CN115508006A - 一种船模重心和惯量测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种船模重心和惯量测试方法，涉及船舶技术领域，该方法将至少在艏艉部和侧舷设置有标识点的船模置于测试场中，测试场周围布设光学动作捕捉系统。分别执行对船模的艏部或艉部施加压块、对船模的艏部或艉部施加垂直于水平面的压力后释放、沿横向移动船模上的小质量压块、对船模侧舷施加垂直于水平面的压力后释放的操作，通过光学动作捕捉系统获取标识点的空间坐标轨迹可以分别自动解算出船模重心高度、纵向惯量、初稳性高和横向惯量。该方法自动化程度高，通过数据解算可以实现重心和惯量测试，测试效率高且测试精度高。

Description

一种船模重心和惯量测试方法

技术领域

本申请涉及船舶技术领域，尤其是一种船模重心和惯量测试方法。

背景技术

船模的重心和惯量测试是开展船模水动力实验的基础，船模在进行水动力试验之前，需要先进行重心和惯量测试，但是传统的重心和惯量测试方法都存在仪器设备安装准备复杂、数据处理换算自动化程度低，且很大程度依赖人工操作和测量导致精度较低等缺点，很难准确有效的完成船模重心和惯量测试。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种船模重心和惯量测试方法，本申请的技术方案如下：

一种船模重心和惯量测试方法，该方法包括：

将船模置于测试场中，船模上固定有若干个标识点，船模至少在艏艉部和侧舷设置有标识点，测试场周围布设有多台朝向测试场的红外相机形成光学动作捕捉系统；

对船模施加压块使得船模发生水平倾斜，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到船模在压块作用下产生的水平倾斜角度，基于水平倾斜角度计算得到船模的重心相关参数测试结果；

对船模施加垂直于水平面的压力后释放使得船模进行周期性摇荡，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到船模摇荡过程中的摇荡周期，基于摇荡周期计算得到船模的惯量测试结果。

其进一步的技术方案为，标识点固定在船模的表面，且标识点所在平面为刚体平面，船模的艏部、艉部两侧、船模的中心以及侧舷分别设置有标识点，船模的中心在重心所在垂线上；设置在艏部的标识点和设置在中心处的标识点在船长方向的轴线上，设置在中心处的标识点以及设置在侧舷的标识点在船宽方向的轴线上，设置在艉部两侧的标识点的连线垂直于船长方向的轴线。

其进一步的技术方案为，测试场包括岸上测试场和水上测试场，该方法包括：

将船模置于岸上测试场中的固定刀架上，在岸上测试场中解算得到的船模的重心相关参数测试结果包括船模的重心高度，解算得到的船模的惯量测试结果包括船模的纵向惯量；

将船模置于水上测试场的水面上，红外相机布设在水上测试场周围的岸上，在水上测试场中解算得到的船模的重心相关参数测试结果包括船模的初稳性高，解算得到的船模的惯量测试结果包括船模的横向惯量。

其进一步的技术方案为，在岸上测试场中解算得到船模的重心高度的方法包括：

将固定刀架安装在船模的两边侧舷、船模可沿着固定刀架的刀口进行纵向摇荡；

稳定船模，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标，连接各个标识点构建与船模对应的刚体；

以船模的艏艉部的标识点作为参考点，根据通过光学动作捕捉系统获取到的参考点的空间坐标确定船模的第一水平倾斜角度θ₁；

在船模沿着船长方向的轴线上在艏部或艉部设置压块使得船模倾斜，稳定船模，根据通过光学动作捕捉系统获取到的参考点的空间坐标确定船模的第二水平倾斜角度θ₂；

确定倾斜角度变化值Δθ₁＝θ₂-θ₁并代入公式

中计算得到船模的重心与刀架4的刀口之间的距离α₁，其中，P是压块的重量，D是船模的重量，L₁是压块与固定刀架的刀口之间的水平距离，W是固定刀架的重量，α₂是固定刀架的重心与固定刀架的刀口之间的距离。

其进一步的技术方案为，在岸上测试场中解算得到船模的纵向惯量的方法包括：

将固定刀架安装在船模的两边侧舷、船模可沿着固定刀架的刀口进行纵向摇荡，对船模的艏部或艉部施加垂直于水平面的压力后释放，使得船模进行周期性的纵向摇荡，通过光学动作捕捉系统获取船模的艏艉部的标识点的空间坐标轨迹并解算得到纵向摇荡周期T₁，继而代入公式

