水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量方法，包括步骤：S1：建立面阵CCD的二维坐标系；S2：在静水状态下，测量激光测距传感器到面阵CCD的距离；S3：预设自航船模在水工物理模型上的航线；S4：使自航船模经过激光测距传感器的正下方，测量激光扫过的像元到激光测距传感器的竖直距离，并触发面阵CCD测量激光扫过像元的二维坐标；S5：利用测量得到的数据计算自航船模纵剖面的下沉量；本发明专利技术利用垂向激光测距传感器实时测量自航船模运动过程中的升沉变化，结合二维面阵CCD跟踪激光测点二维坐标的变化，将纵横倾姿态叠加作用下的自航船模升沉变化修正到自航船模纵剖面上，以计算得到自航船模实际下沉量。

【技术实现步骤摘要】
水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置及方法
本专利技术涉及自航船模下沉量监测
，具体涉及一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置及方法。
技术介绍
船舶在限制性航道中航行时，由于船体周围流场的压力和速度分布不均匀，导致船舶出现明显的下沉、纵倾和操纵性能变差，尤其是在高速航行时，船舶下沉现象更加明显，这已成为影响船舶航行安全的重要因素之一。自航船模试验能直观、真实地反映航道水流条件和边界条件对船舶通航的综合影响，自航船模下沉量是评估最小通航水深的关键参数。目前，通常采用在自航船模上贴直尺，采用抓拍后人工读数方式来进行下沉量测量，该方法仅能得到自航船模相对于周围水面的下沉量，而自航船模运动过程中周围水面也会发生下沉，因此该方法无法测量实际自航船模下沉量。目前也有采用信息技术进行测量，如王振府(王振府.角度传感器式自航船模升沉测量方法[J].船海工程,1997(3):51-54.)等提出了一种角度传感器器式自航船模下沉量测量方法，该方法要求自航船模上安装有导航杆，很多自航船模并不具有该条件，限制了该方法的应用范围。高峰等(高峰,郑宝友,谷汉斌.自航船模运动六分量的非接触式测试系统[J].水道港口,2004,25(1):48-50.)提出利用摄像机测量自航船模运动要素，由于摄像机存在畸变和透视问题，该方法只适用于测量固定标定位置处自航船模下沉量，而自航船模航行位置是不确定的，应用受限。船舶底部通常为一弧形，船舶纵剖面底部距河底最近，反映了航道最小富余水深，船舶下沉量的测量应以纵剖面处的下沉量为准。但纵剖面处的下沉量难以测量，通常是测量船身其它部位的下沉量，作为船舶下沉量。而在自航船模试验中，由于船体周围流体压力的不均匀性，导致自航船模运动过程中出现横倾，使得自航船模纵剖面左右两边的下沉量不一致。测量纵剖面以外区域的下沉量需要修正到纵剖面上，否则微小的偏转角度会导致下沉量换算到原型时发生大的误差。而现有方法中并没有解决这一关键问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置及方法，利用垂向激光测距传感器实时测量自航船模运动过程中的升沉变化，结合二维面阵CCD，跟踪激光测点二维坐标的变化，将纵横倾姿态叠加作用下的自航船模升沉变化修正到自航船模纵剖面上，以计算得到自航船模实际下沉量，本装置对自航船模姿态适应性强，且精度高。本专利技术提供一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置，包括自航船模、面阵CCD、激光测距传感器、通信模块和上位机；所述自航船模为具备遥控自航功能的水工物理模型试验船模；所述面阵CCD设置于自航船模的上表面，所述面阵CCD所在平面既垂直于自航船模纵剖面又垂直自航船模的中横剖面；所述面阵CCD长度方向的中轴线位于自航船模纵剖面所在平面上；所述激光测距传感器设置于自航船模预设的在水工物理模型上的航迹线的正上方，所述自航船模可从激光测距传感器可从激光测距传感器的正下方航行通过；所述激光测距传感器的激光出射方向垂直于水工物理模型的静水水平面；所述激光测距传感器，用于测量经过激光测距传感器正下方的面阵CCD上的像元到激光测距传感器的竖直距离，且用于触发面阵CCD测量经过激光测距传感器正下方的像元的二维坐标；所述激光测距传感器通过通信模块与上位机连接，用于将测量得到面阵CCD上的各像元的竖直距离发送给上位机；所述面阵CCD通过通信模块与上位机连接，用于将测量得到面阵CCD上的各像元的二维坐标发送给上位机；所述上位机，用于根据测量得到的面阵CCD上的各像元到激光测距传感器的竖直距离和二维坐标计算自航船模纵剖面的实际下沉量。