CN115171508A - 一种海上环境的模拟平台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上环境的模拟平台装置，包括上模拟平台与底座，所述上平台与底座之间通过多个传动组件相连，所述模拟平台通过多个传动组件模拟海上环境，在运动模拟中，该运动平台是具备模拟海上波浪起伏情况以及波浪场情景再现的设备，在做船舶试验时不需要将试验对象带到真实海上，为试验提供了很大的方便，克服了必须去海上开展试验的限制，能在陆地上或者较为平静的湖泊中模拟较高等级海况对船舶试验过程中的影响，并且本海况模拟平台能主动调节不同海况等级下海浪对船舶的影响，从而极为便捷的增加试验数据的多样性，提高试验效率，本发明是具备模拟海上波浪起伏情况以及波浪场情景再现的设备。
Description
技术领域
本发明涉及海上工程技术领域，尤其是一种海上环境的模拟平台装置。
背景技术
目前，六自由度运动平台的研发是随着航空航天、国防建设等事业的发展以及仿真技术研究的兴起而逐渐起步的，它将现代机械科学技术、控制技术、传感检测技术和计算机技术有机地结合在一起，形成一套完整的模拟现实场景的试验装置。运动模拟平台的研究，使得在将某项重要设备投入使用或生产前，而为它搭建符合其工作环境的相对真实的模拟环境以检验其质量而提前对设备进行改进和优化成为可能，将对节约生产成本和提高研究效率大有裨益。
例如，以往为在有较大海浪的环境下进行试验，大多会去实际海域上开展。但是实际海洋环境复杂多变，想要在相应海况等级的环境下开展试验，需要选择特定的时间和地点并集合大量人力、物力和财力。但是往往试验还没有完成，海况环境已发生改变，不得不暂停试验等待下一个时机，导致不仅试验成本高，试验时间无法确定、试验周期过长，而且对参试人员和设备的安全也有较大威胁。
发明内容
为了解决现有技术中试验成本高，试验时间无法确定、试验周期过长的问题，本发明提出了在稳定性、适配性和可产品化程度上都能达到较高水平的一种海上环境的模拟平台装置。
本发明的技术方案为：一种海上环境的模拟平台装置，包括上模拟平台(1)与底座，所述上平台与底座之间通过多个传动组件相连，所述模拟平台通过多个传动组件模拟海上环境。
作为上述技术方案的进一步改进：
优选地，所述传动组件包括从动杆、主动杆与驱动件，所述驱动件固定安装于底座上表面，所述从动杆上端与上模拟平台侧面铰接，所述从动杆下端与主动杆上端铰接，所述主动杆下端与驱动件的输出轴相连接。
优选地，所述驱动件由减速机与伺服电机构成。
优选地，所述主动杆与从动杆通过铰链铰接，所述上模拟平台下表面设置有连接块，所述连接块与从动杆之间通过铰链铰接。
优选地，所述驱动件通过安装件安装于底座上方。
优选地，所述传动组件的数量为六个，所述传动组件与底座的连接点呈60°夹角圆周分布，所述传动组件与上平台之间的呈圆周两两对阵分布，对称夹角为120°。
优选地，所述底座下表面设置有多个呈圆周阵列的安装块，所述安装块下表面设置有导向轮。
优选地，还包括电机驱动与通信模块，所述电机驱动与通信模块包括主控板卡与传感器，所述传感器设置于传动组件上，用于反馈传动组件的装填，所述主控板卡与每个传动组件及传感器进行电连接，用于接收传感器的信息与控制每个传动组件的独立运动，所述主控板卡内设置有通信模块，用于传递相关信息给上位机与接收上位机发出的命令。
优选地，所述主控板卡采用的是ESP32芯片，所述ESP32芯片集成24G Hz wifi和蓝牙双模式的单芯片，釆用超低功耗的40纳米工艺。
一种海上环境的模拟平台装置的操作方法，包括以下步骤：
Step1、操作人员可以通过上位机内的软件调整各个参数，主要有频率、幅度、速度、加速度与方向；
Step2、上位机将相关指令传递给主控板卡，主控板卡对指令进行结算并将结算后的信号发给对应的伺服电机，6个伺服电机根据相关命令得到相应的转速和方向，具体有海浪仿真运动、单自由度运动和周期运动三个运动模式；
Step3、上模拟平台的位置通过传感器反馈给主控板卡，主控板卡再传递给上位机进行查看。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明与现有技术相比，在运动模拟中，该运动平台是具备模拟海上波浪起伏情况以及波浪场情景再现的设备，在做船舶试验时不需要将试验对象带到真实海上，为试验提供了很大的方便，克服了必须去海上开展试验的限制，能在陆地上或者较为平静的湖泊中模拟较高等级海况对船舶试验过程中的影响，并且本海况模拟平台能主动调节不同海况等级下海浪对船舶的影响，从而极为便捷的增加试验数据的多样性，提高试验效率，本发明是具备模拟海上波浪起伏情况以及波浪场情景再现的设备。
