Bewegingsreferentie-eenheden (MRU)
Een traagheidssensor die meet hoe een vaartuig rolt, stampt en beweegt in heave: hoe hij heave bepaalt, hoe nauwkeurig hij is, waar hij moet worden gemonteerd en hoe actieve heave-compensatie hem gebruikt.
- Een bewegingsreferentie-eenheid (MRU) is een traagheidssensor die de bewegingen van een vaartuig meet: rollen, stampen en heave, en bij de meeste eenheden ook de horizontale bewegingen en draaisnelheden.
- Hij meet heave niet rechtstreeks. Hij integreert de verticale versnelling tweemaal en filtert de drift weg. Realtime heave is doorgaans nauwkeurig tot 5 cm of 5 % van de heave-amplitude, afhankelijk van welke waarde groter is; vertraagde heave, die enkele minuten later beschikbaar komt, tot 2 cm of 2 % bij eenheden uit het middensegment.
- Rollen en stampen worden doorgaans gemeten met een nauwkeurigheid van 0.01 tot 0.03° RMS, met uitvoerfrequenties tot 200 Hz.
- De MRU meet de beweging op de plek waar hij is gemonteerd. Voor de actieve heave-compensatie van een kraan is de beweging bij de kraantip nodig. Daarom rekent de regelaar de meting met de ingemeten hefboomarm om. Een passieve heave-compensator heeft geen MRU nodig.
Een bewegingsreferentie-eenheid is een compacte traagheidssensor die aan de romp wordt bevestigd, vaak dicht bij het rotatiecentrum van het vaartuig. Hij geeft vele malen per seconde de beweging van het vaartuig door. Dynamische positionering, surveysonars, helikopterdekken en bewegingsgecompenseerde kranen en loopbruggen gebruiken zijn uitvoer. Bij offshore hijswerk vormt hij de invoer voor actieve heave-compensatie.
Wat een MRU meet
Binnenin zitten drie versnellingsmeters en drie hoeksnelheidssensoren, van elk één op iedere as. De hoeksnelheidssensoren meten hoe snel het vaartuig draait. De versnellingsmeters meten de lineaire versnelling en de richting van de zwaartekracht, waardoor de hoeken niet wegdrijven. Een processor combineert beide en geeft het volgende door:
- Hoeken: rollen en stampen, gemeten ten opzichte van de zwaartekracht.
- Heave: verticale verplaatsing rond de gemiddelde positie van het punt, plus verticale snelheid en versnelling.
- Snelheden en versnellingen op alle drie de assen, die een regelaar rechtstreeks gebruikt. Een DP-systeem gebruikt rollen en stampen om zijn positiereferenties te corrigeren.
Een MRU weet niet waar het vaartuig zich bevindt. Heave wordt gemeten ten opzichte van een gemiddeld niveau, niet als absolute hoogte. Bij veel eenheden wordt gieren alleen als draaisnelheid gegeven; de ware koers komt van een gyrokompas of GNSS-kompas. Eenheden die ook GNSS-positionering bieden, worden verkocht als traagheidsnavigatiesystemen.
De zes bewegingen
Een vaartuig beweegt op zes manieren. Het verplaatst zich langs drie assen en draait om diezelfde drie assen:
| Beweging | As | Waardoor die op zee ontstaat |
|---|---|---|
| Surge | Langs X, voor- en achterwaarts | Golven van voren of achteren; langzame drift |
| Sway | Langs Y, zijwaarts | Dwars inkomende golven; langzame drift |
| Heave | Langs Z, omhoog en omlaag | Elke golf; de beweging die een heave-compensator vermindert |
| Roll | Om X | Dwarszee; zwak gedempt, waardoor de beweging rond de rolperiode kan toenemen |
| Pitch | Om Y | Zee van voren en achteren |
| Yaw | Om Z | Schuin inkomende zee; begrensd door het DP-systeem of de stuurautomaat |
Hoe een bepaald vaartuig op elke golfperiode reageert, wordt beschreven door zijn response amplitude operator (RAO); zie scheepsbewegingen en RAO’s.
Hoe een MRU heave bepaalt
Een MRU heeft geen hoogtesensor. Hij meet de versnelling langs zijn eigen assen en gebruikt rollen en stampen om de verticale component te bepalen, aangeduid als a_z, waarna hij de zwaartekracht verwijdert en tweemaal integreert:
Door die dubbele integratie groeit een meetafwijking snel: slechts 0.001 m/s² leidt na één minuut tot 1.8 m schijnbare heave (\tfrac{1}{2} b t^2). Daarom past de heave-processor een hoogdoorlaatfilter toe op het resultaat. Zo blijft de beweging op golffrequentie behouden en verdwijnt de langzame drift. Dat filter heeft een keerzijde: dicht bij de afsnijfrequentie, bij deining met een lange periode, neemt de amplitude van realtime heave af en loopt het signaal voor op de werkelijke beweging. Voor een regelaar veroorzaken beide een restbeweging.
