CN105588705A - 一种用于船模水面实验的光学测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于船模水面实验的光学测试系统及其测试方法，系统包括水池、水池导轨、参考平面模块、船模、激光测距模块，数据采集和处理模块及电源模块；该系统级方法可用于测量船舶模型及实船横稳心半径、纵稳心半径，也可用于船舶模型及实船横摇、纵摇静水实验数据采集和处理，能实现实时测量并显示船舶模型及实船横稳心半径、纵稳心半径、横向角位移、纵向角位移、横摇运动水动力系数和纵摇运动水动力系数。该系统安装方便，测量精度高，不受环境磁场影响，受环境温度影响也比由倾角传感器或姿态仪组成的试验系统大大减低。

Description

一种用于船模水面实验的光学测试系统及其测试方法

技术领域

本发明属于船舶模型及实船水面实验技术领域，涉及一种船模水面实验，更具体是涉及一种船模水面摇荡衰减运动和稳心半径实验的光学测试系统及方法。

背景技术

在新船型研发阶段船舶模型横摇、纵摇实验是研究新船型水动力性能的重要手段，在实船交船验收校核时稳性半径是衡量船舶安全的重要指标，因此船舶静水摇荡实验贯穿整个船舶研发和建造过程。船舶静水摇荡实验最主要内容是测量船舶横摇角和纵摇角。目前，水面船舶静水摇荡实验系统测量依靠倾角传感器或姿态仪测量横摇角和纵摇角，再通过信号采集、传输装置对数据进行处理。这种实验系统存在的缺陷：

一是从倾角传感器原理上看，无论是“固体摆”、“液体摆”还是“气体摆”均存在响应时间慢的问题，在高频场合输出会因为响应时间短而不稳定，不适用船舶摇动运动角度测量；

二是，姿态仪依靠电子陀螺测量角位移，而电子陀螺仪容易受周围环境的磁场影响测量精度，不适用船舶这种磁场复杂的环境；

三是，姿态传感器和姿态仪容易受到环境温度影响，测量数据产生温漂。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术存在的问题和缺陷，提供一种用于船模水面实验的光学测试系统及其测试方法。

利用激光测角位移的水面船舶静水摇荡实验系统，该系统可用于测量船舶模型及实船横稳心半径、纵稳心半径，也可用于船舶模型及实船横摇、纵摇静水实验数据采集和处理，能实现实时测量并显示船舶模型及实船横稳心半径、纵稳心半径、横向角位移、纵向角位移、横摇运动水动力系数和纵摇运动水动力系数。该系统安装方便，测量精度高，不受环境磁场影响，受环境温度影响也比由倾角传感器或姿态仪组成的试验系统大大减低。

为达到上述技术目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于船模水面实验的光学测试系统，包括水池、水池导轨、参考平面模块、船模、激光测距模块，数据采集和处理模块及电源模块；

其中，所述水池内设有水池导轨，所述参考平面模块包括：框架及水平仪，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，每根支柱的底端安装导轮后设置在所述水池导轨上；每根支柱与面板之间均安装有调整螺栓，面板的上表面中心处安装有水平仪；

所述船模设置在所述参考平面模块下方的水面上，船模甲板上设置所述激光测距模块；

所述激光测距模块包括：一个L形直线导轨，L形直线导轨固定在船模甲板上，并且L形直线导轨的长边与船模中垂面平行设置；所述L形直线导轨的转角处安装第一激光测距单元，L形直线导轨的长直角边上安装第二激光测距单元、L形直线导轨的短直角边上安装第三激光测距单元；

每个激光测距单元包括：激光测距仪、及滑块，所述激光测距仪垂直固定在滑块上；每个激光测距单元上的滑块均通过紧固螺栓与L形直线导轨相固定；所述L形直线导轨上带有刻度；

每个激光测距仪均与所述数据采集和处理模块控制连接；

所述电源模块为激光测距仪提供电源。

所述L形直线导轨包括：导轨基座、导轨基座固定机构，所述导轨基座由两根直线导轨焊接成相互垂直的L形，导轨基座通过螺栓与导轨基座固定机构连接，导轨基座固定机构通过螺栓与船模甲板连接。

