一種用于船模水面實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)及其測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于船舶模型及實(shí)船水面實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種船模水面實(shí)驗(yàn)，更具體 是涉及一種船模水面搖蕩衰減運(yùn)動和穩(wěn)心半徑實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在新船型研發(fā)階段船舶模型橫搖、縱搖實(shí)驗(yàn)是研究新船型水動力性能的重要手 段，在實(shí)船交船驗(yàn)收校核時(shí)穩(wěn)性半徑是衡量船舶安全的重要指標(biāo)，因此船舶靜水搖蕩實(shí)驗(yàn) 貫穿整個(gè)船舶研發(fā)和建造過程。船舶靜水搖蕩實(shí)驗(yàn)最主要內(nèi)容是測量船舶橫搖角和縱搖 角。目前，水面船舶靜水搖蕩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測量依靠傾角傳感器或姿態(tài)儀測量橫搖角和縱搖角， 再通過信號采集、傳輸裝置對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這種實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)存在的缺陷：
[0003] -是從傾角傳感器原理上看，無論是"固體擺"、"液體擺"還是"氣體擺"均存在響 應(yīng)時(shí)間慢的問題，在高頻場合輸出會因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間短而不穩(wěn)定，不適用船舶搖動運(yùn)動角度 測量；
[0004] 二是，姿態(tài)儀依靠電子陀螺測量角位移，而電子陀螺儀容易受周圍環(huán)境的磁場影 響測量精度，不適用船舶這種磁場復(fù)雜的環(huán)境；
[0005] 三是，姿態(tài)傳感器和姿態(tài)儀容易受到環(huán)境溫度影響，測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生溫漂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和缺陷，提供一種用于船模水面 實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)及其測試方法。
[0007] 利用激光測角位移的水面船舶靜水搖蕩實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于測量船舶模型及 實(shí)船橫穩(wěn)心半徑、縱穩(wěn)心半徑，也可用于船舶模型及實(shí)船橫搖、縱搖靜水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處 理，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量并顯示船舶模型及實(shí)船橫穩(wěn)心半徑、縱穩(wěn)心半徑、橫向角位移、縱向角 位移、橫搖運(yùn)動水動力系數(shù)和縱搖運(yùn)動水動力系數(shù)。該系統(tǒng)安裝方便，測量精度高，不受環(huán) 境磁場影響，受環(huán)境溫度影響也比由傾角傳感器或姿態(tài)儀組成的試驗(yàn)系統(tǒng)大大減低。
[0008] 為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種用于船模水面實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)，包括水池、水池導(dǎo)軌、參考平面模塊、船 模、激光測距模塊，數(shù)據(jù)采集和處理模塊及電源模塊；
[0010] 其中，所述水池內(nèi)設(shè)有水池導(dǎo)軌，所述參考平面模塊包括:框架及水平儀，其中，所 述框架包括位于上部的面板及位于面板下部的四根支柱，每根支柱的底端安裝導(dǎo)輪后設(shè)置 在所述水池導(dǎo)軌上;每根支柱與面板之間均安裝有調(diào)整螺栓，面板的上表面中心處安裝有 水平儀；
[0011]所述船模設(shè)置在所述參考平面模塊下方的水面上，船模甲板上設(shè)置所述激光測距 模塊；
[0012]所述激光測距模塊包括:一個(gè)L形直線導(dǎo)軌，L形直線導(dǎo)軌固定在船模甲板上，并且 L形直線導(dǎo)軌的長邊與船模中垂面平行設(shè)置;所述L形直線導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)角處安裝第一激光測距 單元，L形直線導(dǎo)軌的長直角邊上安裝第二激光測距單元、L形直線導(dǎo)軌的短直角邊上安裝 第三激光測距單元；
[0013] 每個(gè)激光測距單元包括：激光測距儀、及滑塊，所述激光測距儀垂直固定在滑塊 上;每個(gè)激光測距單元上的滑塊均通過緊固螺栓與L形直線導(dǎo)軌相固定;所述L形直線導(dǎo)軌 上帶有刻度；
[0014] 每個(gè)激光測距儀均與所述數(shù)據(jù)采集和處理模塊控制連接；
[0015] 所述電源模塊為激光測距儀提供電源。
[0016] 所述L形直線導(dǎo)軌包括：導(dǎo)軌基座、導(dǎo)軌基座固定機(jī)構(gòu)，所述導(dǎo)軌基座由兩根直線 導(dǎo)軌焊接成相互垂直的L形，導(dǎo)軌基座通過螺栓與導(dǎo)軌基座固定機(jī)構(gòu)連接，導(dǎo)軌基座固定機(jī) 構(gòu)通過螺栓與船模甲板連接。
[0017] 每個(gè)所述激光測距儀上設(shè)有兩個(gè)用于調(diào)整激光測距儀與船模甲板平面垂直度的 第一調(diào)整螺母;所述導(dǎo)軌基座固定機(jī)構(gòu)的螺栓上設(shè)有用于調(diào)節(jié)導(dǎo)軌基座與船模甲板平行度 的第二調(diào)整螺母。
[0018] -種基于所述用于船模水面實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)的測試方法，包括以下幾個(gè)步 驟：
[0019] 步驟一、船模橫搖傾斜時(shí)，通過讀取第一激光測距單元與第三激光測距單元之間 的刻度值得到船模上兩點(diǎn)之間距離S1;通過激光測距儀分別測得:第一激光測距單元距參 考平面的距離L1、第三激光測距單元距參考平面的距離L2;通過L1和L2求得船模上兩點(diǎn)距 參考平面距離之差，橫搖角正弦值為兩點(diǎn)距參考平面距離之差與這兩點(diǎn)之間距離的比值； 具體公式如下：
[0021] 步驟二、采用系統(tǒng)辨識方法將步驟一中得到的船舶模型實(shí)時(shí)橫搖角P的角度數(shù)據(jù) 作為辨識樣本，根據(jù)辨識原理建立系統(tǒng)辨識損失函數(shù)和系統(tǒng)辨識算法；
[0022] 步驟三、用混沌復(fù)合形復(fù)合優(yōu)化算法，在辨識參數(shù)上限范圍內(nèi)求解出船模橫搖運(yùn) 動方程，從而確定船模橫搖水動力系數(shù)，
[0023] F-yj/ν,./,,,ι?',.γ.Δ.Α!
