船模水面位置实时监测实验的光学测试系统及方法与流程

本发明属于船舶模型及实船水面实验技术领域，涉及一种船模水面实验，具体涉及实验过程中船模实时坐标位置测量和航行首相角测量的一种光学测试系统及方法。

背景技术：

船舶在操纵运动试验中，船模(实船)在航行区域内所处位置的监测对船舶的实时操纵，航迹、航向的改变等有着重大作用。在以往的操纵性试验中，多数采用gps卫星定位系统对其定位,并能授时，测算船舶航向、航速、风流压差、从而进行导航。

gps卫星定位系统：整个系统由24颗卫星、船站、岸站组成。虽然gps技术不断革新，但是仍存在一些缺陷：

1.在室内使用信号弱，因此在水池实验室(非露天)内做实验受到限制；

2.现代城市发展迅猛，gps中的地图数据库更新滞后，一些地形的变化导致测量误差，因此对室外试验环境要求也较高。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术存在的问题和缺陷，提供一种船模水面位置实时监测实验的光学测试系统及方法。

本发明可测量船模在实验水池中运动的实时位置及航行艏向角。具有体积小，安装方便，简单实用，测量精度高，受外界磁场和温度变化干扰小，能够在室内或室外水池中高精度地进行船模操纵运动试验测试等优点，可实现船模水面试验的系统化。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种船模水面位置实时监测实验的光学测试系统，包括船模1，所述船模1的甲板中央安置有一用于调节水平的底座2，所述底座2上通过固定基座9安置有第一激光测距仪4-1至第三激光测距仪4-3，其中，所述第一激光测距仪4-1沿船模纵向，且垂直于船模中横剖面，所述第二激光测距仪4-2沿船模横向，且垂直船模中纵剖面，所述第三激光测距仪4-3分别与第一激光测距仪4-1和第二激光测距仪4-2成夹角为135°；所述第一激光测距仪4-1至第三激光测距仪4-3通过数据传输线5分别连通至电源6和用于数据采集和处理的计算机7；所述固定基座9通过螺栓8安装在可调底座2上，可调底座2上还安置有水平仪10。

进一步优选，所述底座2为设有4个螺栓孔的方形板状体。

进一步优选，所述底座2与所述船模1的连接采用可调螺栓3连接。

进一步优选，所述第一激光测距仪4-1至第三激光测距仪4-3均是波长为635.2μm的二级安全激光，量程为70m、测量精度为1mm、测量间隔为0.1s的激光测距仪。

进一步优选，所述计算机7内置有基于visualbasic语言编制的数据处理程序。

进一步优选，所述电源6为12v蓄电池。

一种船模水面位置实时监测实验的光学测试系统的测试方法，包括如下步骤：

步骤1、将安置有船模水面位置实时监测实验的光学测试系统的船模1放置到长为l、宽为b的水池中，调整所述底座2的水平度；

步骤2、开启电源6和计算机7；

步骤3、操控船模1在水池中航行，第一激光测距仪4-1至第三激光测距仪4-3测量船模1艏向角及在水池中的实时位置，由激光测距仪所测得的距离与水池壁的几何关系，即第一激光测距仪4-1、第二激光测距仪4-2和第三激光测距仪4-3所测得的距水池壁的距离值分别为l1、l2、l3，形成的艏向角θ1是线段l3与线段a的夹角；艏向角θ2线段l2与线段a的夹角；艏向角θ3是线段l1与线段b的夹角，是线段a与水池宽度b的夹角，利用如下公式计算得到：

其中α＝135°；

艏向角，

所以，船模到两个水池壁的距离b和c分别为：

b＝l1·cosθ3

c＝l2·cosθ3

(4)计算机(7)利用步骤(3)得到的结果操控船模航行。

本发明与现有gps定位方式和船模试验系统相比，具有以下优点：

1、本发明采用光学传感器即激光测距仪进行测量，可在室内进行试验，能够有效克服gps在室内信号较差从而导致的较大误差，有效避免环境干扰，同时，由于激光波长非常短，可使测量结果更为精准。