进一步，所述通信模块为无线通信模块。相应地，本专利技术还提供一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量方法，包括步骤：S1：建立面阵CCD的二维坐标系：在自航船模正方向上，以面阵CCD右后点为原点，以面阵CCD后边沿线为横轴，以面阵CCD右侧边沿线指向面阵CCD左侧边沿线的方向为横轴的正方向，以面阵CCD右侧边沿线为纵轴，以自航船模船头指向船尾的方向为纵轴的正方向，建立面阵CCD的二维坐标系；其中，所述自航船模正方向为自航船模船头指向自航船模船尾且平行于自航船模长度方向的方向；S2：在水工物理模型静水状态下，通过激光测距传感器测量得到面阵CCD所在平面到激光测距传感器的距离为h0；S3：预设自航船模在水工物理模型上的航线；S4：使自航船模沿预设航线在水工物理模型上航行并经过激光测距传感器正下方，激光测距传感器发射激光依次扫过面阵CCD上一组像元，测量得到这一组像元到激光测距传感器的竖直距离hi，并触发面阵CCD测量获得这一组像元的二维坐标(xi，yi)，其中，hi表示面阵CCD上第i个经过激光测距传感器正下方的像元到激光测距传感器的竖直距离，，xi和yi分别表示面阵CCD上第i个经过激光测距传感器正下方的像元在面阵CCD的横坐标和纵坐标，i＝1,2，…，N；N表示激光扫过的面阵CCD的总像元数量；S5：上位机接收h0、(xi，yi)和hi，并根据h0、(xi，yi)和hi计算自航船模纵剖面的实际下沉量。进一步，所述步骤S5包括计算自航船模船头纵剖面处的实际下沉量和自航船模船尾纵剖面处的实际下沉量；所述自航船模船头纵剖面处的实际下沉量的计算公式为：其中，Δh1表示自航船模船头纵剖面处的实际下沉量，h1表示面阵CCD上第1个经过激光测距传感器正下方的像元到激光测距传感器的竖直距离；h0表示在静水状态下，面阵CCD所在平面到激光测距传感器的距离；x1表示在面阵CCD上第1个经过激光测距传感器正下方的像元的横坐标；Lx表示面阵CCD的宽度尺寸；β表示自航船模航行运动过程中的横倾角；所述自航船模船尾纵剖面处的实际下沉量的计算公式为：其中，ΔhN表示自航船模船尾纵剖面处的实际下沉量，hN表示面阵CCD上第N个经过激光测距传感器正下方的像元到激光测距传感器的竖直距离；xN表示在面阵CCD上第N个经过激光测距传感器正下方的像元的横坐标。进一步，所述β的计算公式为：其中，hN表示面阵CCD上第N个经过激光测距传感器正下方的像元到激光测距传感器的竖直距离；xN表示在面阵CCD上第N个经过激光测距传感器正下方的像元的横坐标，h1表示面阵CCD上第1个经过激光测距传感器正下方的像元到激光测距传感器的竖直距离；h0表示静水状态下面阵CCD所在平面到激光测距传感器的距离；x1表示在面阵CCD上第1个经过激光测距传感器正下方的像元的横坐标。本专利技术的有益效果：本专利技术利用垂向激光测距传感器实时测量自航船模运动过程中的升沉变化，结合二维面阵CCD，跟踪激光测点二维坐标的变化，将纵横倾姿态叠加作用下的自航船模升沉变化修正到自航船模纵剖面上，以计算得到自航船模实际下沉量，本装置对自航船模姿态适应性强，且精度高。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步描述：图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的方法流程图；图3为水工物理模型静水状态下面阵CCD的二维坐标系的示意图；图4为自航船模发生倾斜的情况下面阵CCD的二维坐标系的示意图。