CN112363113A

CN112363113A - 一种新型船模轨迹追踪系统及方法

Info

Publication number: CN112363113A
Application number: CN202011240424.7A
Authority: CN
Inventors: 高明前; 李强
Original assignee: Yellow River Delta Construction Engineering Co ltd
Current assignee: Yellow River Delta Construction Engineering Co ltd
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2021-02-12

Abstract

本发明提出的一种新型船模轨迹追踪系统及方法包括超声波发射装置、多个室内定位基站和计算终端；超声波发射装置安装在船模上，超声波发射装置包括：单片机、超声波发射器和无线传输模块，单片机分别与超声波发射器、无线传输模块数据连接，单片机通过无线传输模块与计算终端无线连接；室内定位基站包括：超声波接收器和无线传输模块，超声波接收器通过无线传输模块与计算终端无线连接，超声波接收器用于接收超声波发射器发出的超声波信号，并将其转换为距离数据发送至计算终端；计算终端，用于通过预设算法将接收的距离数据转换为船模的坐标信息，并通过预设软件处理后，形成船模运行轨迹图。本发明有效解决了以往激光测量及VDMS测量受外界干扰大及后期数据处理繁琐的问题。

Description

一种新型船模轨迹追踪系统及方法

技术领域

本发明涉及船模跟踪测量技术领域，更具体的说是涉及一种新型船模轨迹追踪系统及方法。

背景技术

目前用于实时追踪船模轨迹的方法主要有以下两种：

1.数字摄像法，主要通过流场实时测量系统来实现。

流场实时测量系统VDMS(Velocity Distribution Measuring System)是运用数字摄像与粒子跟踪测速(Particle Tracking Velocimetry,PTV)研制开发的表面流场大范围同步测速与监控系统，已被广泛应用于水工模型、河工模型、港工模型及水槽等试验中表面流速的测量。主要由硬件和软件两部分组成,硬件部分包括一个或多个摄像输入终端、配套的视频传输线、电源传输线、摄像分配器、摄像采集卡、计算机；软件部分为流场实时测量系统VDMS。

VDMS通过在模型水流表面均匀撒布能紧密跟随水流运动的示踪颗粒,用CCD摄像机获取示踪颗粒在水中运动轨迹的图像,通过视频线直接传输至计算机内的图像卡,视频信号经图像卡实时采集到计算机内存进行分析计算,得到所测流场范围的表面流速分布。

但是，现有的数字摄像法存在如下缺点：安装摄像头麻烦，线头较多；受天气干扰太大，外界环境要求高；所需试验仪器较多，造价昂贵。

2.通过激光船模轨迹仪实时追踪船模轨迹。

激光船模轨迹仪采用激光扫描三角法和微机处理，能自动测量船模的轨迹和二维姿态。它是由两套激光扫描测角系统、信号处理系统、计数系统、接口电路及微机和输出设备组成。采用激光扫描的方法追踪船模轨迹，需要利用激光轨迹仪对船模进行定位并在船模上加装反光棱镜。

但是，是实际使用时，在船模上加装反光棱镜会对船模本身操作性有影响。

另外，采用上述两种方法，还存在测量受外界干扰大及后期数据处理繁琐的问题，均对最终的测量结果产生一定的影响。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的在于提供一种新型船模轨迹追踪系统及方法，解决以往激光测量及VDMS测量受外界干扰大及后期数据处理繁琐的问题。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种新型船模轨迹追踪系统，包括超声波发射装置、多个室内定位基站和计算终端；所述超声波发射装置安装在船模上，超声波发射装置包括：单片机、超声波发射器和无线传输模块，单片机分别与超声波发射器、无线传输模块数据连接，单片机通过无线传输模块与计算终端无线连接；所述室内定位基站包括：超声波接收器和无线传输模块，超声波接收器通过无线传输模块与计算终端无线连接，超声波接收器用于接收超声波发射器发出的超声波信号，并将其转换为距离数据发送至计算终端；所述计算终端，用于通过预设算法将接收的距离数据转换为船模的坐标信息，并通过预设软件处理后，形成船模运行轨迹图。

进一步，所述超声波发射装置还包括姿态测量模块，姿态测量模块与单片机数据连接，姿态测量模块用于实时采集船模航行过程中的舵角、漂角、加速度、角加速度数据，并通过无线传输模块发送至计算终端，计算终端通过预设软件处理后，形成船模运行过程中的姿态数据。

进一步，所述室内定位基站为四个，室内定位基站呈正方形分布。

进一步，所述正方形的边长为1米。

进一步，所述无线传输模块采用RFM12B无线传输模块，用于超声波发射与接收之间的同步。

相应的，本发明还公开了一种新型船模轨迹追踪方法，包括如下步骤：

S1：船模启动后超声波发射器向超声波接收器发送命令，将超声波接收器设置为定位模式：

S2：超声波发射器根据预设测量方式向超声波接收器发送启动计时命令；

S3：启动计时命令发送完毕后，超声波发射器同时向所有超声波接收器发送多个脉冲；

S4：所有超声波接收器根据脉冲接收时间得出与超声波发生器之间的空间距离，并将空间距离发送至计算终端；

S5：计算终端通过预设算法将空间距离转换为船模的坐标信息。

进一步，步骤S1还包括：姿态测量模块实时采集船模航行过程中的舵角、漂角、加速度、角加速度数据，并通过无线传输模块发送至计算终端。

进一步，步骤S5还包括：计算终端通过预设软件处理后，根据船模航行过程中的舵角、漂角、加速度、角加速度数据生成船模运行过程中的姿态数据。

进一步，超声波接收器为四个，呈正方形分布，正方形边长为S。

进一步，预设算法包括：

在四个超声波接收器的共同平面上以顺时针为四个超声波接收点编号，并构建坐标系，其中0号点坐标为(0，0)，1号点坐标为(0，S)，2号点坐标为(S，S),3号点坐标为(S，0)；