每个所述激光测距仪上设有两个用于调整激光测距仪与船模甲板平面垂直度的第一调整螺母；所述导轨基座固定机构的螺栓上设有用于调节导轨基座与船模甲板平行度的第二调整螺母。

一种基于所述用于船模水面实验的光学测试系统的测试方法，包括以下几个步骤：

步骤一、船模横摇倾斜时，通过读取第一激光测距单元与第三激光测距单元之间的刻度值得到船模上两点之间距离S1；通过激光测距仪分别测得：第一激光测距单元距参考平面的距离L1、第三激光测距单元距参考平面的距离L2；通过L1和L2求得船模上两点距参考平面距离之差，横摇角正弦值为两点距参考平面距离之差与这两点之间距离的比值；具体公式如下：

横摇角

步骤二、采用系统辨识方法将步骤一中得到的船舶模型实时横摇角的角度数据作为辨识样本，根据辨识原理建立系统辨识损失函数和系统辨识算法；

步骤三、用混沌复合形复合优化算法，在辨识参数上限范围内求解出船模横摇运动方程，从而确定船模横摇水动力系数，

船舶横摇运动方程是：

式中：I_x——船体横摇总惯性矩；——横摇角；——横摇角速度；——横摇角加速度；——横摇线性阻尼力矩系数；w和x——横摇非线性阻尼力矩系数；Δ：船舶排水量；h：船舶初稳性高；

将进行离散化处理，得到：

即有对k+1时刻下的横摇角速度预报：

以误差准则建立船舶横摇运动辨识损失函数：

函数中横摇角是利用激光测距仪测得，横摇角速度可由横摇角差分得到，差分公式如下：

函数中其它参数为待求的辨识参数，将横摇角横摇角速度数据导入数据处理程序计算出这些辨识参数，即为船舶模型水动力导数；

船模静水纵摇衰减实验原理和过程与横摇过程相同。

横稳心半径求解步骤为：

船舶原理里初稳性船舶横摇回复力矩公式为：

式中：Δ是船舶排水量，r是横稳性高，是回复力矩；

载荷外力矩为：

M＝mx

式中：m是载荷质量，x是载荷距船中横面距离；

建立载荷外力矩与横摇回复力矩平衡方程，求解出横稳性高为：

本发明相对于现有船舶实验系统的有益效果是：

本发明发明解决了船舶静水摇荡实验中角度测量问题，并配合自编的软件程序可直接方便得出实验船舶横摇运动和纵摇运动的水动力导数以及稳心半径，且本发明具有结构简单、制作和操纵方便、稳定性好、测量精度高、易于安装以及受周围磁场、温度等环境因素影响小的优点，等够进行船模静水横摇衰减实验、静水纵摇衰减实验、稳性实验，完成实验中角度测量，同时提供数据处理可直接得出实验结果，具有良好的实用和市场价值。

附图说明

图1是一种利用激光测角位移的水面船舶试验系统结构总图；

图2是参考平面装置结构图；

图3是激光布置模块结构图；

图4激光测距仪导轨基座固定机构；

图5是横摇倾斜时激光测量角位移原理示意图；

图6是纵摇倾斜时激光测量角位移原理示意图；

图7数据采集与分析处理图；

图8试验系统工作流程图；

图9系统辨识求解流程图；

图10混沌复合形复合优化算法流程图；

其中，1—支柱，2—导轮，3—调整螺栓，4—面板，5—水平仪，6—导轨基座，7—导轨基座固定机构，8—激光测距仪，9—激光测距仪固定机构，10—滑块，11—第一调整螺母,12—导线，13—移动计算机，14—12V电池，15—水面，16—水池导轨，17—第二调整螺母。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

参见图1，本发明包括架于拖曳水池或方形水池轨道上的参考平面模块、激光布置模块、数据采集和分析处理模块。

参见图2，参考平面模块的框架1由角钢焊接而成，框架1的四根支柱下端安装导轮2使得参考平面模块1能够在水池导轨上随船模运动自由滑动保持参考平面在船模上方，支柱上端安装有调整螺栓3，面板4是平面度误差为0.45μm的钢化玻璃板安装在四个调整螺栓3上，面板4上表面中心处安装有水平仪5，通过调整四个调整螺栓3配合水平仪5确保每次实验前面板4的水平度。