2、本发明可以测量船模在试验水池中的实时位置，便于船模控制航向，克服了传统gps定位系统在船模静止情况下无法给出航向的缺陷。

4、本发明中激光测距仪模块可以根据实际试验条件更换不同量程、不同参数的激光测距仪，实现即插即用。

5、本发明将船模(船舶)水面试验系统化，具有结构简单、安装快捷、操作方便、稳定性好、不受外界干扰、测量精度高等优点，具有良好的市场价值。

附图说明

图1是本发明的光学测试系统构造示意图；

图2是激光测距仪布置示意图；

图3是本发明实施例原理示意图。

图中：1—船模，2—可调底座，3—可调螺栓，4-1—第一激光测距仪，4-2—第二激光测距仪，4-3—第三激光测距仪，5—数据传输线，6—电池，7—计算机，8—螺钉，9—固定基座，10—水平仪。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至图2所示，为本发明的一种船模水面位置实时监测实验的光学测试系统，包括船模1，所述船模1的甲板中央采用可调螺栓3安置有一用于调节水平，四角处设有4个螺栓孔的方形板状体的底座2，所述底座2上通过固定基座9安置有型号为g1020107，波长为635.2μm的二级安全激光，量程为70m、测量精度为1mm、测量间隔为0.1s的第一激光测距仪4-1，第二激光测距仪4-2和第三激光测距仪4-3，其中，所述第一激光测距仪4-1沿船模纵向，且垂直于船模中横剖面固定安置，所述第二激光测距仪4-2沿船模横向，且垂直船模中纵剖面固定安置，所述第三激光测距仪4-3分别与第一激光测距仪4-1和第二激光测距仪4-2成夹角为135°固定安置；所述第一激光测距仪4-1至第三激光测距仪4-3通过数据传输线5分别连通至12v蓄电池电源6和用于数据采集和处理的内置有基于visualbasic语言编制的数据处理程序的计算机7；所述底座2上还安置有水平仪10。其中，第一激光测距仪4-1，第二激光测距仪4-2和第三激光测距仪4-33的数据输出端口为rs232接口，数据传输线5是rs232转usb转接线，数据传输线5的rs232端与激光测距仪连接、usb端与计算机7连接，数据通过rs232串口传输到计算机7。

本发明的一种船模水面位置实时监测实验的光学测试系统及测试方法流程：

1、在试验船模上安装激光测距模块：

首先在船模1甲板中央沿中纵剖面对称安装可调底座2，所述底座2四个顶角处设有螺孔，通过可调螺栓3固定在船模1甲板上。而后，把三个激光测距仪4-1,4-2,4-3装在固定基座9上，再通过螺钉8把固定基座9按照图2所示位置安装在所述底座2上。其中第一激光测距仪4-1及其固定基座沿船舶中纵剖面安装，其发出的激光束指向船艏方向；第二激光测距仪4-2与第一激光测距仪4-1安装在同一平面，沿船舶中横剖面布置，与第一激光测距仪4-1的夹角呈90°，所发出的激光束指向船舶外侧；第三激光测距仪4-3与第一激光测距仪4-1、第二激光测距仪4-2安装在同一平面固定底座2上，与第一激光测距仪4-1、第二激光测距仪4-2的夹角均135°，所发出的激光束指向船舶外侧。

按照图1所示，激光测距仪4-1,4-2,4-3通过数据传输线5连接电池6和岸上计算机7。

2、船模下水：

将安置有船模水面位置实时监测实验的光学测试系统的船模1放置到长为l、宽为b的水池中，通过可调螺栓3调整所述底座2的水平度，通过水平仪10来测量调整其水平度；调节完毕，开启电源6和岸上计算机7。

3、进行船模试验：

操控船模1在水池中航行，第一激光测距仪4-1至第三激光测距仪4-3测量船模1艏向角及在水池中的实时位置，由激光测距仪所测得的距离与水池壁的几何关系，即第一激光测距仪4-1、第二激光测距仪4-2和第三激光测距仪4-3所测得的距水池壁的距离值分别为l1、l2、l3，形成的艏向角θ1是线段l3与线段a的夹角；艏向角θ2线段l2与线段a的夹角；艏向角θ3是线段l1与线段b的夹角，是线段a与水池宽度b的夹角，如图3所示，利用如下公式计算得到：

其中α＝135°；

艏向角，

所以，船模到两个水池壁的距离b和c分别为：

b＝l1·cosθ3

c＝l2·cosθ3

4、数据采集处理：

将步骤(4)采集到的数据文件导入岸上计算机7中的数据处理程序中进行计算处理，把处理结果即船模1在水池中的位置坐标反馈给船舶操纵中心控制器单片机，单片机中设定的程序根据实时反馈的位置坐标，给出各种操纵指令，实现船舶的自主航行。