[0024]船舶橫搖運(yùn)動方程是：
[0026] 式中：lx--船體橫搖總慣性矩；P--橫搖角；f--橫搖角速度；p--橫搖角 加速度-一橫搖線性阻尼力矩系數(shù);w和X-一橫搖非線性阻尼力矩系數(shù)；△:船舶排水 量;h:船舶初穩(wěn)性高；
[0027] 將0進(jìn)行離散化處理，得到：
[0029]即有對k+1時(shí)刻下的橫搖角速度預(yù)報(bào)：
[0031 ]以誤差準(zhǔn)則建立船舶橫搖運(yùn)動辨識損失函數(shù)：
[0033]函數(shù)中橫搖角供是利用激光測距儀測得，橫搖角速度舍可由橫搖角供差分得到，差 分公式如下：
[0035]函數(shù)中其它參數(shù)為待求的辨識參數(shù)，將橫搖角P、橫搖角速度#數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處 理程序計(jì)算出這些辨識參數(shù)，即為船舶模型水動力導(dǎo)數(shù)；
[0036]船模靜水縱搖衰減實(shí)驗(yàn)原理和過程與橫搖過程相同。
[0037] 橫穩(wěn)心半徑求解步驟為：
[0038]船舶原理里初穩(wěn)性船舶橫搖回復(fù)力矩公式為：
[0040] 式中：△是船舶排水量，r是橫穩(wěn)性高，是回復(fù)力矩；
[0041] 載荷外力矩為：
[0042] M=mx
[0043]式中:m是載荷質(zhì)量，X是載荷距船中橫面距離；
[0044]建立載荷外力矩與橫搖回復(fù)力矩平衡方程，求解出橫穩(wěn)性高為：
[0046] 本發(fā)明相對于現(xiàn)有船舶實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有益效果是：
[0047] 本發(fā)明發(fā)明解決了船舶靜水搖蕩實(shí)驗(yàn)中角度測量問題，并配合自編的軟件程序可 直接方便得出實(shí)驗(yàn)船舶橫搖運(yùn)動和縱搖運(yùn)動的水動力導(dǎo)數(shù)以及穩(wěn)心半徑，且本發(fā)明具有結(jié) 構(gòu)簡單、制作和操縱方便、穩(wěn)定性好、測量精度高、易于安裝以及受周圍磁場、溫度等環(huán)境因 素影響小的優(yōu)點(diǎn)，等夠進(jìn)行船模靜水橫搖衰減實(shí)驗(yàn)、靜水縱搖衰減實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)性實(shí)驗(yàn)，完成實(shí) 驗(yàn)中角度測量，同時(shí)提供數(shù)據(jù)處理可直接得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，具有良好的實(shí)用和市場價(jià)值。
【附圖說明】
[0048] 圖1是一種利用激光測角位移的水面船舶試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖；
[0049]圖2是參考平面裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0050]圖3是激光布置模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0051]圖4激光測距儀導(dǎo)軌基座固定機(jī)構(gòu)；
[0052]圖5是橫搖傾斜時(shí)激光測量角位移原理示意圖；
[0053]圖6是縱搖傾斜時(shí)激光測量角位移原理示意圖；
[0054]圖7數(shù)據(jù)采集與分析處理圖；
[0055]圖8試驗(yàn)系統(tǒng)工作流程圖；
[0056] 圖9系統(tǒng)辨識求解流程圖；
[0057] 圖10混沌復(fù)合形復(fù)合優(yōu)化算法流程圖；
[0058] 其中，1一支柱，2-導(dǎo)輪，3-調(diào)整螺栓，4 一面板，5-水平儀，6-導(dǎo)軌基座，7-導(dǎo) 軌基座固定機(jī)構(gòu)，8-激光測距儀，9一激光測距儀固定機(jī)構(gòu)，10-滑塊，11一第一調(diào)整螺母， 12 一導(dǎo)線，13-移動計(jì)算機(jī)，14 一12V電池，15-水面，16-水池導(dǎo)軌，17-第二調(diào)整螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0059 ]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0060] 參見圖1，本發(fā)明包括架于拖曳水池或方形水池軌道上的參考平面模塊、激光布置 模塊、數(shù)據(jù)采集和分析處理模塊。
