一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统及方法技术方案

一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，包括重力质量块，用于固定安装六自由度姿态传感器并放置于漂浮式载体平台上；六自由度姿态传感器，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机通讯连接；流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机通讯连接；计算机，用于接收六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号；信号处理模块，内置于计算机内用于对六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。本发明专利技术通过一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统间接测量漂浮式海流能机组载荷，测量系统结构简单，易于推广利用。

An on-line measurement system and method of floating current energy unit load

An on-line measurement system for the load of a floating current energy unit, including a gravity mass block, is used to fix and install a six degree of freedom attitude sensor and place it on the floating carrier platform; a six degree of freedom attitude sensor is used to measure the pitch angle and acceleration of the floating carrier platform and connect it with a computer for communication; a velocity sensor is used to measure the velocity of the current tide and connect it with a computer Communication connection; computer, used to receive the measurement signals of six degree of freedom attitude sensor and velocity sensor; signal processing module, built in the computer, used to calculate and process the measurement signals of six degree of freedom attitude sensor and velocity sensor to obtain axial thrust load and periodic load; human computer interaction interface, set in the computer for real-time display signal processing module Processed signal information. The invention indirectly measures the load of the floating type current energy unit through an online measuring system of the floating type current energy unit load. The measuring system has simple structure and is easy to popularize and use.

【技术实现步骤摘要】
一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统及方法
本专利技术属于海洋技术工程领域，涉及一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统及方法。
技术介绍
海流能是一种新兴的可再生能源，由于海流能的高可预测性和稳定性，具有良好的前景。漂浮式海流能发电平台是一种适用于海流能机组的基于多点系泊系统的新型机组支撑结构。海流能发电机组处于复杂的海洋环境中，工况恶劣。因此，大多数的海流能机组，都采用了高裕度设计，使得海流能机组的成本过高。海流能机组载荷的在线测量，可以为主动载荷控制技术提供可靠的信号来源，提高机组寿命；也可以根据测量数据，优化海流能机组设备，为设计提供宝贵的数据参考。参考风电领域的载荷测量方法，多采用应变片、压电陶瓷和光纤光栅等方法对叶片进行形变进行测量，从而得到机组载荷。但是，由于海洋环境的特殊性，装置的密封要求和测量信号的传输问题都使得海流能机组载荷的直接测量十分困难且成本高昂。因此，迄今为止，还不存在任何可靠的海流能载荷直接测量方法或者装置。例如，中国专利CN201310631787，公开了一种分离发电机组叶片载荷测量装置，包括至少三光纤光栅传感器阵列，以解调模块及一载荷数据处理模块。其特征在于应变传感器由玻璃纤维封装而成，且应变传感器大致呈片状。应变传感器通过表面粘贴的方式装设在风力发电机组叶片根部的内圆表面。该专利技术并不能满足高压水底环境下机组实时载荷测量的要求。例如，中国专利CN201410181040，公开了一种海上风机复合塔筒型基础沉放姿态实时监控方法，其特征在于将双轴倾角传感器与计算机连接起来，并放置在筒型基础上，将实时采集到的筒型基础的X轴和Y轴倾角数据传输到计算机。该专利技术没有信号处理能力，且不具有倾角和载荷对应关系的方法，不能满足漂浮式海流能机组的载荷实时测量的要求。
技术实现思路
本专利技术提供了一种能对海流能发电机组载荷进行测量、成本低、易于推广的漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统。本专利技术还提供了一种安全有效的漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法。本专利技术采用的技术方案是：一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：包括重力质量块，用于固定安装六自由度姿态传感器并放置于漂浮式载体平台上；六自由度姿态传感器，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机通讯连接；流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机通讯连接；计算机，用于接收六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号；信号处理模块，内置于计算机内用于对六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。本专利技术通过一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统间接测量漂浮式海流能机组载荷，测量系统结构简单，易于推广利用。进一步，所述重力质量块为底面粗糙的扁平结构，其上平面设置有安装六自由度姿态传感器的螺孔。本专利技术的重力质量块静止放置于漂浮式载体平台时与漂浮式载体平台是相对静止的状态，没有相对位移，从而保证六自由度姿态传感器测量的准确度。进一步，所述信号处理模块通过低通滤波器过滤高频信号得到稳态俯仰角信号，利用欧拉角坐标变化得到平台纵荡方向加速度，并通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度信号，再将处理得到的俯仰角信号和加速度信号，根据平台力学模型的参数计算轴向推力载荷和周期性载荷。进一步，所述六自由度姿态传感器的采样频率在10Hz以上，加速度精度在0.01m2/s以内，角度精度在0.01°以内，以满足对较高频率下平台响应的完整采样。进一步，所述六自由度姿态传感器和流速传感器与计算机之间均是通过串口或蓝牙通讯连接。进一步，所述重力质量块放置于漂浮式载体平台的中轴线上。一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，采用了上述的漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其步骤包括：(1)建立漂浮式载体平台的三维模型，通过软件仿真确定漂浮式载体平台惯性特性，并对漂浮式载体平台在不同推力载荷作用下的系泊系统的动态响应进行仿真分析，并得到与漂浮式载体平台转动刚度和位移刚度相关的载荷数学模型；(2)将漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统的六自由度姿态传感器放置于漂浮式载体平台的中轴线上，流速传感器放置于来潮方向的海水中；(3)在机组停机过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对漂浮式载体平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态；(4)在机组运行过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对平台的六自由度参数和实时流速进行测量，记录平台各流速下的平台姿态；(5)信号处理模块根据步骤(1)中的载荷数学模型分别计算机组的轴向推力载荷和周期性载荷。本专利技术是将漂浮式载体平台视作传感器系统的一部分，通过确定漂浮式载体平台的姿态参数和平台的力学模型，反演海流能机组的载荷，从而实现一种实际载荷的间接在线测量，载荷测量数据可用于实现两大功能：一是在线调控机组获能执行机构来保障海上漂浮平台整体的安全；二是离线提供机组、平台优化设计所需的实际载荷数据。进一步，漂浮式载体平台惯性特性的仿真确定过程如下：将所建立的漂浮式载体平台三维模型导入ANSYS-Workbench，并在Workbench-StaticStructural模块中，根据漂浮式载体平台实际吃水线，以及平台质量分布(包括集中质量和分布质量)，对三维结构进行质量调整使得模型吃水深度和平台实际的吃水线深度一致，并基于弱弹簧模型，得到结构的总质量、质心位置和转动惯量矩阵。本专利技术充分利用计算机强大的建模能力和数值仿真软件的强大计算能力，对平台特性进行再确定，即可不断根据仿真结果和具体平台的实际反馈数据，有针对性地调整优化仿真数学模型，保证仿真结果与实际参数的一致性。进一步，轴向推力载荷的计算过程如下：1)在机组停机过程中，平潮时测量获得漂浮式载体平台的初始倾角为α0；2)在机组停机过程中，来潮时测量获得浮式载体平台在相应流速下的停机倾角测量值，此时平台倾角偏移值β0为停机倾角测量值减去初始倾角α0；3)在机组运行过程中，来潮时测量获得浮式载体平台在相应流速下的运行倾角测量值，此时平台实际倾角γ0为运行倾角测量值减去初始倾角α0再减去同流速下的平台倾角偏移值β0；4)根据平台实际倾角γ0以及转动刚度和海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离，计算平台所受到的轴向推力载荷F，计算公式为：式中，K为转动刚度，d为海流能轮毂中心相对平台质心的竖直距离。进一步，周期性载荷的计算过程如下：I、对加速度信号进行欧拉角坐标变化，将测得的运动参考系x’y’z’中的加速度坐标变换得到静止坐标系xyz下的加速度：式中，x、y、z为静止坐标系下的传感器坐标，x’y’z’为运动坐标系中的传感器坐标；θx、θy、θz分别为绕x、y、z三轴的欧拉角，L为测量点离坐标原点的距离(质心)；在忽略小量的情况下，其加速度：II、通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度幅值a0，根据加速度幅值a0和周期性变化的推力幅值F0的关系：即可得到周期性推力载荷F0，其中ω为周期性载荷频率，M为平台质量，k为局部位移刚度。本专利技术的有益效果：1、本专利技术是将漂浮式载体平台视作传感器系统的一部分，通过确定漂浮式载体平台的姿态参数和平台的力学模型，反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：包括重力质量块，用于固定安装六自由度姿态传感器并放置于漂浮式载体平台上；六自由度姿态传感器，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机通讯连接；流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机通讯连接；计算机，用于接收六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号；信号处理模块，内置于计算机内用于对六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。

