CN116609030B - 一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋监测设备领域，具体为一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统及方法，包括位于水池上方空间的行车平台，行车平台具有吊钩，吊钩上设有滑轮组，钢缆穿过滑轮组，一端依次连接位于水池中的剖面运动平台和配重块，另一端连接伺服电缸，剖面运动平台上设有陀螺仪和第一温盐深传感器，配重块上设有第二温盐深传感器。在实验室的水池中预先对剖面运动平台进行验证试验，一方面确保剖面运动平台实现运动方向切换的机构可靠，另一方面根据剖面运动平台在实验环境下得到的时间与姿态数据，确定剖面运动平台的位移、速度与加速度的关系，从而在布设之前预先将剖面运动平台调试到所需的理想状态。

Description

一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统及方法

技术领域

本发明涉及海洋监测设备领域，具体为一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

海洋学研究、海洋生产和工程建设应用中，需要对特定海域和深度的海水参数（如温度、盐度、深度和流速等）进行长期、定点、实时的垂直剖面测量。通常将所需的传感器搭载到剖面运动平台中，利用船舶携带浮标和剖面运动平台等设备将其布设在海域中，利用剖面运动平台在海水中的垂直运动，使得搭载传感器获得垂直剖面数据。

剖面运动平台所在的海洋环境复杂，在完成布设后难以在布设现场对剖面运动平台进行调试，以确定理想的剖面运动状态，因此难以确保其运动性能和稳定性。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明提供一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统及方法，在实验室的水池中预先对剖面运动平台进行验证试验，确保剖面运动平台实现运动方向切换的机构可靠，并根据剖面运动平台在实验环境下得到的时间与姿态数据，确定剖面运动平台的位移、速度与加速度的关系。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统，包括位于水池上方空间的行车平台，行车平台具有吊钩，吊钩上设有滑轮组，钢缆穿过滑轮组，一端依次连接位于水池中的剖面运动平台和配重块，另一端连接伺服电缸，剖面运动平台上设有陀螺仪和第一温盐深传感器，配重块上设有第二温盐深传感器；

通过伺服电缸带动钢缆运动模拟波浪带动浮标体的起伏，通过起伏运动期间剖面运动平台的加速度变化和位移变化，以及钢缆的位移变化，验证剖面运动平台浮力块数量、净浮力和上升速度三者间的关系，确定剖面运动平台在不同水深和不同方向运动时的响应特性。

伺服电缸的活动端与钢缆连接，固定端连接在水池平台上。

水池平台位于水池中间位置，并能够在水池池壁顶端所在的平面运动。

剖面运动平台位于水池中，顶端通过钢缆穿过滑轮组后与伺服电缸连接，底部通过钢缆连接配重块。

钢缆上设有上止动块和下止动块，剖面运动平台在上止动块和下止动块之间的区域运动。

配重块通过自身重力使钢缆张紧，配重块不接触水池池底。

伺服电缸用于模拟在海浪作用下，周期性的带动浮标体连同钢缆以设定的幅度实现起伏运动。

剖面运动平台上的陀螺仪和第一温盐深传感器，用于记录剖面运动平台的加速度变化和位移变化。

配重块上的第二温盐深传感器用于获取钢缆的位移变化。

本发明的第二个方面提供基于上述系统的实验方法，包括以下步骤：

组装实验系统，剖面运动平台置于水池中并切换至双向工作状态，保持配重块悬浮在水中；

逐步向剖面运动平台中加入浮力块，使剖面运动平台上升直到利用浮力能够撞击上止动块；

剖面运动平台切入单向运动模式，伺服缸带动钢缆做幅度从小到大逐渐增高，且沿垂直方向的起伏运动以模拟海面波浪，剖面运动平台向下运动直到底部撞击下止动块；

下止动块触发，剖面运动平台上浮，观察剖面运动平台上浮时撞击上制动块所需的浮力块的数量；

通过多次实验逐渐增加配重块和浮块的数量，改变剖面运动平台的浮力和重力之间的平衡关系，确保剖面运动平台的上升速度符合要求，并能够撞击上止动块，根据实验期间剖面运动平台的加速度变化数据和位移变化数据，以及钢缆的位移变化数据，确定剖面运动平台在不同水深和不同方向运动时的响应特性。

与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、在实验室的水池中预先对剖面运动平台进行验证试验，一方面确保剖面运动平台实现运动方向切换的机构可靠，另一方面根据剖面运动平台在实验环境下得到的时间与姿态数据，确定剖面运动平台的位移、速度与加速度的关系，从而在布设之前预先将剖面运动平台调试到所需的理想状态，提高布设作业期间的效率。