根据以下第一组公式计算得出超声波发射点在坐标平面上与四个超声波接收点的距离：

其中，D₀为超声波发射点在坐标平面上与0号点的距离，D₁为超声波发射点在坐标平面上与1号点的距离，D₂为超声波发射点在坐标平面上与2号点的距离，D₃为超声波发射点在坐标平面上与3号点的距离，L₀、L₁、L₂、L₃分别为超声波发射点与四个超声波接收点的空间距离，H为超声波接收点与超声波发射点的高度差；根据以下第二组公式计算得出两组超声波发射点的坐标(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)：

根据上述两组公式，超声波发射点的坐标公式可转换为：

通过上述公式，直接将超声波发射点与四个超声波接收点的空间距离转换为超声波发射点两组坐标；

最后，将两组坐标取平均值，得出超声波发射点的最终坐标值。

进一步，所述预设测量方式采用原测距模式。

进一步，步骤S3中，超声波发射器同时向所有超声波接收器发送十个脉冲。对比现有技术，本发明有益效果在于：本发明提供了一种新型船模轨迹追踪系统及方法，基于超声波定位原理姿态测量模块可以稳定的得到船模的轨迹追踪数据和姿态数据。消除了船模航行过程中的受力情况及水流对船模的影响，实时采集船模航行过程中的舵角，漂角，加速度，角加速度等数据。解决了以往激光测量及VDMS测量受外界干扰大及后期数据处理繁琐的问题。本系统具有安装方便，采集稳定的特点，可以根据不同工况所需要采集的数据不同，增减数据采集传感器模块。

本发明中，船模与计算终端之间采用了无线传输，有效降低了外界干扰。

另外，本发明直接使用空间距离数据即可得出发射点的实时坐标，通过上位机软件处理后，快速准确的形成船模运行轨迹图及运行过程中的姿态数据。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

附图1是本发明的系统结构图。

附图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做出说明。

如图1所示的一种新型船模轨迹追踪系统，包括超声波发射装置、四个呈正方形分布的室内定位基站和计算终端。

超声波发射装置安装在船模上，超声波发射装置包括：单片机、超声波发射器、姿态测量模块和无线传输模块，单片机分别与超声波发射器、无线传输模块、姿态测量模块数据连接，单片机通过无线传输模块与计算终端无线连接。姿态测量模块用于实时采集船模航行过程中的舵角、漂角、加速度、角加速度数据，并通过无线传输模块发送至计算终端，计算终端通过预设软件处理后，形成船模运行过程中的姿态数据。

室内定位基站排布为边长为1米的正方形，室内定位基站包括：超声波接收器和无线传输模块，超声波接收器通过无线传输模块与计算终端无线连接，超声波接收器用于接收超声波发射器发出的超声波信号，并将其转换为距离数据发送至计算终端。

上述无线传输模块采用RFM12B无线传输模块，用于超声波发射与接收之间的同步。

相应的，如图2所示，本发明还公开了一种新型船模轨迹追踪方法，包括：如下步骤：

S1：船模启动后超声波发射器向超声波接收器发送命令，将超声波接收器设置为定位模式。姿态测量模块实时采集船模航行过程中的舵角、漂角、加速度、角加速度数据，并通过无线传输模块发送至计算终端。

S2：超声波发射器采用原测距模式向超声波接收器发送启动计时命令。

S3：启动计时命令发送完毕后，超声波发射器同时向四个超声波接收器发送十个脉冲。

S4：四个超声波接收器根据脉冲接收时间得出与超声波发生器之间的空间距离，并将空间距离发送至计算终端。

S5：计算终端通过预设算法将空间距离转换为船模的坐标信息。同时，根据船模航行过程中的舵角、漂角、加速度、角加速度数据生成船模运行过程中的姿态数据。

具体的，本步骤中的预设算法为：

如果超声波接收器形成的正方形边长为S，那么在四个超声波接收器的共同平面上以顺时针为四个超声波接收点编号，并构建坐标系，其中0号点坐标为(0，0)，1号点坐标为(0，S)，2号点坐标为(S，S),3号点坐标为(S，0)。

首先，根据以下第一组公式计算得出超声波发射点在坐标平面上与四个超声波接收点的距离：

其中，D₀为超声波发射点在坐标平面上与0号点的距离，D₁为超声波发射点在坐标平面上与1号点的距离，D₂为超声波发射点在坐标平面上与2号点的距离，D₃为超声波发射点在坐标平面上与3号点的距离，L₀、L₁、L₂、L₃分别为超声波发射点与四个超声波接收点的空间距离，H为超声波接收点与超声波发射点的高度差。

然后，根据以下第二组公式计算得出两组超声波发射点的坐标(X₁，Y₁)，(X₂，Y₂)：

最后，将第一组公式代入第二组公式，超声波发射点的坐标公式可转换为：

通过上述公式，即可直接将超声波发射点与四个超声波接收点的空间距离转换为超声波发射点两组坐标；将两组坐标取平均值，得出超声波发射点的最终坐标值。

可见，上述算法可忽略高度参数，不用计算投射到平面的距离，直接使用测量的空间距离即得到2组坐标，将2组平均可以减小误差，也可作为相互间的合理性判断。

本实施中，船模运行轨迹通过超声波测量记录，船模运行姿态有姿态测量模块采集，通过船模上安装的无线传输模块传输到计算机上，通过上位机软件处理后，最终形成船模运行轨迹图及运行过程中的姿态数据。

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。