中解算得到船模的纵向惯量J₁，其中，D是船模的重量，α′₁是船模的重心与固定刀架的刀口之间的距离实测值，W是固定刀架的重量，α₂是固定刀架的重心与固定刀架的刀口之间的距离。

其进一步的技术方案为，在水上测试场中解算得到船模的初稳性高的方法包括：

横向移动船模上的压块使得船模发生水平倾斜，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到船模在压块移动前后产生的水平倾斜角度差值Δθ₂，将水平倾斜角度差值Δθ₂代入

中计算得到船模的初稳性高GM，其中，P是压块的重量，l是压块横向移动的距离，D是船模的重量。

其进一步的技术方案为，在水上测试场中解算得到船模的横向惯量的方法包括：

对船模的一侧的侧舷施加垂直于水平面的压力后释放，使得船模在水上进行周期性的横向摇荡，通过光学动作捕捉系统获取船模的侧舷的标识点的空间坐标轨迹并解算得到横向摇荡周期T₂，并代入公式

中计算得到船模的横向惯量J₂。

其进一步的技术方案为，解算得到船模摇荡过程中的摇荡周期的方法包括：

在船模进行周期性的摇荡的过程中，通过光学动作捕捉系统记录船模的全过程六自由度运动时间历程数据，截取包含整数个摇荡周期内的全过程六自由度运动时间历程数据作为目标数据，基于目标数据确定摇荡周期

M是目标数据内包含的同一个标识点的采样数据量，n是目标数据包含的摇荡周期的个数，f是光学动作捕捉系统的数据采样频率且单位为帧/秒。

其进一步的技术方案为，光学动作捕捉系统固定在测试场的周围，则光学动作捕捉系统在安装完成后进行一次标定，之后在使用过程中直接执行测试过程。

其进一步的技术方案为，光学动作捕捉系统为可移动式，则光学动作捕捉系统在每次安装于测试场的周围后，先进行标定再执行测试过程。

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种船模重心和惯量测试方法，该方法利用红外相机搭建光学动作捕捉系统，配合船模上设置的标识点，可以实现空间坐标轨迹的记录并进行自动数据解算，从而精确解算得到水平倾斜角度继而获取初稳性高，另外可以通过解算快速确定摇荡周期，从而测算得到惯量测试结果，该测试方法可以显著提供测试效率。

该方法为非接触式的测量方式，提高了设备的可靠性，而且该方法人工介入步骤少，完全进行自动结算，所以测量精度高，提升了数据质量。而且针对水上测试场景，只需将红外相机架设在岸上即可完成测试，无需人工下到水上测试场中进行设备安装，减少了人员安全隐患，减少调试工作占用的水池运行时间，提高了测试水池的利用率以及产值与运营效益。

另外本申请提供的方法不仅局限于相对静止的船模重心和惯量调试，在扩展测量范围后，在船模运动测量、机械结构振动测量方面都具有应用前景。

附图说明

图1是本申请一个实施例中在岸上测试场中进行测试的应用场景图。

图2是图1的应用场景图的侧视图。

图3是本申请另一个实施例中在水上测试场中进行测试的俯视图。

图4是本申请另一个实施例中在水上测试场中进行测试的应用场景图的侧视图。

图5是本申请一个实施例中在岸上测试场中进行测试时对船模施加压块前后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种船模重心和惯量测试方法，该方法用于测量得到船模的重心高度、初稳性高GM以及惯量测试结果。请结合图1-4的应用场景图，船模1置于测试场中，船模1上固定有若干个标识点，船模1上至少在艏艉部和侧舷处固定有标识点，艏艉部表示艏部和/或艉部。标识点可以通过各种固接方式安装在船模1上，比如最为常见的粘接的方式。

在一个实施例中，标识点均固定在船模1的表面，且标识点2所在平面为刚体平面。船模1的艏部、艉部两侧、船模的中心以及侧舷处分别设置有标识点，船模的中心在重心所在垂线上。且设置在艏部的标识点21和设置在中心25处的标识点在船长方向的轴线上，设置在中心处的标识点25以及设置在侧舷的标识点21在船宽方向的轴线上，可以两个侧舷都设置或者仅有一个侧舷设置。设置在艉部两侧的标识点22和23的连线垂直于船长方向的轴线。这种标识点设置方式更符合实际使用需要。

