Bevegelsesreferanseenheter (MRU)
En treghetssensor som måler hvordan et fartøy ruller, stamper og hiver: hvordan den beregner hiv, hvor nøyaktig den er, hvor den bør monteres, og hvordan aktiv hivkompensering bruker den.
- En bevegelsesreferanseenhet (MRU) er en treghetssensor som måler hvordan et fartøy beveger seg: rulling, stamping og hiv, og på de fleste enheter også horisontale bevegelser og dreiehastigheter.
- Den måler ikke hiv direkte. Den integrerer vertikal akselerasjon to ganger og filtrerer bort drift. Hivmåling i sanntid har vanligvis en nøyaktighet på 5 cm eller 5 % av hivamplituden, avhengig av hva som er størst. Forsinket hivmåling, som kommer noen minutter senere, har en nøyaktighet på 2 cm eller 2 % for enheter i mellomklassen.
- Rulling og stamping måles vanligvis med en nøyaktighet på 0.01 til 0.03° RMS, med utdata på opptil 200 Hz.
- MRU-en måler bevegelsen der den er montert. Aktiv hivkompensering på en kran trenger bevegelsen ved krantuppen, så styresystemet overfører målingen ved hjelp av den oppmålte armen. En passiv hivkompensator trenger ingen MRU.
En bevegelsesreferanseenhet er en kompakt treghetssensor festet til skroget, ofte nær fartøyets rotasjonssenter. Den rapporterer fartøyets bevegelser mange ganger i sekundet. Dynamisk posisjonering, oppmålingssonarer, helikopterdekk og bevegelseskompenserte kraner og gangbroer bruker dataene. Ved offshoreløft er den inngangssignalet til aktiv hivkompensering.
Hva en MRU måler
Inni sitter tre akselerometre og tre vinkelhastighetsgyroer, ett av hver for hver akse. Gyroene måler hvor raskt fartøyet roterer. Akselerometrene måler lineær akselerasjon og tyngdekraftens retning, som hindrer vinklene i å drive. En prosessor kombinerer målingene og gir:
- Vinkler: rulling og stamping, målt i forhold til tyngdekraften.
- Hiv: vertikal forskyvning omkring punktets middelposisjon, samt vertikal hastighet og akselerasjon.
- Vinkelhastigheter og akselerasjoner langs alle tre akser, som et styresystem bruker direkte. Et DP-system bruker rulling og stamping til å korrigere posisjonsreferansene.
En MRU vet ikke hvor fartøyet er. Hiv måles fra et middelnivå, ikke som en absolutt høyde. På mange enheter oppgis giring bare som dreiehastighet. Sann kurs kommer fra et gyrokompass eller et GNSS-kompass. Enheter med GNSS-posisjonering selges som treghetsnavigasjonssystemer.
De seks bevegelsene
Et fartøy kan bevege seg på seks måter. Det forskyves langs tre akser og roterer om de samme tre:
| Bevegelse | Akse | Hva som driver den i sjøgang |
|---|---|---|
| Langskipsbevegelse | Langs X, forover og akterover | Bølger forfra eller aktenfra; langsom drift |
| Tverrskipsbevegelse | Langs Y, sidelengs | Bølger fra siden; langsom drift |
| Hiv | Langs Z, opp og ned | Alle bølger; bevegelsen en hivkompensator reduserer |
| Rulling | Om X | Sjø fra siden; svakt dempet, så den kan øke nær rulleperioden |
| Stamping | Om Y | Sjø forfra og aktenfra |
| Giring | Om Z | Skrå sjø; holdes i sjakk av DP-systemet eller autopiloten |
Hvordan et gitt fartøy reagerer på hver bølgeperiode, beskrives av fartøyets responsamplitudeoperator (RAO). Se fartøybevegelser og RAO-er.
Hvordan en MRU beregner hiv
En MRU har ingen høydesensor. Den måler akselerasjon langs sine egne akser og bruker rulling og stamping til å beregne den vertikale komponenten a_z, trekker fra tyngdeakselerasjonen og integrerer to ganger:
En måleforskyvning vokser raskt ved denne doble integrasjonen: bare 0.001 m/s² gir 1.8 m feilaktig hiv på ett minutt (\tfrac{1}{2} b t^2). Derfor høypassfiltrerer hivprosessoren resultatet. Den beholder bevegelsen ved bølgefrekvensene og fjerner langsom drift. Filteret har en ulempe: nær grensefrekvensen, ved dønninger med lang periode, mister hivsignalet i sanntid noe amplitude og ligger foran den faktiske bevegelsen. For et styresystem viser begge deler seg som restbevegelse.