具体实施方式如图1所示，本专利技术提供的一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置，包括自航船模、面阵CCD、激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置，其特征在于：包括自航船模、面阵CCD、激光测距传感器、通信模块和上位机；所述自航船模为具备遥控自航功能的水工物理模型试验自航船模；所述面阵CCD设置于自航船模的上表面，所述面阵CCD所在平面既垂直于自航船模纵剖面，又垂直自航船模的中横剖面；所述面阵CCD长度方向的中轴线位于自航船模纵剖面所在平面上；所述激光测距传感器设置于自航船模预设的在水工物理模型上的航迹线的正上方，所述自航船模可从激光测距传感器可从激光测距传感器的正下方航行通过；所述激光测距传感器的激光出射方向垂直于水工物理模型的静水水平面；所述激光测距传感器，用于测量经过激光测距传感器正下方的面阵CCD上的像元到激光测距传感器的竖直距离，且用于触发面阵CCD测量经过激光测距传感器正下方的像元的二维坐标；所述激光测距传感器通过通信模块与上位机连接，用于将测量得到面阵CCD上的各像元的竖直距离发送给上位机；所述面阵CCD通过通信模块与上位机连接，用于将测量得到面阵CCD上的各像元的二维坐标发送给上位机；所述上位机，用于根据测量得到的面阵CCD上的各像元到激光测距传感器的竖直距离和二维坐标计算自航船模纵剖面的实际下沉量。...

【技术特征摘要】
1.一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量装置，其特征在于：包括自航船模、面阵CCD、激光测距传感器、通信模块和上位机；所述自航船模为具备遥控自航功能的水工物理模型试验自航船模；所述面阵CCD设置于自航船模的上表面，所述面阵CCD所在平面既垂直于自航船模纵剖面，又垂直自航船模的中横剖面；所述面阵CCD长度方向的中轴线位于自航船模纵剖面所在平面上；所述激光测距传感器设置于自航船模预设的在水工物理模型上的航迹线的正上方，所述自航船模可从激光测距传感器可从激光测距传感器的正下方航行通过；所述激光测距传感器的激光出射方向垂直于水工物理模型的静水水平面；所述激光测距传感器，用于测量经过激光测距传感器正下方的面阵CCD上的像元到激光测距传感器的竖直距离，且用于触发面阵CCD测量经过激光测距传感器正下方的像元的二维坐标；所述激光测距传感器通过通信模块与上位机连接，用于将测量得到面阵CCD上的各像元的竖直距离发送给上位机；所述面阵CCD通过通信模块与上位机连接，用于将测量得到面阵CCD上的各像元的二维坐标发送给上位机；所述上位机，用于根据测量得到的面阵CCD上的各像元到激光测距传感器的竖直距离和二维坐标计算自航船模纵剖面的实际下沉量。2.根据权利要求1所述水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量方法，其特征在于：所述通信模块为无线通信模块。3.一种水工物理模型试验自航船模纵剖面下沉量的测量方法，其特征在于：包括步骤：S1：建立面阵CCD的二维坐标系：在自航船模正方向上，以面阵CCD右后点为原点，以面阵CCD后边沿线为横轴，以面阵CCD右侧边沿线指向面阵CCD左侧边沿线的方向为横轴的正方向，以面阵CCD右侧边沿线为纵轴，以自航船模船头指向船尾的方向为纵轴的正方向，建立面阵CCD的二维坐标系；其中，所述自航船模正方向为自航船模船头指向自航船模船尾且平行于自航船模长度方向的方向；S2：在水工物理模型静水状态下，通过激光测距传感器测量得到面阵CCD所在平面到激光测距传感器的距离为h0；S3：预设自航船模在水工物理模型上的航线；S4：使自航船模沿预设航线在水工物理模型上航行并经过激光测距传...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘亚辉，吴俊，舒岳阶，马希钦，周远航，傅志芳，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50