测试场的周围布设有多台朝向测试场的红外相机3形成光学动作捕捉系统，红外相机3连接至上位机执行控制和计算。在一个实施例中，红外相机3通过网线连接至交换机后连接到上位机。红外相机3的设置数量和设置位置可以根据实际情况调整，比如在一个实例中，设置有三台红外相机3，且三台红外相机呈三角形布放。标识点与红外相机3匹配使用，红外相机3可以识别并定位标识点。标识点可以采用被动式反光球实现，则通过红外相机3本身自带的红外光源照射标识点反光识别。或者，标识点可以采用主动式红外发光球实现。为了测试效果更好，红外相机3的相机分辨率不小于1200万像素，焦距为18mm，拍摄频率为60Hz，布放位置与船模1的重心位置距离约7m。

在本申请中，测试场2包括岸上测试场和水上测试场，分别用于测量船模在岸上和在水上的测试结果。在岸上测试场的场景下，岸上测试场的中心设置有用于固定船模1的固定刀架4，船模1置于固定刀架4上并底部悬空，红外相机4围绕岸上测试场设置，请参考图1和2。在水上测试场的场景下，船模1置于水上测试场的水面上，红外相机4布设在水上测试场周围的岸上，请参考图3和4。不管在岸上测试场还是水上测试场的场景下，船模上的标识点及周围的红外相机的技术特征都是类似的且如上所述。

基于本申请的应用场景，不管是岸上测试场还是水上测试场场景下，设置好红外相机3后，将标尺或标识点放置于测量区域的原点附近，确保标尺或标识点能够在镜头中清晰成像，边缘锐利，并在上位机中的对应软件中构建三维空间坐标系。然后按红外相机3构成的光学动作捕捉系统的要求完成标定。

在一个实施例中，光学动作捕捉系统固定在测试场的周围，则光学动作捕捉系统在安装完成后进行一次标定，之后在使用过程中直接执行测试过程，无需每次都标定。或者，光学动作捕捉系统为可移动式，灵活性更好且可以满足不同场地的测试需求，则光学动作捕捉系统在每次安装于测试场的周围后，先进行标定再执行测试过程。

在搭建并标定好光学动作捕捉系统后，可以通过光学动作捕捉系统拍摄船模1并识别得到标识点继而确定各个标识点在预先建立的三维空间坐标系中的空间坐标。光学动作捕捉系统拍按数据采样频率进行拍摄并采样，从而可以得到各个标识点的空间坐标轨迹，由于本申请的标识点设置在艏艉部、中心、侧舷等关键位置，因此通过各个标识点的空间坐标轨迹实际可以得到船模的全过程六自由度运动时间历程数据。

不管是岸上测试场和水上测试场场景下，对船模施加压块使得船模发生水平倾斜，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到船模在所述压块作用下产生的水平倾斜角度，基于水平倾斜角度计算得到船模的重心相关参数测试结果。

另外，不管是岸上测试场和水上测试场场景下，对船模1施加垂直于水平面的压力后释放使得船模进行周期性摇荡，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到船模摇荡过程中的摇荡周期，基于摇荡周期计算得到惯量测试结果。

在实际测试时，在岸上测试场和水上测试场分别对船模进行测试，也即将船模置于岸上测试场中心的固定刀架上并解算得到重心相关参数测试结果和惯量测试结果，在岸上测试场中，解算得到的船模的重心相关参数测试结果包括船模的重心高度，解算得到的船模的惯量测试结果包括船模的纵向惯量。以及，将船模置于水上测试场的水面上，红外相机布设在水上测试场周围的岸上，同样解算得到重心相关参数测试结果和惯量测试结果，但是在水上测试场中，解算得到的船模的重心相关参数测试结果包括船模的初稳性高，解算得到的船模的惯量测试结果包括船模的横向惯量。一般先进行岸上测试，后进行水中测试，本申请分别介绍如下：

一、在岸上测试场中

(1)在岸上测试场中测试解算得到船模的重心高度。

搭建好上述应用场景，将固定刀架4安装在船模1的两侧，船模1可沿着固定刀架4的刀口进行自由的纵向摇荡。红外相机3位于测试场周围，船模1上的标识点22、23、25构成的区域位于每个红外相机3的视场中央。

稳定船模，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标，两两连接各个标识点形成多边形，构建与船模1对应的刚体。在不对船模1施加外力且稳定状态下，以船模1的艏艉部的标识点作为参考点，请参考图5，该实例以船模1艉部一侧的标识点22作为参考点。在船模1平稳自然状态下，通过光学动作捕捉系统获取到的参考点的空间坐标，并根据参考点的空间坐标确定船模1的第一水平倾斜角度θ₁，一般以参考点的空间坐标与船模1的中心的夹角与船模1的表面之间的角度的绝对值作为水平倾斜角度，则在船模1平稳自然状态下，第一水平倾斜角度θ₁一般为0°。

