、测量、运动补偿式起重机和舷梯 |
| INS惯性导航系统 | MRU的输出，加上GNSS提供的位置和真航向 | 导航和测量定位 |
对于主动升沉补偿，名称不如输出内容重要：控制器所需位置处的实时升沉及其速度，并明确标示信号延迟。
常见问题
什么是运动参考单元 (MRU)？
它是一种固定在船舶上的惯性传感器，测量横摇、纵摇和升沉；大多数设备还能测量水平运动和转动速率。它结合三个加速度计、三个角速度陀螺仪和处理器，输出频率最高可达200 Hz。动力定位、测量和主动升沉补偿均使用其信号。
MRU如何测量升沉？
它测量自身各轴向的加速度，根据横摇和纵摇解算垂向分量，扣除重力，进行两次积分，再对结果进行高通滤波以消除漂移。实时升沉数据可立即获取，用于控制；延迟升沉利用目标时刻之后的数据，精度更高，但要在几分钟后才能获取，适合测量数据处理。
MRU的精度如何？
资料表中的典型数值：横摇和纵摇精度为0.01至0.03° RMS；实时升沉精度为5 cm或升沉幅值的5 %，以较大者为准；中档设备的延迟升沉精度为2 cm或2 %；高端设备可达约0.008°，以及1 cm或1 %。应核查指标是静态还是动态、适用的波浪周期，以及信号延迟。
IMU、VRU和MRU有什么区别？
IMU提供原始加速度和转动速率。VRU将其处理为横摇和纵摇数据，有时也提供升沉。AHRS增加航向数据，但不提供升沉。MRU增加处理后的升沉数据，通常还包括纵荡、横荡以及三个轴向的转动速率。INS进一步提供GNSS位置和真航向。
MRU应安装在哪里？
应安装在船舶转动中心附近的刚性结构上，远离振动源，并与船舶坐标轴对齐。测量MRU到每个需要运动数据的位置的偏移量：控制器通过该力臂将运动换算到吊臂端点，1°纵摇会使30 m外的点移动约0.52 m。
被动升沉补偿需要MRU吗？
不需要。被动升沉补偿器的气弹簧直接响应负载，无需测量运动。主动升沉补偿则需要MRU，因为其控制器要根据测得的运动驱动绞车或液压缸进行抵消。
