CN113124842A - 一种单根松弛绳索运动姿态测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单根松弛绳索运动姿态测量的装置，包括背景板、初始释放装置、时间‑位置数据采集装置、底座；背景板垂直固连于底座上；所述背景板上设有初始释放装置和时间‑位置数据采集装置；初始释放装置包括绳索固定柱、支撑板、支撑弹簧、电磁铁；电磁铁位于背景板的背面；固定柱用于固定绳索的一端；支撑板由铁磁性材料制成，通过非铁磁性材料铰页与背景板铰接；支撑弹簧由非铁磁性材料制成，固接于支撑板和背景板之间；支撑弹簧处于预压缩状态，用于支撑支撑板处于水平状态；电磁铁用于通断电以控制支撑板的收放状态，时间‑位置数据采集装置用于采集绳索下落的时间‑位置数据。本装置可直接获得不同时刻绳索上点的位置数据。

Description

一种单根松弛绳索运动姿态测量装置及方法

技术领域

本发明属于绳索实时测距领域，特别是一种单根松弛绳索运动姿态测量装置及方法。

背景技术

绳索作为一种受拉不受压的柔性体，在土木工程、电力与通信工程、船舶与海洋工程、航空航天、军事工业等领域得到了广泛应用。根据不同的用途，绳索呈现不同的力学特性，例如应用于卫星捕获和超近程导弹防护拦截时，绳索处于松弛状态，因此，研究松弛状态下绳索的运动规律对解决这类问题十分重要。单根绳索的无初速释放实验是最为基础的研究绳索运动规律的实验，实验中绳索的一端固定，一端可自由运动，初始时使绳索呈水平状态，无初速度释放，记录不同时刻的绳索运动姿态。现有的实验设计在初始时控制绳索自由端，拉直绳索呈水平姿态再释放，这会导致绳索在初始状态时有张力，从而影响实验的准确性。在进行运动姿态测量时，不适合在绳索上贴传感器这种接触式测量方式，因为附加的质量会对绳索的运动状态产生影响，干扰绳索运动规律的探索，所以只能采用非接触式测量方法，若采用视觉测量方法，即用高速摄影机拍摄运动过程，读取不同时刻的绳索上点的位置，会有操作要求高、数据后处理代价高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单根松弛绳索运动姿态测量装置及方法，采用测距传感器测量，直接获得不同时刻绳索上点的位置数据。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种单根松弛绳索运动姿态测量的装置，包括背景板、初始释放装置、时间-位置数据采集装置、底座；

所述背景板垂直固连于底座上；所述背景板上设有初始释放装置和时间-位置数据采集装置；

所述初始释放装置包括绳索固定柱、支撑板、支撑弹簧、电磁铁；所述固定柱、支撑板、支撑弹簧均位于背景板的正面，所述电磁铁位于背景板的背面；所述固定柱用于固定绳索的一端；所述支撑板由铁磁性材料制成，通过非铁磁性材料铰页与背景板铰接，用于放置绳索；所述支撑弹簧由非铁磁性材料制成，固接于支撑板和背景板之间；所述支撑弹簧处于预压缩状态，用于支撑支撑板处于水平状态；所述电磁铁用于通断电以控制支撑板的收放状态，所述时间-位置数据采集装置用于采集绳索下落的时间-位置数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明带有初始释放装置，保证了被测绳索初始状态时绳索上面的每一点都处于同一水平高度，且绳索初始释放时内部没有张力，提高了实验数据的可靠性；

(2)本发明采用测距传感器配合控制盒进行时间-位置的数据采集，降低了实验操作难度，也降低了数据后期处理的代价；

(3)本发明采用控制盒内的单片机控制，零时刻触发初始释放装置，并同时开始采集时间-位置数据，提高了实验数据的准确性；

(4)本发明的底座带有水平仪，背景板垂直安装在底座上，调整试验装备使背景板保持竖直，可以保证绳索在竖直的二维平面内运动，而不会与背景板发生碰撞和摩擦。

附图说明

图1为本发明测量装置的总体结构正面示意图。

图2为本发明测量装置的总体结构背面示意图。

图3为初始释放装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1和图2，本发明的提供了一种单根松弛绳索运动姿态测量的装置，包括背景板1、初始释放装置2、时间-位置数据采集装置3、底座4以及控制盒5。

结合图1和图2，所述背景板1上装有初始释放装置2和时间-位置数据采集装置3，背景板1垂直固连于底座4上；

结合图3，所述初始释放装置2包括绳索固定柱2-1、支撑板2-2、支撑弹簧2-3、电磁铁2-4；所述固定柱2-1位于背景板1正面，且位于背景板1正中间接近上边沿处，用于固定绳索的一端，固定柱2-1相对背景板1的安装高度以及相对离背景板1正面端面的伸出距离均可调节；所述支撑板2-2由铁磁性材料制成，位于背景板1正面，在固定柱2-1右边并且安装高度和固定柱2-1一样，支撑板2-2内侧长边为固定边，固定边与背景板1铰接，铰页使用非铁磁性材料；所述支撑弹簧2-3由非铁磁性材料制成，固接于支撑板2-2长边的自由边和背景板1的正面之间，即支撑弹簧2-3一端与支撑板2-2外侧长边相连，另一端与背景板1相连；支撑弹簧2-3初始状态为轻度压缩状态，用于支撑支撑板2-2保持水平状态，用来托住绳索处于水平状态；所述电磁铁2-4贴装于背景板1背面，竖直方向上位于支撑板2-2的下方，以保证电磁铁2-4通电时，吸引支撑板2-2绕铰轴向下转动，克服支撑弹簧2-3受压的反作用力，使支撑板2-2贴于背景板1上，从而达到释放绳索的目的。支撑弹簧2-3和电磁铁2-4的数量，以能达到目的即可，即支撑弹簧2-3的数量需要保证在电磁铁不通电、支撑板2-2上放有绳索时，支撑住支撑板2-2保持水平状态，电磁铁2-4的数量需要保证在通电后，能够使支撑板2-2克服弹簧受压的反作用力。