Daarom leveren de meeste MRU’s twee heave-uitgangen:
| Uitvoer | Hoe die wordt berekend | Gebruikt voor |
|---|---|---|
| Realtime heave | Alleen gefilterd op basis van eerdere gegevens, dus direct beschikbaar | Regeling: actieve heave-compensatie en bewegingsgecompenseerde loopbruggen; bewaking van helikopterdekbewegingen |
| Vertraagde heave | Gefilterd op basis van gegevens van vóór en na elk tijdstip, dus nauwkeuriger maar pas enkele minuten later beschikbaar | Achteraf verwerkte surveygegevens en controle van de realtime uitvoer |
Een regelaar kan alleen realtime heave gebruiken. Hij heeft snelheid net zo goed nodig als positie: een actieve heave-compensator stuurt zijn lier of cilinder tegen de heave-snelheid in, en voorspelling van de komende beweging compenseert de vertraging van de actuator.
Typische nauwkeurigheid
Datasheets van verschillende fabrikanten geven vergelijkbare waarden voor huidige eenheden uit het midden- en topsegment:
| Uitvoer | Typische specificatie | Wat u moet controleren |
|---|---|---|
| Rollen en stampen | 0.01 tot 0.03° RMS | Of de waarde statisch of dynamisch is; die kunnen een veelvoud verschillen |
| Realtime heave | 5 cm of 5 % van de amplitude, afhankelijk van welke waarde groter is | Voor welke golfperioden dit geldt en hoe de eenheid zich gedraagt bij deining met een lange periode |
| Vertraagde heave | 2 cm of 2 %, afhankelijk van welke waarde groter is | De vertraging, waardoor deze uitvoer ongeschikt is voor regeling |
| Uitvoerfrequentie | Tot 200 Hz | De latentie staat vaak niet op het datasheet: vraag naar de vertraging tussen meting en uitvoer |
Gebaseerd op openbare datasheets uit 2020 tot 2025. Eenheden uit het topsegment halen ongeveer 0.008° en 1 cm of 1 % voor vertraagde heave. Dit zijn typische waarden; het datasheet en de testomstandigheden van de gekozen eenheid zijn bepalend.
Bij een hijsoperatie is de fout van de sensor zelf (5 %, dus ongeveer 10 cm bij een heave van 2 m) zelden de grootste. Grotere fouten ontstaan meestal buiten de sensor: een verkeerde hefboomarm, een scheef gemonteerde sensor of een signaal dat op het verkeerde punt wordt uitgelezen.
Montage en de hefboomarm
De MRU geeft de beweging door van het punt waar hij is bevestigd. Een kraantip op 30 m afstand beweegt veel meer, omdat rotatie eraan bijdraagt: bij één graad stampen met de boeg omhoog stijgt een punt 30 m naar voren met
Daarom rekent de regelaar de beweging van sensor O om naar kraantip P met behulp van de rotatiesnelheid van het vaartuig \boldsymbol{\omega} en de hefboomarm \mathbf{r}_{OP} ertussen:
Dit geldt voor een punt dat vastzit aan de romp. Wanneer de kraan zwenkt of topt, beweegt de tip ook ten opzichte van de romp. De regelaar telt die snelheid op aan de hand van de eigen hoeksensoren van de kraan. De verticale component v_{P,z}. is de waarde die een heave-compensator gebruikt. Veel MRU’s kunnen ook de beweging bij ingestelde externe punten berekenen uit dezelfde offsets. In beide gevallen bepaalt de installatie de nauwkeurigheid:
- Plaats de eenheid dicht bij het rotatiecentrum, op een stijve constructie en uit de buurt van motoren en andere trillingsbronnen.
- Lijn de eenheid uit met de assen van het vaartuig en registreer elke montageafwijking: een scheef gemonteerde sensor geeft rollen en stampen om de verkeerde assen door en rekent de beweging om naar het verkeerde punt.
- Meet de offsets in van de MRU naar elk punt waarvoor bewegingsgegevens nodig zijn, en controleer de tekens en eenheden ten opzichte van het coördinatenstelsel van de regelaar.
- Bereid u voor op storingen: zorg vóór de hijsoperatie voor een tweede MRU en een vastgelegde reactie op een weggevallen of onwaarschijnlijk signaal, niet pas tijdens de operatie.
MRU’s bij heave-compensatie
Bij de actieve heave-compensatievan een kraan vormt de MRU de invoer. De regelaar gebruikt de realtime beweging, rekent die om naar de kraantip, voorspelt vooruit om de vertraging van de actuator op te vangen en stuurt de lier of cilinder tegen de beweging in. Hoe stil de last hangt, hangt af van de hele keten: de nauwkeurigheid en latentie van de MRU, de voorspelling en de snelheid en kracht van de actuator. De sensor alleen houdt de haak niet stil.
Een passieve heave-compensator heeft geen MRU nodig. Zijn gasveer reageert op de last zelf en isoleert de last daardoor van de heave van de kraantip, zonder bewegingsmeting. ANTARES, onze adaptief-passieve eenheid, voegt automatische dempingsregeling op basis van eigen sensoren toe, terwijl de ondersteuning van de last passief blijft. VEGA, onze actieve inline-compensator in ontwikkeling, combineert MRU-gestuurde actieve cilinderregeling met automatische dempingsregeling. De vergelijking van actieve en passieve heave-compensatie bespreekt wanneer welke oplossing past.