参见图3，激光布置模块包括导轨基座6、导轨基座固定机构7、激光测距仪8、激光测距仪固定机构9、滑块10。导轨基座6由两根直线导轨焊接成相互垂直的L型，导轨基座6安装时长边与船模中垂面平行，直线导轨均刻有刻度方便读取激光测距仪8之间距离，导轨基座6两端和转角处各钻有一螺孔，导轨基座6通过螺孔与导轨固定机构7连接，导轨固定机构7螺栓上有第一调整螺母11用来调节导轨基座6与船模甲板平行度，导轨基座固定机构7通过螺栓与船模甲板连接。

激光测距仪8选取的是型号为G1020107激光测距仪，激光测距仪8的使用的激光是波长为635.2μm的二级安全激光，量程为70m、测量精度为1mm、测量间隔0.1s，激光测距仪8用来测量激光测距仪中心在导轨基座6上映射点到参考平面距离。激光测距仪固定机构9用来将激光测距仪固定在滑块10上，通过两个第一调节螺母保证激光测距仪垂直于船模甲板平面。

参见图1，数据采集和处理模块包括导线12和一台Thinkpad移动计算机13。激光测距仪8数据输出端口为RS232接口，导线12是RS232转USB转接线，导线12RS232端与激光测距仪8连接、USB端与移动计算机连接13，数据通过RS232串口传输到移动计算机13。移动计算机接收数据是用VisualBasic环境编写的软件程序块实现的，程序块里通过MSComm控件进行串口通讯，实现移动计算机13与激光测距仪8之间数据通讯。数据处理分析同样是用VisualBasic环境编写的软件程序块实现的，具体数据流程图参见图6。

本发明工作过程：

参见图7，本套试验系统工作流程是；

(1)安装激光测距仪导轨基座：激光测距仪导轨基座6安装在试验船舶甲板上，通过导轨基座固定机构7的螺栓固定连接；导轨基座的长边沿船长方向固定在船中纵剖面与甲板交线上，其短边沿船宽方向固定；将两个激光测距仪通过固定机构9用螺丝固定在滑块10上；分别将固定有激光测距仪的滑块移至合适位置，并在导轨刻度上读取此时两个滑块的位置S1、S2。

(2)调整水平度和垂直度：分别通过调整螺栓3和第二调整螺母17调整面板4和导轨基座6水平，通过第一调整螺母11使激光测距仪发射的激光光束与导轨基座6的导轨上表面垂直。

(3)连接试验系统线路：将每个激光测距仪按照图5的连接形式通过转接线和导线与计算机和电源连接。

(4)系统调零：运行计算机13中数据采集程序，查看三个激光测距仪测得距离是否相等，如果不相等以其中一个激光测距仪测得距离为参考，给其它两个激光测距仪所测数据补上系统误差，使三个激光测距仪在船舶模型试验前测得数据只差为零。

(5)进行船舶模型试验，采集激光测距仪数据：根据试验目的进行相对应的船舶模型试验。试验过程中，运行数据采集程序，采集激光测距仪数据，具体是：船模横摇倾斜时，通过读取第一激光测距单元与第三激光测距单元之间的刻度值得到船模上两点之间距离S₁；通过激光测距仪分别测得：第一激光测距单元距参考平面的距离L₁、第三激光测距单元距参考平面的距离L₂；通过L₁和L₂求得船模上两点距参考平面距离之差，横摇角正弦值为两点距参考平面距离之差与这两点之间距离的比值；具体公式如下：

横摇角

数据采集程序将激光测距仪所测得的距离转化为船舶模型试验中的角度，试验结束后保存数据文件。

(6)进行数据计算处理：将步骤5中得到的数据文件导入数据处理计算程序中进行计算处理，得出步骤5中进行的船舶模型试验的结果。具体计算原理和流程是：采用系统辨识方法将步骤一中得到的船舶模型实时横摇角的角度数据作为辨识样本，根据辨识原理建立系统辨识损失函数和系统辨识算法；

步骤三、用混沌复合形复合优化算法，在辨识参数上限范围内求解出船模横摇运动方程，从而确定船模横摇水动力系数，

船舶横摇运动方程是：

式中：I_X——船体横摇总惯性矩；——横摇角；——横摇角速度；——横摇角加速度；——横摇线性阻尼力矩系数；w和x——横摇非线性阻尼力矩系数；Δ：船舶排水量；h：船舶初稳性高；

