Loại trừ tác động của sóng biển
trên hệ thống dẫn đường cho tàu
thủy

Giới thiệu: Việt Nam là nước có bờ biển dài và những dịch vụ hàng hải, đánh cá đang phát triển và còn rất nhiều tiềm năng.
Những khó khăn chính cho việc định vị, dẫn đường cho tàu phải kể tới: thông tin về thời tiết (tốc độ gió, hướng gió, chiều
cao sóng, tốc độ và hướng của các dòng chảy,…).
Máy tính cần thu thập thông tin không chỉ từ các cảm biến quán tính mà còn cả các thông tin thời tiết để xử lí và cho thông
tin chính xác tới khối điều khiển. Dao động do sóng sẽ ảnh hưởng tới độ chính xác hệ thống nếu không được loại trừ một
cách đúng đắn và triệt để. Bài báo này thảo luận về việc loại trừ dao động do sóng bằng bộ lọc thông thấp, triệt tần, và bộ
lọc thích nghi.

Hình 1:S
ự h
ình thành sóng bi
ển

1. Sóng biển
Sóng biển là hiện tượng vật lý xảy ra ở lớp nước gần bề mặt biển. Sóng được hình thành do gió và những hiệu ứng địa
chất, và có thể di chuyển hàng nghìn km trước khi đến đất liền. Sóng biến đổi từ những gợn sóng lăn tăn đến những cơn
sóng thần cực lớn. Ngoài dao động thẳng đứng, các hạt nước trong sóng biển có một chút chuyển động theo phương
ngang.
Sự hình thành của sóng biển trong tự nhiên
Nguyên nhân chủ yếu cho sự hình thành của sóng là gió, có 3 yếu tố

bởi Hasselmann (1973).
Giải thích khoa học
Sóng biển là sóng cơ học lan truyền giữa mặt phân cách của nước và không khí, lực khôi phục của dao động này là lực hấp
dẫn. Khi gió thổi, áp suất và ma sát làm xáo động bề mặt. Trong trường hợp sóng biển, các hạt ở gần mặt nước chuyển
động theo một đường tròn, do đó sóng này là sự kết hợp của sóng dọc và sóng ngang. Khi sóng lan truyền trong vùng
nước nông (độ sâu nhỏ hơn nửa bước sóng), quỹ đạo của các hạt nước bị nén thành dạng elip . Khi biên độ sóng tăng lên,
quỹ đạo của hạt nước không còn là đường kín nữa mà sau mỗi chu kì chúng bị dịch về phía trước một ít, hiện tượng này gọi
là dịch chuyển Stokes.

Hình 5. s
ơ đ
ồ bộ lọc thông thấpHình 6. Mô hình l
ọc dao động sóng biển d
ùng l
ọc thích nghi

Đường kính quỹ đạo các hạt giảm khi độ sâu ngày càng tăng và ở độ sâu cỡ nửa bước sóng, quỹ đạo này co lại gần như
một điểm. Vận tốc pha của sóng phụ thuộc vào bước sóng. Khi sóng đi vào vùng nước nông, do ma sát, phần nước càng
thấp di chuyển càng chậm dẫn tới các lớp nước lướt trên nhau, sóng bị vỡ, với những con sóng lớn ta có thể thấy sóng đổ
xuống rất đẹp (niềm đam mê của những người yêu lướt sóng). Ngoài những sóng thông thường trên, sóng thần là một con
quái vật của tự nhiên, nó có thể cao đến 30 m. Sóng thần hình thành do động đất, những vụ nổ trong lòng đại dương hoặc
một vụ va chạm với thiên thạch.
Dải tần số dao động của sóng biển
Sóng biển sinh ra do gió, vì vậy tốc độ mạnh hay yếu và sự
tồn tại lâu hay không của sóng là phụ thuộc vào gió. Giả sử
gió thổi với vận tốc 20m/s qua nhiều ngày, trong một vùng
rộng lớn thì câu hỏi đặt ra lúc này là vận tốc của sóng, dải phổ

ộ bộ lọc thích nghi khi đ
ã h
ội tụ

2. Loại bỏ tín hiệu sóng biển thu bởi cảm biến quán tính lắp đặt trên tàu
Lọc thông thấp
Mục đích: lọc loại bỏ tần số cao không mong muốn (tần số sóng biển).
Đối với các tàu lớn (như tàu chở dầu) khi được lái tự động thì tàu sẽ chuyển động với tần số thấp hơn tần số của sóng biển;
lúc này các tín hiệu tác động lên các thiết bị định vị trên tàu là sự tổng hợp của các tín hiệu. Sóng dao động với tần số cao

Hình 7. K
ết quả tr
ên mi
ền thời gian

hơn tần số dao động của tàu thì cách tốt nhất là ta sử dụng bộ lọc thông thấp, để loại bỏ tần số của sóng gây nhiễu lên
cảm biến.
Lọc triệt tần
Mục đích: triệt tiêu đi tần số không mong muốn. Đối với những tàu nhỏ, loại mà tần số dao động của nó nằm trong khoảng
ωmin <ωe <ωmax của dải tần sóng. Thì ta có thể lọc được các tín hiệu nhiễu bằng cách sử dụng bộ lọc triệt tần.

Hình 10.
Đ
ặc tr
ưng biên đ
ộ của t
àu

Lọc thích nghi
Trong phần này, bộ lọc tối ưu được tận dụng để minh họa việc triệt dao động sóng biển. Tận dụng việc lập trình theo block