IMU, VRU of MRU
De benamingen overlappen per fabrikant, maar geven aan hoeveel verwerking de eenheid uitvoert:
| Benaming | Wat de eenheid levert | Typische toepassing |
|---|---|---|
| IMUinertiële meeteenheid | Onbewerkte versnelling en rotatiesnelheid langs drie assen | De sensor in de andere eenheden; de uitvoer moet nog worden verwerkt |
| VRUverticale referentie-eenheid | Rollen en stampen, soms heave | Oriëntatiegegevens voor antennes en sensoren en eenvoudigere bewaking van bewegingen |
| AHRSreferentiesysteem voor oriëntatie en koers | Rollen, stampen en koers; geen heave | Oriëntatie en koers waar heave niet nodig is |
| MRUbewegingsreferentie-eenheid | Rollen, stampen en verwerkte heave, meestal ook surge en sway, plus rotatiesnelheden om alle drie de assen | DP, survey, bewegingsgecompenseerde kranen en loopbruggen |
| INStraagheidsnavigatiesysteem | De uitvoer van een MRU plus positie en ware koers, met GNSS | Navigatie en surveypositionering |
Voor actieve compensatie is de benaming minder belangrijk dan de uitvoer: realtime heave en de bijbehorende snelheid, op het punt waar de regelaar die nodig heeft, met een opgegeven latentie.
Veelgestelde vragen
Wat is een bewegingsreferentie-eenheid (MRU)?
Een traagheidssensor die op een vaartuig is bevestigd en de beweging meet: rollen, stampen en heave, en bij de meeste eenheden ook de horizontale bewegingen en draaisnelheden. Hij combineert drie versnellingsmeters en drie hoeksnelheidssensoren met een processor en levert uitvoer tot 200 Hz. Dynamische positionering, survey en actieve heave-compensatie gebruiken zijn signaal.
Hoe meet een MRU heave?
Hij meet de versnelling langs zijn eigen assen, bepaalt met rollen en stampen de verticale component, verwijdert de zwaartekracht, integreert tweemaal en filtert het resultaat met een hoogdoorlaatfilter om drift te verwijderen. Realtime heave is direct beschikbaar en wordt gebruikt voor regeling; vertraagde heave gebruikt gegevens van na elk tijdstip en is daardoor nauwkeuriger, maar komt enkele minuten later beschikbaar en is geschikt voor verwerking van surveygegevens.
Hoe nauwkeurig is een MRU?
Typische waarden uit datasheets: rollen en stampen 0.01 tot 0.03° RMS, realtime heave 5 cm of 5 % van de heave-amplitude (afhankelijk van welke waarde groter is), vertraagde heave 2 cm of 2 % bij eenheden uit het middensegment; eenheden uit het topsegment halen ongeveer 0.008° en 1 cm of 1 %. Controleer of een waarde statisch of dynamisch is, voor welke golfperioden die geldt en wat de latentie is.
Wat is het verschil tussen een IMU, een VRU en een MRU?
Een IMU levert onbewerkte versnelling en rotatiesnelheid. Een VRU verwerkt die tot rollen en stampen, soms ook heave. Een AHRS voegt de koers toe, maar geen heave. Een MRU voegt verwerkte heave toe, meestal ook surge en sway, plus rotatiesnelheden om alle drie de assen. Een INS voegt GNSS-positie en ware koers toe.
Waar moet een MRU worden gemonteerd?
Dicht bij het rotatiecentrum van het vaartuig, op een stijve constructie uit de buurt van trillingen en uitgelijnd met de assen van het vaartuig. Meet de offsets in naar elk punt waarvoor bewegingsgegevens nodig zijn: de regelaar rekent de beweging via die hefboomarm om naar de kraantip, en bij 1° stampen beweegt een punt op 30 m afstand ongeveer 0.52 m.
Heeft passieve heave-compensatie een MRU nodig?
Nee. De gasveer van een passieve heave-compensator reageert op de last zelf, zonder bewegingsmeting. Actieve heave-compensatie heeft een MRU nodig, omdat de regelaar de lier of cilinder tegen de gemeten beweging in stuurt.
Grondslag en bronnen
- Openbare datasheets voor bewegingsreferentie-eenheden van verschillende fabrikanten, 2020 tot 2025: nauwkeurigheid voor rollen, stampen en heave, vertraagde heave, uitvoerfrequenties en externe meetpunten.
- Kinematica van starre lichamen voor de omrekening met de hefboomarm, \mathbf{v}_P = \mathbf{v}_O + \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}_{OP}.
- Artikelen in de kennisbank van Norwegian Dynamics over actieve heave-compensatie en scheepsbewegingen.
Plant u een hijsoperatie met compensatie?
Stuur ons gegevens over de hijsoperatie, het vaartuig en de zeegang. Wij geven aan of actieve regeling of een passieve eenheid nodig is en modelleren de beweging in CONSTELLATION.
Stuur uw hijscasus in →