将进行离散化处理，得到：

即有对k+1时刻下的横摇角速度预报：

以误差准则建立船舶横摇运动辨识损失函数：

函数中横摇角是利用激光测距仪测得，横摇角速度可由横摇角差分得到，差分公式如下：

函数中其它参数为待求的辨识参数，将横摇角横摇角速度数据导入数据处理程序计算出这些辨识参数，即为船舶模型水动力导数；

船模静水纵摇衰减实验原理和过程与横摇过程相同。

纵摇角 $\mathrm{\θ}=\arcsin \left(\frac{\left|L_3-L_4\right|}{S_2}\right)$

横稳心半径求解步骤为：

船舶原理里初稳性船舶横摇回复力矩公式为：

式中：Δ是船舶排水量，r是横稳性高，是回复力矩。

载荷外力矩为：

M＝mx

式中：m是载荷质量，x是载荷距船中横面距离。

建立载荷外力矩与横摇回复力矩平衡方程，求解出横稳性高为：

输出保存计算文件，试验结束。

本发明数据处理是采用系统辨识方法，所述系统辨识就是在输入和输出数据的基础上，在一组模型类中寻找一个与对象系统等价的模型。

如图9系统辨识求解流程图所示，将储存在移动计算机13中的数据作为样本，用混沌复合形复合优化算法，在辨识参数上限范围内求解出与船模横摇运动方程，从而得到船模横摇水动力系数：

本发明试验系统中，数据处理程序的系统辨识算法是采用一种新型的混沌复合形优化算法，该算法是在复合形优化算法基础上融合混沌算法的新型复合优化算法，混沌复合形复合优化算法就是在复合形优化算法基础上，在初始复合形的构成时，用混沌优化算法产生初始复合形的顶点X₁，判断其可行性，若不可行重新用混沌算法生成，若可行再依次用混沌算法产生其他K-1个顶点。

混沌复合形复合优化算法比之单纯的复合形算法，相当于把构成初始复合形的随机过程换成混沌优化过程，通过混沌优化过程使得初始的复合形更加靠近最优解区域，这样可以减少复合形迭代次数，优化求解过程，如图10所示，具体流程如下：

(1)用混沌优化算法构成初始复合形；

(2)计算各顶点的目标函数值f(X^(j))，j＝1,2，....，K。式中K为复合形顶点数，选择最好点和最坏点；

(3)计算除坏点外其余各顶点形心X₀；

(4)计算坏点的映射点，检查映射点可行性，若不满足折减映射系数再次映射直到满足为止；

(5)构造新复合形，判断映射点适应性，一般有两种情况：f(X^(R))＜f(X^(H))映射点优于坏点，则用X^(R)替代X^(H)，构成新复合形；f(X^(R))＞f(X^(H))映射点次于坏点，则折减映射系数α重新映射直到X^(R)优于X^(H)，替代之；

当多次折减映射系数α，直到α小于预先给定的小正数δ(如δ＝10^-5)仍不能使映射点优于坏点时，则说明映射方向不利。此时取对次坏点的映射，确定不包括X^(SH)在内的复合形顶点形心，计算出X^(SH)的映射点X^(R)；

(6)判别终止条件

当每次构成一个新复合形时，用终止迭代条件判别是否结束迭代。

6.1各顶点与好点的函数值之差的均方根小于误差：

${\left\{\frac{1}{K}\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}{\[f\left(X^{\left(j\right)}\right)-f\left(X^L\right)\]}^2\right\}}^{\frac{1}{2}}\≤\mathrm{\ξ}$

6.2各顶点与好点的函数值之差平方和小于误差：

$\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}{\[f\left(X^{\left(j\right)}\right)-f\left(X^{\left(L\right)}\right)\]}^2\≤\mathrm{\ξ}$

6.3各顶点与好点的函数值之差的绝对值之和小于误差：

$\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}|f\left(X^{\left(j\right)}\right)-f\left(X^{\left(L\right)}\right)|\≤\mathrm{\ξ}$