2、通过伺服电缸带动钢缆运动，并利用滑轮组改变方向来模拟波浪带动浮标体的起伏运动，通过起伏运动期间剖面运动平台的加速度变化和位移变化，以及钢缆的位移变化，验证剖面运动平台浮力块数量、净浮力和上升速度三者间的关系，剖面运动平台上升时动量和开关成功切换几率之间的关系，最优撞击速度和净浮力之间的关系，上升时速度和加速度、水阻之间的关系，下降时浪的运动周期和下降速度的关系。

3、通过实验系统确定剖面运动平台基于撞击实现运动模式切换的最小条件，最小工作浪高、剖面运动平台携带不同质量负载下最优的撞击速度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明一个或多个实施例提供的波浪驱动式剖面运动平台的实验系统的结构示意图；

图2是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击实现切换时的单剖面时间-位移关系示意图；

图3是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击实现切换时的单剖面时间-速度关系示意图；

图4是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击实现切换时的单剖面时间-加速度关系示意图；

图5是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击实现切换时的单剖面速度-位移关系示意图；

图6是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击实现切换时的单剖面加速度-速度关系示意图；

图7是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击刚好无法实现切换时的单剖面时间-位移关系示意图；

图8是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击刚好无法实现切换时的单剖面时间-速度关系示意图；

图9是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击刚好无法实现切换时的单剖面时间-加速度关系示意图；

图10是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击刚好无法实现切换时的单剖面速度-位移关系示意图；

图11是本发明一个或多个实施例提供的在剖面运动平台通过撞击刚好无法实现切换时的单剖面加速度-速度关系示意图。

图中：1行车平台，2吊钩，3滑轮组，4伺服电缸，5钢缆，6水池平台，7剖面运动平台，8配重块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

剖面运动平台在使用过程中位于海水中，顶部通过钢缆连接浮标体，浮标体一方面用于定位，另一方面用于在海面上获取所需的数据并接受来自于剖面运动平台上搭载传感器的数据，底部则通过钢缆连接重块，重块通过锚链连接锚块，配合剖面运动平台自身搭载的浮力块使剖面运动平台位于海水的设定深度区域中。运行时，剖面运动平台会沿着钢缆实现上升和下降两个方向的运动，通过在剖面运动平台上搭载传感器（常见为CTD温盐深传感器），在剖面运动平台上升或下降时获取一个完整剖面的数据。

正如背景技术中所描述的，剖面运动平台在布设时需要出海航行，成本较高，并且布设完毕后无法在布设地点现场对剖面运动平台的运动情况进行调试，因此以下实施例给出一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统及方法，在实验室的水池中预先对剖面运动平台进行验证试验，确保剖面运动平台实现运动方向切换的机构可靠，并根据剖面运动平台在实验环境下得到的时间与姿态数据，确定剖面运动平台的位移、速度与加速度的关系。

实施例一：

如图1所示，本实施例的目的是提供一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统，包括位于水池上方空间的行车平台1，行车平台1具有吊钩2，吊钩2上设有滑轮组3，钢缆5穿过滑轮组3一端依次连接位于水池中的剖面运动平台7和配重块8，另一端连接伺服电缸4，剖面运动平台7上设有陀螺仪和第一温盐深传感器，配重块8上设有第二温盐深传感器。

伺服电缸4的活动端与钢缆5连接，固定端连接在水池平台6上。

水池平台6位于水池中间位置，并能够在水池池壁顶端所在的平面运动。

剖面运动平台7位于水池中，顶端通过钢缆5穿过滑轮组3后与伺服电缸4连接，底部通过钢缆5连接配重块8，配重块8通过自身重力使钢缆5张紧，配重块8不接触水池池底。伺服电缸用于模拟在海浪作用下，周期性的带动浮标体连同钢缆以设定幅度起伏的运动。

剖面运动平台7上的陀螺仪和第一温盐深传感器，用于记录剖面运动平台7的加速度变化和位移变化；配重块8上的第二温盐深传感器用于获取5钢缆的位移变化。

剖面运动平台7的核心结构是可切换状态的凸轮组结构，包含多对凸轮，每一对凸轮位于上宽下窄的凸轮槽中；当每一对凸轮处于凸轮槽底端较窄的区域时，会夹紧钢缆，而凸轮是可以转动的，此时的剖面运动平台单向工作模式，钢缆相对于剖面运动平台只能向上抽动而无法向下滑动；当波浪袭来时，浮标体瞬间快速上浮，带动钢缆和配重块一起向上运动一段距离，而剖面运动平台由于惯性仍停在原处不动，当浮标体回落时，配重块在重力作用下将浮标体连同剖面运动平台通过钢缆整体向下拉动一段距离，从而在每一次波浪作用下，剖面运动平台向下步进一次。