【技术特征摘要】
1.一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：包括重力质量块，用于固定安装六自由度姿态传感器并放置于漂浮式载体平台上；六自由度姿态传感器，用于测量漂浮式载体平台的俯仰角和加速度并与计算机通讯连接；流速传感器，用于测量海流潮的流速并与计算机通讯连接；计算机，用于接收六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号；信号处理模块，内置于计算机内用于对六自由度姿态传感器和流速传感器的测量信号进行计算处理得到轴向推力载荷和周期性载荷；人机交互界面，设于计算机用于实时展示信号处理模块处理后的信号信息。2.根据权利要求1所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述重力质量块为底面粗糙的扁平结构，其上平面设置有安装六自由度姿态传感器的螺孔。3.根据权利要求1或2所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述信号处理模块通过低通滤波器过滤高频信号得到稳态俯仰角信号，利用欧拉角坐标变化得到平台纵荡方向加速度，并通过带通滤波器过滤得到由周期性疲劳载荷引起的加速度信号，再将处理得到的俯仰角信号和加速度信号，根据平台力学模型的参数计算轴向推力载荷和周期性载荷。4.根据权利要求3所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述六自由度姿态传感器的采样频率在10Hz以上，加速度精度在0.01m2/s以内，角度精度在0.01°以内。5.根据权利要求4所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述六自由度姿态传感器和流速传感器与计算机之间均是通过串口或蓝牙通讯连接。6.根据权利要求5所述的一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其特征在于：所述重力质量块放置于漂浮式载体平台的中轴线上。7.一种漂浮式海流能机组载荷的在线测量方法，采用了权利要求1所述的漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统，其步骤包括：(1)建立漂浮式载体平台的三维模型，通过软件仿真确定漂浮式载体平台惯性特性，并对漂浮式载体平台在不同推力载荷作用下的系泊系统的动态响应进行仿真分析，并得到与漂浮式载体平台转动刚度和位移刚度相关的载荷数学模型；(2)将漂浮式海流能机组载荷的在线测量系统的六自由度姿态传感器放置于漂浮式载体平台的中轴线上，流速传感器放置于来潮方向的海水中；(3)在机组停机过程中，利用所述漂浮式海流能机组的在线测量系统对漂浮式载体平台的六...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，李阳健，刘宏伟，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33