如果满足终止迭代条件，则将此时复合形的好点X^(L)及其目标函数值f(X^(L))作为最优解输出，否则，返回步骤(2)继续进行下一次迭代直到满足终止条件。

Claims (5)

1.一种用于船模水面实验的光学测试系统，其特征在于，包括水池、水池导轨、参考平面模块、船模、激光测距模块，数据采集和处理模块及电源模块；

其中，所述水池内设有水池导轨，所述参考平面模块包括：框架及水平仪，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，每根支柱的底端安装导轮后设置在所述水池导轨上；每根支柱与面板之间均安装有调整螺栓，面板的上表面中心处安装有水平仪；

所述船模设置在所述参考平面模块下方的水面上，船模甲板上设置所述激光测距模块；

所述激光测距模块包括：一个L形直线导轨，L形直线导轨固定在船模甲板上，并且L形直线导轨的长边与船模中垂面平行设置；所述L形直线导轨的转角处安装第一激光测距单元，L形直线导轨的长直角边上安装第二激光测距单元、L形直线导轨的短直角边上安装第三激光测距单元；

每个激光测距单元包括：激光测距仪、及滑块，所述激光测距仪垂直固定在滑块上；每个激光测距单元上的滑块均通过紧固螺栓与L形直线导轨相固定；所述L形直线导轨上带有刻度；

每个激光测距仪均与所述数据采集和处理模块控制连接；

所述电源模块为激光测距仪提供电源。

2.根据权利要求1所述的用于船模水面实验的光学测试系统，其特征在于，所述L形直线导轨包括：导轨基座、导轨基座固定机构，所述导轨基座由两根直线导轨焊接成相互垂直的L形，导轨基座通过螺栓与导轨基座固定机构连接，导轨基座固定机构通过螺栓与船模甲板连接。

3.根据权利要求2所述的用于船模水面实验的光学测试系统，其特征在于，每个所述激光测距仪上设有两个用于调整激光测距仪与船模甲板平面垂直度的第一调整螺母；所述导轨基座固定机构的螺栓上设有用于调节导轨基座与船模甲板平行度的第二调整螺母。

4.一种基于权利要求1所述用于船模水面实验的光学测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一、船模横摇倾斜时，通过读取第一激光测距单元与第三激光测距单元之间的刻度值得到船模上两点之间距离S₁；通过激光测距仪分别测得：第一激光测距单元距参考平面的距离L₁、第三激光测距单元距参考平面的距离L₂；通过L₁和L₂求得船模上两点距参考平面距离之差，横摇角正弦值为两点距参考平面距离之差与这两点之间距离的比值；具体公式如下：

步骤二、采用系统辨识方法将步骤一中得到的船舶模型实时横摇角的角度数据作为辨识样本，根据辨识原理建立系统辨识损失函数和系统辨识算法；

用混沌复合形复合优化算法，在辨识参数上限范围内求解出船模横摇运动方程，从而确定船模横摇水动力系数，

Y＝Y{N_φ,I_x，w，x，Δ，h}

船舶横摇运动方程是：

式中：I_x——船体横摇总惯性矩；——横摇角；——横摇角速度；——横摇角加速度；——横摇线性阻尼力矩系数；w和x——横摇非线性阻尼力矩系数；Δ：船舶排水量；h：船舶初稳性高；

将进行离散化处理，得到：

即有对k+1时刻下的横摇角速度预报：

以误差准则建立船舶横摇运动辨识损失函数：

函数中横摇角是利用激光测距仪测得，横摇角速度可由横摇角差分得到，差分公式如下：

函数中其它参数为待求的辨识参数，将横摇角横摇角速度数据导入数据处理程序计算出这些辨识参数，即为船舶模型水动力导数；

船模静水纵摇衰减实验原理和过程与横摇过程相同。

5.根据权利要求4所述的用于船模水面实验的光学测试系统的测试方法，其特征在于，横稳心半径求解步骤为：

船舶原理里初稳性船舶横摇回复力矩公式为：

式中：Δ是船舶排水量，r是横稳性高，是回复力矩；

载荷外力矩为：

M＝mx

式中：m是载荷质量，x是载荷距船中横面距离；

建立载荷外力矩与横摇回复力矩平衡方程，求解出横稳性高为：