然后在船模沿着船长方向的轴线上在艏部或艉部设置压块5使得船模1倾斜，如图5以在船模1的艏部设置压块5为例，图5中实线表示设置压块5之前，虚线表示设置压块5之后的结构示意图。稳定船模1、使得船模仅发生倾斜而不发生摇动。通过光学动作捕捉系统获取参考点的空间坐标，然后按同样的方法确定，以参考点的空间坐标与船模1的中心的夹角与船模1的表面之间的角度的绝对值作为船模1的第二水平倾斜角度θ₂。

确定倾斜角度变化值Δθ₁＝θ₂-θ₁，并代入公式

中计算得到船模的重心与刀架4的刀口之间的距离α₁。其中，P是压块5的重量，D是船模2的重量，L₁是压块5与固定刀架4的刀口之间的水平距离，W是固定刀架4的重量，α₂是固定刀架4的重心与固定刀架4的刀口之间的距离。

(2)在岸上测试场中测试并解算得到船模的纵向惯量J₁。

将固定刀架4安装在船模1的两边侧舷、此状态下船模1可沿着固定刀架的刀口进行纵向摇荡。然后对船模1的艏部或艉部施加垂直于水平面的压力后释放，使得船模1进行周期性的纵向摇荡，通过光学动作捕捉系统获取船模1的艏艉部的标识点的空间坐标轨迹并解算得到纵向摇荡周期T₁。继而代入公式

中解算得到所述船模的纵向惯量J₁，其中，D是所述船模的重量，α′₁是所述船模的重心与所述固定刀架的刀口之间的距离实测值，W是所述固定刀架的重量，α₂是所述固定刀架的重心与所述固定刀架的刀口之间的距离。

确定纵向摇荡周期T₁的方法是：在船模1进行周期性的摇荡的过程中，通过光学动作捕捉系统按数据采样频率进行数据采样，记录船模1的全过程六自由度运动时间历程数据，截取包含整数个摇荡周期内的全过程六自由度运动时间历程数据作为目标数据，截取的目标数据一般是船模1稳定摇荡过程中的数据。然后基于目标数据确定摇荡周期

M是目标数据内包含的同一个标识点的采样数据量，n是目标数据包含的摇荡周期的个数，f是光学动作捕捉系统的数据采样频率且单位为帧/秒。

二、在水上测试场中

(1)在水上测试场中测试并解算得到船模的初稳性高GM。

将船模1置于水上测试场的水面上并稳定船模1使其不发生摇动，在船模1平稳自然状态下，在船模1沿着船长方向的轴线上横向移动船模1上的压块使得船模1发生水平倾斜，通过光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到船模1在压块移动前后产生的水平倾斜角度差值Δθ₂，

将水平倾斜角度差值Δθ₂代入

中计算得到船模1的初稳性高GM，l是所述压块横向移动的距离。

(2)在水上测试场中测试并解算得到船模的横向惯量J₂。

将船模1置于水上测试场的水面上并稳定船模1使其不发生摇动，然后对船模的一侧的侧舷施加垂直于水平面的压力后释放使得船模1在水上进行周期性的横向摇荡。通过光学动作捕捉系统获取船模的侧舷的标识点的空间坐标轨迹并解算得到横向摇荡周期T₂。并代入公式

中计算得到船模1的横向惯量J₂。确定横向摇荡周期T₂的方法与确定纵向摇荡周期T₁的方法类似，该实施例不再赘述。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船模重心和惯量测试方法，其特征在于，所述方法包括：

将船模置于测试场中，所述船模上固定有若干个标识点，所述船模至少在艏艉部和侧舷设置有标识点，所述测试场周围布设有多台朝向所述测试场的红外相机形成光学动作捕捉系统；

对所述船模施加压块使得所述船模发生水平倾斜，通过所述光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到所述船模在所述压块作用下产生的水平倾斜角度，基于所述水平倾斜角度计算得到所述船模的重心相关参数测试结果；

对所述船模施加垂直于水平面的压力后释放使得所述船模进行周期性摇荡，通过所述光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到所述船模摇荡过程中的摇荡周期，基于所述摇荡周期计算得到所述船模的惯量测试结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述标识点固定在所述船模的表面，且标识点所在平面为刚体平面，所述船模的艏部、艉部两侧、船模的中心以及侧舷分别设置有标识点，所述船模的中心在重心所在垂线上；设置在艏部的标识点和设置在中心处的标识点在船长方向的轴线上，设置在中心处的标识点以及设置在侧舷的标识点在船宽方向的轴线上，设置在艉部两侧的标识点的连线垂直于船长方向的轴线。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述测试场包括岸上测试场和水上测试场，所述方法包括：