当步进到达预设深度下限时，通过钢缆上的下止动块碰撞剖面运动平台，使凸轮组切换到凸轮槽顶端较宽的区域与钢缆不接触，此时切入双向工作模式，剖面运动平台利用自身的浮力匀速上浮。当到达预设深度上限时，钢缆上的上止动块撞击剖面运动平台，再次将其切换至单向运动状态，并开始下一个周期的剖面运动，如此循环往复。

需要注意，不同型号的剖面运动平台中，实现单双向运动状态切换的结构存在差异，目前大部分剖面运动平台会通过撞击的方式，使凸轮组实现单向或双向的切换。

本实施例中，通过伺服电缸带动钢缆运动，并利用滑轮组改变方向来模拟波浪带动浮标体的起伏运动。通过起伏运动期间剖面运动平台7上的陀螺仪和第一温盐深传感器，获取剖面运动平台7的加速度变化和位移变化；配重块8上的第二温盐深传感器获取5钢缆的位移变化，验证剖面运动平台浮力块数量、净浮力和上升速度三者间的关系，剖面运动平台上升时动量和开关成功切换几率之间的关系，最优撞击速度和净浮力之间的关系，上升时速度和加速度、水阻之间的关系，下降时浪的运动周期和下降速度的关系；同时也可探究通过撞击实现运动模式切换的最小条件，最小工作浪高、剖面运动平台携带不同质量负载下最优的撞击速度。

两个CTD（温盐深传感器）分别固定于配重块和剖面运动平台上，以至少6HZ的频率采集水深数据，通过后续计算，每个数据都带有时间戳，后续可对数据处理得到钢缆和剖面运动平台的速度。

陀螺仪为六轴加速度陀螺仪，得到的数据是时间、三轴加速度和三轴角速度数据，每秒不低于20Hz，经积分处理可得到剖面运动平台和钢缆的实时加速度和速度（不建议得到位移，因为长时间双重积分会使误差逐渐变大）。

陀螺仪经初始化后，对算法、安装方向、加速度、磁场、高度、Z轴角度进行校准，对时间进行校准，采样频率不得低于20Hz。

1）浮力块和其提供的浮力的关系；

剖面运动平台上搭载若干浮力块，在浮力块的材质确定后，测定浮力块的质量和排水体积，根据公式F浮=ρ液gV排，F浮-mg=F净，可以根据此关系得到浮力块和其提供的浮力之间的关系。

2）剖面运动平台净浮力和上升速度的关系；

将剖面运动平台整体配平后，逐渐往剖面运动平台中增加浮力块，记录每次增加的净浮力，可以在剖面运动平台中的CTD和六轴加速度陀螺仪中得到净浮力和上升速度的关系，只要加入浮力块的次数够多，即可得到详细的净浮力和上升速度的关系曲线。

3）剖面运动平台上升时动量和切换开关撞击力之间的关系；

根据经典力学的牛顿第二定律的微分形式，动量对时间的变化率等于力，物体动量的改变一定是受到力作用的结果。即：物体的冲量变化越大、发生这种变化所用的时间越短，物体所受的冲力就越大。所以在增加浮力块时可以根据净浮力的大小得到剖面运动平台上升时动量和切换运动状态所需撞击力之间的关系。

4）最优撞击速度和净浮力、质量之间的关系；

在确定剖面运动平台上升时动量和切换所需撞击力之间的关系后，可以根据上升时速度、净浮力、剖面运动平台整体的速度得到三者之间的关系。本实施例中，通过观察发现当质量一定的情况下，速度V~0.3-0.5m/s时，效果最优。随着质量的增加，最优速度会减小。

5）上升时速度和加速度、水阻之间的关系；

当剖面运动平台到达钢缆下止动块处撞击切换方向的位置时，在净浮力和水阻力的作用下，剖面运动平台整体会加速上升，直到加速度为零，剖面运动平台匀速上升至水面或设定深度。通过观察CTD和六轴加速度陀螺仪的数据，可以分别得到上升时的速度和加速度、水阻之间的关系，前者通过积分、后者通过微分，两者互相验证。

6）下降时浪的运动周期和下降速度的关系；

设定电缸参数，设定上升下降的速度和伸缩长度模拟海浪运动的周期和幅度，最终通过对比电缸设定的参数和六轴加速度陀螺仪的加速度、钢缆CTD的深度位移得到下降时浪的运动周期和下降速度的关系。