[0061] 參見圖2,參考平面模塊的框架1由角鋼焊接而成，框架1的四根支柱下端安裝導(dǎo)輪 2使得參考平面模塊1能夠在水池導(dǎo)軌上隨船模運(yùn)動自由滑動保持參考平面在船模上方，支 柱上端安裝有調(diào)整螺栓3,面板4是平面度誤差為0.45μπι的鋼化玻璃板安裝在四個(gè)調(diào)整螺栓 3上，面板4上表面中心處安裝有水平儀5,通過調(diào)整四個(gè)調(diào)整螺栓3配合水平儀5確保每次實(shí) 驗(yàn)前面板4的水平度。
[0062]參見圖3,激光布置模塊包括導(dǎo)軌基座6、導(dǎo)軌基座固定機(jī)構(gòu)7、激光測距儀8、激光 測距儀固定機(jī)構(gòu)9、滑塊10。導(dǎo)軌基座6由兩根直線導(dǎo)軌焊接成相互垂直的L型，導(dǎo)軌基座6安 裝時(shí)長邊與船模中垂面平行，直線導(dǎo)軌均刻有刻度方便讀取激光測距儀8之間距離，導(dǎo)軌基 座6兩端和轉(zhuǎn)角處各鉆有一螺孔，導(dǎo)軌基座6通過螺孔與導(dǎo)軌固定機(jī)構(gòu)7連接，導(dǎo)軌固定機(jī)構(gòu) 7螺栓上有第一調(diào)整螺母11用來調(diào)節(jié)導(dǎo)軌基座6與船模甲板平行度，導(dǎo)軌基座固定機(jī)構(gòu)7通 過螺栓與船模甲板連接。
[0063] 激光測距儀8選取的是型號為G1020107激光測距儀，激光測距儀8的使用的激光是 波長為635.2μπι的二級安全激光，量程為70m、測量精度為1mm、測量間隔0.1 s，激光測距儀8 用來測量激光測距儀中心在導(dǎo)軌基座6上映射點(diǎn)到參考平面距離。激光測距儀固定機(jī)構(gòu)9用 來將激光測距儀固定在滑塊10上，通過兩個(gè)第一調(diào)節(jié)螺母保證激光測距儀垂直于船模甲板 平面。
[0064]參見圖1，數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括導(dǎo)線12和一臺ThinkPad移動計(jì)算機(jī)13。激光測 距儀8數(shù)據(jù)輸出端口為RS232接口，導(dǎo)線12是RS232轉(zhuǎn)USB轉(zhuǎn)接線，導(dǎo)線12RS232端與激光測距 儀8連接、USB端與移動計(jì)算機(jī)連接13,數(shù)據(jù)通過RS232串口傳輸?shù)揭苿佑?jì)算機(jī)13。移動計(jì)算 機(jī)接收數(shù)據(jù)是用Visual Basic環(huán)境編寫的軟件程序塊實(shí)現(xiàn)的，程序塊里通過MSComm控件進(jìn) 行串口通訊，實(shí)現(xiàn)移動計(jì)算機(jī)13與激光測距儀8之間數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)處理分析同樣是用 Visual Basic環(huán)境編寫的軟件程序塊實(shí)現(xiàn)的，具體數(shù)據(jù)流程圖參見圖6。
[0065] 本發(fā)明工作過程：
[0066]參見圖7，本套試驗(yàn)系統(tǒng)工作流程是；
[0067] (1)安裝激光測距儀導(dǎo)軌基座:激光測距儀導(dǎo)軌基座6安裝在試驗(yàn)船舶甲板上，通 過導(dǎo)軌基座固定機(jī)構(gòu)7的螺栓固定連接;導(dǎo)軌基座的長邊沿船長方向固定在船中縱剖面與 甲板交線上，其短邊沿船寬方向固定;將兩個(gè)激光測距儀通過固定機(jī)構(gòu)9用螺絲固定在滑塊 10上;分別將固定有激光測距儀的滑塊移至合適位置，并在導(dǎo)軌刻度上讀取此時(shí)兩個(gè)滑塊 的位置S1、S2。
[0068] (2)調(diào)整水平度和垂直度:分別通過調(diào)整螺栓3和第二調(diào)整螺母17調(diào)整面板4和導(dǎo) 軌基座6水平，通過第一