Derfor gir de fleste MRU-er to hivsignaler:
| Utdata | Hvordan det beregnes | Brukes til |
|---|---|---|
| Hiv i sanntid | Filtreres bare med tidligere data, og er derfor tilgjengelig umiddelbart | Styring: aktiv hivkompensering og bevegelseskompenserte gangbroer; bevegelsesovervåking på helikopterdekk |
| Forsinket hiv | Filtreres med data fra før og etter hvert tidspunkt, og er derfor mer nøyaktig, men kommer noen minutter senere | Etterbehandling av oppmålingsdata og kontroll av sanntidssignalet |
Et styresystem kan bare bruke hiv i sanntid. Det trenger hastighet like mye som posisjon: En aktiv hivkompensator driver vinsjen eller sylinderen mot hivhastigheten, og prediksjon fremover fra målingen dekker forsinkelsen i aktuatoren.
Typisk nøyaktighet
Datablader fra flere produsenter oppgir lignende tall for dagens enheter i mellom- og toppklassen:
| Utdata | Typisk spesifikasjon | Hva som bør kontrolleres |
|---|---|---|
| Rulling og stamping | 0.01 til 0.03° RMS | Om tallet gjelder statiske eller dynamiske forhold; forskjellen kan være flere ganger så stor |
| Hiv i sanntid | 5 cm eller 5 % av amplituden, avhengig av hva som er størst | Hvilke bølgeperioder spesifikasjonen gjelder, og hvordan enheten oppfører seg i lang dønning |
| Forsinket hiv | 2 cm eller 2 %, avhengig av hva som er størst | Forsinkelsen, som gjør signalet uegnet til styring |
| Utdatafrekvens | Opptil 200 Hz | Latenstiden står ofte ikke i databladet: be om forsinkelsen fra måling til utdata |
Basert på offentlige datablader fra 2020 til 2025. Enheter i toppklassen når omtrent 0.008° og 1 cm eller 1 % for forsinket hiv. Dette er typiske tall; databladet og testbetingelsene for den valgte enheten er avgjørende.
Ved et løft er sensorens egen feil (5 %, altså omtrent 10 cm ved 2 m hiv) sjelden den største. Større feil skyldes vanligvis forhold utenfor sensoren: feil arm, skjev montering eller et signal som leses av på feil punkt.
Montering og arm
MRU-en rapporterer bevegelsen i punktet der den er festet. En krantupp 30 m unna beveger seg langt mer fordi rotasjonen kommer i tillegg: Én grads stamping med baugen opp løfter et punkt 30 m forut med
Styresystemet overfører derfor bevegelsen fra sensoren O til krantuppen P ved hjelp av fartøyets rotasjonshastighet \boldsymbol{\omega} og armen \mathbf{r}_{OP} mellom dem:
Dette gjelder for et punkt som er fast i forhold til skroget. Når kranen svinges eller luffes, beveger tuppen seg også i forhold til skroget, og styresystemet legger til denne hastigheten fra kranens egne vinkelsensorer. En hivkompensator bruker den vertikale komponenten, v_{P,z}. Mange MRU-er kan også gi bevegelsen i konfigurerte fjernpunkter ut fra de samme avstandene. Uansett er det installasjonen som bestemmer nøyaktigheten:
- Plasser den nær rotasjonssenteret, på en stiv konstruksjon og unna motorer og andre vibrasjonskilder.
- Rett den inn etter fartøyets akser og dokumenter eventuelt monteringsavvik: En skjevt montert sensor rapporterer rulling og stamping om feil akser og overfører bevegelsen til feil punkt.
- Mål opp avstandene fra MRU-en til hvert punkt der bevegelsen trengs, og kontroller fortegn og enheter mot styresystemets koordinatsystem.
- Planlegg for feil: en ekstra MRU og en definert reaksjon på tapt eller usannsynlig signal, før løftet og ikke under det.
MRU-er i hivkompensering
Ved aktiv hivkompenseringpå en kran er MRU-en inngangssignalet. Styresystemet tar bevegelsen i sanntid, overfører den til krantuppen, forutsier bevegelsen fremover for å dekke aktuatorens forsinkelse og driver vinsjen eller sylinderen mot den. Hvor rolig lasten henger, avhenger av hele kjeden: MRU-ens nøyaktighet og latens, prediksjonen og aktuatorens hastighet og kraft. Sensoren alene holder ikke kroken i ro.
En passiv hivkompensator trenger ingen MRU. Gassfjæren reagerer på lasten selv og isolerer dermed lasten fra hivet ved krantuppen uten noen bevegelsesmåling. ANTARES, vår adaptive passive enhet, har automatisk demperstyring basert på egne sensorer, mens lastbæringen forblir passiv. VEGA, vår aktive kompensator for montering i løftelinjen, som er under utvikling, kombinerer MRU-styrt aktiv sylinderstyring med automatisk demperstyring. Sammenligningen av aktiv og passiv hivkompensering forklarer når hver løsning passer.