附图说明
图1是本发明的总体立体结构示意图；
图2是本发明的铰链连接结构示意图；
图3是本发明的运动模拟平台数学模型示意图。
附图标记：1、上模拟平台；2、铰链；3、连接块；4、从动杆；5、主动杆；6、安装件；7、底座；8、安装块；9、伺服电机；10、传感器；11、减速机；12、导向轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，需要理解的是，术语中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
本发明提供如下技术方案：
如附图1与图2所示，为本发明的运动平台装置的机械结构部分，所述上模拟平台通过连接块3与从动杆4相连，所述伺服电机9和减速机11通过安装件6固定连接在底座7上，主动杆5连接在伺服电机9的输出轴端，从动杆4的一端与主动杆5铰接，另一端与上模拟平台铰接，运动过程中伺服电机9的输出轴与主动杆5一起做圆弧运动，带动从动杆4改变上铰点的空间位置，从而推动上平台1相对底座7发生位姿变化，所述铰链2为虎克铰链2是轴线通过同一点的两个转动副的组合，该铰链2允许两构件有两个相对转动的自由度,具有两个独立转角范围大、间隙小、抗拉强度高并精度易于保证的特点；
为了方便移动整体设备，在底座7下方安装有三个圆周阵列的安装块8，每个安装块8下方均安装有导向轮12。
为准确的得到上模拟平台的不同姿态与各伺服电机9间转动角度的关系，现对环境模拟平台进行运动学建模分析如图3所示。通过上模拟平台的位姿即三个线性坐标参量(x y z)和三个旋转坐标参量(αβγ),求解得到电机的转动角度θ。在机构上建立坐标系，动坐标系O′-X′Y′Z′建立在上平台1上、静坐标系O-XYZ建立在下平台。坐标系中心位于平台中心位置,坐标系初始位姿重合。上下铰链2点分别为bi和Bi(其中i＝1，2,…,6),上铰接点呈圆周对称分布,且对称夹角为120°，下铰接点按60°夹角圆周分布；
考虑到环境模拟平台需要达到1HZ的姿态模拟频率，并且能够承受最大质量为m＝75kg的负载在a＝10m/s2的加速度下运动，因此，需要对伺服电机9进行转矩计算并选型，可以得到电机的总驱动力F＝ma
由于环境模拟平台设计由6个伺服电机9驱动，因此则有：Fi＝F/6(i＝1,2,3,4,5,6)；
其中Fi为单个电机的驱动力，通过计算得到单个电机的驱动力需要达到125N。通过姿态的最大模拟频率，可以得到电机的运动时需要的最大转速为60r/min。因此综合考虑驱动力和转速的要求，选择型号为M02430的交流同步伺服电机9，该伺服电机9的额定扭矩为2.4N·M，额定转速为3000RPM，配合50倍的减速机11。
本发明的运动平台装置还包括电机驱动与通信模块，电机驱动与通信模块包括ESP32主控板卡与传感器10，如附图1所示传感器10设置在伺服电机9周围，根据实际情况进行相应的调整，ESP32主控板卡是集成24G Hz wifi和蓝牙双模式的单芯片，釆用超低功耗的40纳米工艺,拥有最佳的功耗功能、射频性能。稳定性、通用性和可靠性，适用于各种应用和不同功耗需求。ESP32主控板卡还集成了丰富的外设，包括电容式触摸传感器10、霍尔传感器10、低噪声传感放大器，SD卡接口、以太网接口、高速SDIO/SPI、UART、I2S和IIC等。上述传感器10编码器反馈信号和点动缸限位信号的实时采集以及处理；控制算法的实时运行以及控制指令和指令脉冲的发出；有效的警报系统以及合理的应对处理方式，ESP32主控板卡与每个伺服电机9均电连接，可同时控制每个伺服电机9的转速与转向，更好的模拟海上环境，同时电机驱动与通信模块应该还包括外设设备，例如上位机人机交互界面与伺服电机9驱动器等。
本发明的工作流程具体为：
1、操作人员可以通过上位机内的软件调整各个参数，主要有频率、幅度、速度、加速度与方向；
2、上位机将相关指令传递给主控板卡，主控板卡对指令进行结算并将结算后的信号发给对应的伺服电机9，6个伺服电机9根据相关命令得到相应的转速和方向；