7）撞击切换的最小条件；

在实际试验运行中，撞击切换分为上升时通过速度撞击开和上升速度撞不开但通过海浪的运动撞击开两种情况，为了能使剖面运动平台能在海洋中能稳定运行，一般采用上升时通过速度撞击开条件进行净浮力配平，本实验系统可以通过观察剖面运动平台内部CTD和加速度陀螺仪判定当前实验条件是否达到撞击切换的最小条件。

8）最小工作浪高；

在模拟海浪袭来时，只有当钢缆和配重块这一整体的初始加速度a大于剖面运动平台的初始加速度a0时，升降平台才开始向下步进工作，在确定剖面运动平台的质量m，海水的密度，浮标的直径d，净浮力F_浮之后，就可以通过模拟浮标的运动状态，得到剖面运动平台的最小工作浪高。

实施例二：

基于实施例一中系统的实验方法，包括以下步骤：

（1）组装实验系统，将剖面运动平台放入水中并切换至双向工作状态，保持配重块悬浮在水中。

（2）向剖面运动平台中加入浮力块，使浮力等于重力，然后继续加入浮力块，使浮力略大于重力，不断测试，直到浮力可以撞开止动块，过程中可向下戳动剖面运动平台，确定大致的上浮速度。

（3）剖面运动平台切入单向运动模式，伺服缸带动钢缆做幅度从小到大逐渐增高，且垂向的上下运动，模拟海面波浪，此时剖面运动平台会一步步向下运动，直到底部碰触止动块；

（4）下止动块触发后，剖面运动平台上浮，观察剖面运动平台上浮时撞击上制动块所需的浮力块的数量。

（5）通过重复2 3 4步骤，逐渐增加配重块和浮块的数量，在试验中，为了模拟不同的水流速度和水深，对剖面运动平台进行了多组测试，通过不断加入配重块和浮力块来改变剖面运动平台的浮力和重力之间的平衡关系。在每次测试之前，还要对剖面运动平台进行调整和校准，以确保数据的准确性和可靠性。在调整浮力块的过程中，控制浮力和重力之间的差距，以确保剖面运动平台的上升速度符合要求，并保证其能够撞开上止动块。在测试过程中，还需要不断监测剖面运动平台的运动状态，记录下其运动轨迹和相关数据，以便进行后续的数据分析和处理。

通过试验对CTD和姿态传感器（指陀螺仪）的数据分析，可以得到时间与剖面运动深度的关系，从而确定剖面运动平台的位移，速度，加速度的关系。本实施例以剖面运动平台上升时能否通过撞击钢缆上的上制动块实现运动状态切换进行分析，综合所有实验数据，得到以下分析结果。

本实施例中的数据坐标轴向下为正，时间单位s，位移单位m，速度单位m/s，加速度单位m/s²。

以单剖面分析为例，剖面运动平台恰好能通过撞击钢缆上的上制动块实现运动状态切换（即刚好撞开切换开关）：

如图2所示，时间-位移关系。坐标向下为正，位移（57s-69s）5.43m，下降（43s-57s）用时14s，自由上升（57s-69s）用时12s，上升过程接近匀速，但出现部分抖动，观察时间速度关系发现是冲击性上升或下降，判断是由于波浪的作用，钢缆和剖面运动平台碰撞或摩擦造成的影响，因总体偏向匀速，故可以忽略不计。

如图3所示，时间-速度关系。上升位移（57s-69s）5.43m，上升到达匀速（57s-58s）的时间为1s，平均速度0.45m/s。

如图4所示，时间-加速度关系。上升时（57s-58s），加速度向上减速至0m/s²后基本趋于稳定，在加速度≈0处徘徊。69s时完成止动块的切换。

如图5所示，速度-位移关系。速度大于0，大部分点属于剖面运动平台下降时的点，基本符合模拟的波浪运动曲线；速度小于0，大部分点属于剖面运动平台上升时速度对位移的影响，速度基本集中在-0.45m/s左右。

如图6所示，加速度-速度关系。当加速度a=0时，上升速度基本在v=0.45m/s聚集。

以单剖面分析为例，剖面运动平台恰好不能通过撞击钢缆上的上制动块实现运动状态切换（即刚好撞不开切换开关）：

如图7所示，时间-位移关系。位移（20s-35s）5.05m，下降用时20s，自由上升用时14s，上升过程接近匀速，但出现部分抖动，观察时间速度关系发现是冲击性上升或下降，判断是由于波浪的作用，钢缆和剖面运动平台碰撞或摩擦造成的影响，因总体偏向匀速，故可以忽略不计。