结合图1，所述时间-位置数据采集装置3是由测距传感器组成，测距传感器等间距沿背景板1正面右侧(或者左侧)布置，传感器测量的是水平方向上绳索到传感器的距离，再结合传感器的自身高度位置，可确定绳索上点的坐标。因此，每一时刻，采集到的位置数据是固定纵坐标的绳索上点的横坐标位置，而不是绳索上某些确定点的位置坐标；

结合图1和图2，所述底座4上安装有水平仪4-1，确保实验开始时底座4水平放置，又由于背景板1垂直固连于底座4上，因此最终能使背景板1保持竖直状态；

结合图1和图2，所述控制盒内部封装有单片机和电源箱；所述单片机控制在零时刻时触发初始释放装置，同时开始采集时间-位置数据，电源箱为电磁铁和测距传感器提供电源。

实验步骤如下：

实验开始前先根据水平仪4-1调整底座，使底座4保持水平，从而使背景板1保持竖直，继而保证绳索一直在竖直的二维平面中运动而不与背景板发生摩擦和碰撞。

将绳索的一端固定在固定柱2-1上，先让绳索自然下垂。调整固定柱2-1与背景板的距离，使绳索稍稍离开背景板1，防止绳子在运动过程中与背景板1产生摩擦和碰撞，影响实验；同时，固定柱也不能过于远离背景板1，需要保证绳索能够被测距传感器测量到。调整好与背景板1的距离后，用测距传感器测量出此时自然下垂的绳索与传感器的水平距离并记录，将此作为横坐标的零点处。接着将绳索水平放置于支撑板2-2上，绳索的自由端不应该超出支撑板2-2，调整固定柱2-1的高度，保证绳索上所有的点处于同一水平高度。至此，实验前的准备工作完毕。

按下控制盒5的“开始”按钮，触发初始释放装置2，绳索开始运动，同时开始采集时间-位置数据。

Claims (6)

1.一种单根松弛绳索运动姿态测量的装置，其特征在于，包括背景板(1)、初始释放装置(2)、时间-位置数据采集装置(3)、底座(4)；

所述背景板(1)垂直固连于底座(4)上；所述背景板(1)上设有初始释放装置(2)和时间-位置数据采集装置(3)；

所述初始释放装置(2)包括绳索固定柱(2-1)、支撑板(2-2)、支撑弹簧(2-3)、电磁铁(2-4)；所述固定柱(2-1)、支撑板(2-2)、支撑弹簧(2-3)均位于背景板(1)的正面，所述电磁铁(2-4)位于背景板(1)的背面；所述固定柱(2-1)用于固定绳索的一端；所述支撑板(2-2)由铁磁性材料制成，通过非铁磁性材料铰页与背景板(1)铰接，用于放置绳索；所述支撑弹簧(2-3)由非铁磁性材料制成，固接于支撑板(2-2)和背景板(1)之间；所述支撑弹簧(2-3)处于预压缩状态，用于支撑支撑板(2-2)处于水平状态；所述电磁铁(2-4)用于通断电以控制支撑板(2-2)的收放状态，所述时间-位置数据采集装置(3)用于采集绳索下落的时间-位置数据。

2.根据权利要求1所述的单根松弛绳索运动姿态测量的装置，其特征在于，所述固定柱(2-1)相对背景板(1)的安装高度，以及相对离背景板(1)的伸出距离均可调。

3.根据权利要求1所述的单根松弛绳索运动姿态测量的装置，其特征在于，所述底座(4)上安装有水平仪(4-1)。

4.根据权利要求1所述的单根松弛绳索运动姿态测量的装置，其特征在于，所述时间-位置数据采集装置(3)由测距传感器组成。

5.根据权利要求1所述的单根松弛绳索运动姿态测量的装置，其特征在于，还包括控制盒(5)，所述控制盒(5)内部封装有单片机和电源箱；所述单片机用于控制在零时刻时触发初始释放装置，同时开始采集时间-位置数据，所述电源箱用于为电磁铁(2-4)和时间-位置数据采集装置(3)提供电源。

6.根据权利要求1-5任一项所述的单根松弛绳索运动姿态测量的装置，其用于绳索运动姿态测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

调整背景板(1)保持竖直；将绳索的一端固定在固定柱(2-1)上，让绳索自然下垂；调整固定柱(2-1)与背景板(1)的距离，使绳索离开背景板(1)，并位于时间-位置数据采集装置(3)的测量范围内；用测距传感器测量出此时自然下垂的绳索与传感器的水平距离并记录，将此作为横坐标的零点处；下一步，将绳索水平放置于支撑板(2-2)上，调整固定柱(2-1)的高度，保证绳索上所有的点处于同一水平高度；按下控制盒(5)上的“开始”按钮，触发初始释放装置(2)，绳索开始运动，同时开始采集时间-位置数据。

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