3、上模拟平台的位置通过传感器10反馈给主控板卡，主控板卡再传递给上位机进行查看。
本发明的运动平台装置具有如下功能：主要有海浪仿真运动、单自由度运动和周期运动三个运动模式(主要是6个伺服电机9的转速与转向不同，从而实现不同的运动模式)，每次操作都只能选择一种运动模式，当选择海浪仿真运动时，该控制程序就会自动实时获取视景仿真平台的海浪运动参数，并对六自由度平台进行运动控制，达到仿真海浪运动的目的，因此本海况模拟平台能主动调节不同海况等级下海浪对船舶的影响，从而极为便捷的增加试验数据的多样性，提高试验效率。本发明是具备模拟海上波浪起伏情况以及波浪场情景再现的设备。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种海上环境的模拟平台装置，其特征在于：包括上模拟平台(1)与底座(7)，所述上平台(1)与底座(7)之间通过多个传动组件相连，所述模拟平台通过多个传动组件模拟海上环境。
2.根据权利要求1所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：所述传动组件包括从动杆(4)、主动杆(5)与驱动件，所述驱动件固定安装于底座(7)上表面，所述从动杆(4)上端与上模拟平台(1)侧面铰接，所述从动杆(4)下端与主动杆(5)上端铰接，所述主动杆(5)下端与驱动件的输出轴相连接。
3.根据权利要求2所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：所述驱动件由减速机(11)与伺服电机(9)构成。
4.根据权利要求2所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：所述主动杆(5)与从动杆(4)通过铰链(2)铰接，所述上模拟平台(1)下表面设置有连接块(3)，所述连接块(3)与从动杆(4)之间通过铰链(2)铰接。
5.根据权利要求2或3任一权利要求所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：所述驱动件通过安装件(6)安装于底座(7)上方。
6.根据权利要求1～5任一权利要求所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：所述传动组件的数量为六个，所述传动组件与底座(7)的连接点呈60°夹角圆周分布，所述传动组件与上平台(1)之间的呈圆周两两对阵分布，对称夹角为120°。
7.根据权利要求1所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：所述底座(7)下表面设置有多个呈圆周阵列的安装块(8)，所述安装块(8)下表面设置有导向轮(12)。
8.根据权利要求1所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：还包括电机驱动与通信模块，所述电机驱动与通信模块包括主控板卡与传感器(10)，所述传感器(10)设置于传动组件上，用于反馈传动组件的装填，所述主控板卡与每个传动组件及传感器(10)进行电连接，用于接收传感器(10)的信息与控制每个传动组件的独立运动，所述主控板卡内设置有通信模块，用于传递相关信息给上位机与接收上位机发出的命令。
9.根据权利要求8所述的海上环境的模拟平台装置，其特征在于：所述主控板卡采用的是ESP32芯片，所述ESP32芯片集成24G Hz wifi和蓝牙双模式的单芯片，釆用超低功耗的40纳米工艺。
10.一种海上环境的模拟平台装置的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1、操作人员可以通过上位机内的软件调整各个参数，主要有频率、幅度、速度、加速度与方向；
Step2、上位机将相关指令传递给主控板卡，主控板卡对指令进行结算并将结算后的信号发给对应的伺服电机(9)，6个伺服电机(9)根据相关命令得到相应的转速和方向，具体有海浪仿真运动、单自由度运动和周期运动三个运动模式；
Step3、上模拟平台(1)的位置通过传感器(10)反馈给主控板卡，主控板卡再传递给上位机进行查看。
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