如图8所示，时间-速度关系。上升位移5.06m，上升到达匀速的时间为1s，平均速度0.36m/s。

如图9所示，时间-加速度关系。上升时，加速度向上减速至0m/s2后基本趋于稳定，在加速度≈0处徘徊。34s时完成止动块的切换。

如图10所示，速度-位移关系。速度大于0，大部分点属于剖面运动平台下降时的点，基本符合人手模拟的波浪运动曲线；速度小于0，大部分点属于剖面运动平台上升时速度对位移的影响，速度基本集中在-0.36m/s左右。

图11所示，加速度-速度关系。当加速度a=0时，上升速度基本在v=0.36m/s聚集。

通过分析剖面运动平台在不同水深和不同方向运动时的响应特性，验证了剖面运动平台核心机构的运行性能，表明其在海洋环境中表现稳定，具有良好的运动响应能力。目前验证剖面运动平台最优上升速度为0.5m/s，但在实际应用中仍需继续优化和改进，找到更加精细的上升速度，以满足更高的要求。同时，在水下环境下，还需考虑水流、水压等因素对水下升降平台的影响，以确保其在实际工作中的准确性和稳定性。

根据试验结果，可以得出以下结论：

首先，剖面运动平台的浮力与上升速度、配重之间存在密切关系。通过加入浮力块和负载模拟配重砝码（配重块）的方式，可以控制剖面运动平台的浮力和重量，从而控制其上升和下沉速度。

其次，剖面运动平台的运动响应能力表现出较高的稳定性和准确性。在测试中，剖面运动平台的加速度、角度响应曲线均表现出良好的稳定性，可以满足在海洋环境中的运动响应要求。

然而，在实际应用中，仍需考虑多种因素对剖面运动平台的影响，如水流、水压等。这些因素会对剖面运动平台的运动响应产生不同程度的影响，因此需要进一步优化和改进，以满足更高的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统，其特征在于，包括位于水池上方空间的行车平台，行车平台具有吊钩，吊钩上设有滑轮组，钢缆穿过滑轮组，一端依次连接位于水池中的剖面运动平台和配重块，另一端连接伺服电缸；所述伺服电缸用于模拟在海浪作用下，周期性的带动浮标体连同钢缆以设定的幅度实现起伏运动；

剖面运动平台上设有陀螺仪和第一温盐深传感器，配重块上设有第二温盐深传感器；

通过起伏运动期间剖面运动平台的加速度变化和位移变化，以及钢缆的位移变化，验证剖面运动平台浮力块数量、净浮力和上升速度三者间的关系，确定剖面运动平台在不同水深和不同方向运动时的响应特性；

所述钢缆上设有上止动块和下止动块，剖面运动平台在上止动块和下止动块之间的区域运动；

所述剖面运动平台上的陀螺仪和第一温盐深传感器，用于记录剖面运动平台的加速度变化和位移变化；

所述配重块上的第二温盐深传感器用于获取钢缆的位移变化。

2.如权利要求1所述的一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统，其特征在于，所述伺服电缸的活动端与钢缆连接，固定端连接在水池平台上。

3.如权利要求2所述的一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统，其特征在于，所述水池平台位于水池中间位置，并能够在水池池壁顶端所在的平面运动。

4.如权利要求1所述的一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统，其特征在于，所述剖面运动平台位于水池中，顶端通过钢缆穿过滑轮组后与伺服电缸连接，底部通过钢缆连接配重块。

5.如权利要求4所述的一种波浪驱动式剖面运动平台的实验系统，其特征在于，所述配重块通过自身重力使钢缆张紧，配重块不接触水池池底。

6.基于权利要求1-5任一项所述波浪驱动式剖面运动平台的实验系统的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

组装实验系统，剖面运动平台置于水池中并切换至双向工作状态，保持配重块悬浮在水中；

逐步向剖面运动平台中加入浮力块，使剖面运动平台上升直到利用浮力能够撞击上止动块；

剖面运动平台切入单向运动模式，伺服缸带动钢缆做幅度从小到大逐渐增高，且沿垂直方向的起伏运动以模拟海面波浪，剖面运动平台向下运动直到底部撞击下止动块；

下止动块触发，剖面运动平台上浮，观察剖面运动平台上浮时撞击上止动块所需的浮力块的数量；

通过多次实验逐渐增加配重块和浮块的数量，改变剖面运动平台的浮力和重力之间的平衡关系，确保剖面运动平台的上升速度符合要求，并能够撞击上止动块，根据实验期间剖面运动平台的加速度变化数据和位移变化数据，以及钢缆的位移变化数据，确定剖面运动平台在不同水深和不同方向运动时的响应特性。