将所述船模置于岸上测试场中的固定刀架上，在岸上测试场中解算得到的所述船模的重心相关参数测试结果包括所述船模的重心高度，解算得到的所述船模的惯量测试结果包括所述船模的纵向惯量；

将所述船模置于水上测试场的水面上，所述红外相机布设在所述水上测试场周围的岸上，在水上测试场中解算得到的所述船模的重心相关参数测试结果包括所述船模的初稳性高，解算得到的所述船模的惯量测试结果包括所述船模的横向惯量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在岸上测试场中解算得到所述船模的重心高度的方法包括：

将所述固定刀架安装在所述船模的两边侧舷、所述船模可沿着所述固定刀架的刀口进行纵向摇荡；

稳定所述船模，通过所述光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标，连接各个标识点构建与所述船模对应的刚体；

以所述船模的艏艉部的标识点作为参考点，根据通过所述光学动作捕捉系统获取到的所述参考点的空间坐标确定所述船模的第一水平倾斜角度θ₁；

在所述船模沿着船长方向的轴线上在艏部或艉部设置压块使得所述船模倾斜，稳定所述船模，根据通过所述光学动作捕捉系统获取到的所述参考点的空间坐标确定所述船模的第二水平倾斜角度θ₂；

确定倾斜角度变化值Δθ₁＝θ₂-θ₁并代入公式

中计算得到所述船模的重心与刀架4的刀口之间的距离α₁，其中，P是所述压块的重量，D是所述船模的重量，L₁是所述压块与所述固定刀架的刀口之间的水平距离，W是所述固定刀架的重量，α₂是所述固定刀架的重心与所述固定刀架的刀口之间的距离。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在岸上测试场中解算得到所述船模的纵向惯量的方法包括：

将所述固定刀架安装在所述船模的两边侧舷、所述船模可沿着所述固定刀架的刀口进行纵向摇荡，对所述船模的艏部或艉部施加垂直于水平面的压力后释放，使得所述船模进行周期性的纵向摇荡，通过所述光学动作捕捉系统获取所述船模的艏艉部的标识点的空间坐标轨迹并解算得到纵向摇荡周期T₁，继而代入公式

中解算得到所述船模的纵向惯量J₁，其中，D是所述船模的重量，α₁′是所述船模的重心与所述固定刀架的刀口之间的距离实测值，W是所述固定刀架的重量，α₂是所述固定刀架的重心与所述固定刀架的刀口之间的距离。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在水上测试场中解算得到所述船模的初稳性高的方法包括：

横向移动所述船模上的压块使得所述船模发生水平倾斜，通过所述光学动作捕捉系统获取各个标识点的空间坐标轨迹，解算得到所述船模在所述压块移动前后产生的水平倾斜角度差值Δθ₂，将所述水平倾斜角度差值Δθ₂代入

中计算得到所述船模的初稳性高GM，其中，P是所述压块的重量，l是所述压块横向移动的距离，D是所述船模的重量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在水上测试场中解算得到所述船模的横向惯量的方法包括：

对所述船模的一侧的侧舷施加垂直于水平面的压力后释放，使得所述船模在水上进行周期性的横向摇荡，通过所述光学动作捕捉系统获取所述船模的侧舷的标识点的空间坐标轨迹并解算得到横向摇荡周期T₂，并代入公式

中计算得到所述船模的横向惯量J₂。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，解算得到所述船模摇荡过程中的摇荡周期的方法包括：

在所述船模进行周期性的摇荡的过程中，通过所述光学动作捕捉系统记录所述船模的全过程六自由度运动时间历程数据，截取包含整数个摇荡周期内的全过程六自由度运动时间历程数据作为目标数据，基于所述目标数据确定摇荡周期

M是所述目标数据内包含的同一个标识点的采样数据量，n是所述目标数据包含的摇荡周期的个数，f是所述光学动作捕捉系统的数据采样频率且单位为帧/秒。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学动作捕捉系统固定在所述测试场的周围，则所述光学动作捕捉系统在安装完成后进行一次标定，之后在使用过程中直接执行测试过程。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学动作捕捉系统为可移动式，则所述光学动作捕捉系统在每次安装于所述测试场的周围后，先进行标定再执行测试过程。

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