IMU, VRU eller MRU
Betegnelsene overlapper mellom produsenter, men beskriver hvor mye signalbehandling enheten gjør:
| Betegnelse | Hva den gir | Typisk bruk |
|---|---|---|
| IMUtreghetsmåleenhet | Rå akselerasjon og rotasjonshastighet langs tre akser | Sensoren inne i de andre enhetene; utdataene må behandles |
| VRUvertikalreferanseenhet | Rulling og stamping, noen ganger hiv | Orientering for antenner, sensorer og enklere bevegelsesovervåking |
| AHRSreferansesystem for orientering og kurs | Rulling, stamping og kurs; ikke hiv | Orientering og kurs der hiv ikke trengs |
| MRUbevegelsesreferanseenhet | Rulling, stamping og beregnet hiv, vanligvis også langskips- og tverrskipsbevegelse, samt hastigheter om alle tre akser | DP, oppmåling, bevegelseskompenserte kraner og gangbroer |
| INStreghetsnavigasjonssystem | Utdata fra en MRU samt posisjon og sann kurs, med GNSS | Navigasjon og posisjonering ved oppmåling |
For aktiv kompensering er utdataene viktigere enn betegnelsen: hiv og hivhastighet i sanntid ved punktet styresystemet trenger, med oppgitt latens.
Ofte stilte spørsmål
Hva er en bevegelsesreferanseenhet (MRU)?
En treghetssensor som er festet til et fartøy og måler bevegelsene: rulling, stamping og hiv, og på de fleste enheter også horisontale bevegelser og dreiehastigheter. Den kombinerer tre akselerometre og tre vinkelhastighetsgyroer med en prosessor og gir utdata med opptil 200 Hz. Dynamisk posisjonering, oppmåling og aktiv hivkompensering bruker signalet.
Hvordan måler en MRU hiv?
Den måler akselerasjon langs sine egne akser, beregner den vertikale komponenten ved hjelp av rulling og stamping, trekker fra tyngdeakselerasjonen, integrerer to ganger og høypassfiltrerer resultatet for å fjerne drift. Hiv i sanntid er tilgjengelig umiddelbart og brukes til styring. Forsinket hiv beregnes også med data fra tiden etter målepunktet og er derfor mer nøyaktig, men kommer noen minutter senere og egner seg til behandling av oppmålingsdata.
Hvor nøyaktig er en MRU?
Typiske tall fra datablader: rulling og stamping 0.01 til 0.03° RMS, hiv i sanntid 5 cm eller 5 % av hivamplituden (avhengig av hva som er størst), forsinket hiv 2 cm eller 2 % for enheter i mellomklassen. Enheter i toppklassen når omtrent 0.008° og 1 cm eller 1 %. Kontroller om tallet gjelder statiske eller dynamiske forhold, hvilke bølgeperioder det gjelder, og latensen.
Hva er forskjellen mellom en IMU, en VRU og en MRU?
En IMU gir rå akselerasjon og rotasjonshastighet. En VRU behandler dem til rulling og stamping, noen ganger også hiv. En AHRS legger til kurs, men ikke hiv. En MRU legger til beregnet hiv, vanligvis også langskips- og tverrskipsbevegelse, samt hastigheter om alle tre akser. Et INS legger til GNSS-posisjon og sann kurs.
Hvor bør en MRU monteres?
Nær fartøyets rotasjonssenter, på en stiv konstruksjon unna vibrasjoner og innrettet etter fartøyets akser. Mål opp avstandene til hvert punkt der bevegelsen trengs: Styresystemet overfører bevegelsen til krantuppen ved hjelp av denne armen, og 1° stamping flytter et punkt 30 m unna med omtrent 0.52 m.
Trenger passiv hivkompensering en MRU?
Nei. Gassfjæren i en passiv hivkompensator reagerer på lasten selv, uten bevegelsesmåling. Aktiv hivkompensering trenger en MRU, fordi styresystemet driver vinsjen eller sylinderen mot den målte bevegelsen.
Grunnlag og kilder
- Offentlige datablader for bevegelsesreferanseenheter fra flere produsenter, 2020 til 2025: nøyaktighet for rulling, stamping og hiv, forsinket hiv, utdatafrekvenser og eksterne målepunkter.
- Kinematikk for stive legemer ved overføring langs en arm, \mathbf{v}_P = \mathbf{v}_O + \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}_{OP}.
- Artikler i Norwegian Dynamics’ kunnskapsbank om aktiv hivkompensering og fartøybevegelser.
Planlegger du et kompensert løft?
Send oss informasjon om løftet, fartøyet og sjøtilstanden. Vi vurderer om det trengs aktiv styring eller en passiv enhet, og modellerer bevegelsen i CONSTELLATION.
Send oss løftescenariet ditt →
