一种六自由度相对运动测量系统的制作方法

1.本发明涉及船舶及海洋工程技术领域，尤其是一种六自由度相对运动测量系统。


背景技术：

2.船舶运动是船舶航行性能的直接反映，通常通过按一定等效关系设计的船模模型试验开展对实际航行环境中的船舶运动进行测试，进而推断/预报出实船的运动性能。模型试验中，从船模的六自由度运动船模试验中获得重要的测试量，如船模航行中的姿态测量、船模/海洋工程平台在波浪中的运动测量、两船补给过程中相对运动测量等。
3.船模试验六自由度运动通常采用适航仪等大型试验装置进行测量，该装置通过编码器测量适航仪和船模连接处的角度运动；通过随动系统跟踪船模的线运动，从而测量获得船模的相对位移。适航仪属于大型精密测试设备，安装、保养维护复杂繁琐。近年来随着光学测量技术的发展，通过多目光学测量和图像辨识的方法获取船模六自由度运动也得到了成功的应用，通过分析安装在船模上的特征靶标在岸基光学成像镜头中的图像特征，确定船模在镜头坐标系中的六自由度运动姿态。光学测量系统具有精度高等优点，但设备成本高昂，复杂繁琐的标定给试验使用带来了不便。


技术实现要素：

4.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种六自由度相对运动测量系统，该系统小型紧凑、实施简单，通过更换不同量程的拉线式传感器，以满足不同测量范围的六自由度相对运动测试需求。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种六自由度运动测量系统，包括测量基座组件、顶部安装组件、数据采集模组和控制器，测量基座组件安装在第一被测物体上，顶部安装组件安装在第二被测物体上，第一被测物体和第二被测物体做相对运动；
7.测量基座组件包括三个拉线式传感器和第一姿态传感器，三个拉线式传感器的移动端固定在顶部安装组件的参考点处，顶部安装组件包括第二姿态传感器；数据采集模组与三个拉线式传感器相连，控制器分别与第一姿态传感器、第二姿态传感器和数据采集模组相连；控制器用于根据拉线长度计算第一、第二被测物体之间的相对位置，还用于根据姿态角之差得到第一、第二被测物体之间的相对转角，相对位置和相对转角为参考点在第一被测物体坐标系中的六自由度相对运动测量值。
8.其进一步的技术方案为，控制器用于根据拉线长度计算第一、第二被测物体之间的相对位置，包括：
9.已知三个拉线式传感器的安装点在第一被测物体坐标系中的坐标；在当前采样时刻，获取三个拉线式传感器的拉绳伸出的长度作为拉线长度，拉线长度为顶部安装组件的参考点到相应拉线式传感器安装处的距离，以及获取参考点上一采样时刻的坐标；
10.根据参考点和拉线式传感器的坐标计算两者之间的距离，并结合每个拉线长度计
算拉线式传感器的误差，构建偏差矩阵，表达式为：
[0011][0012]
其中，e
(t)
为t采样时刻的偏差矩阵，e
i(t)
为第i个拉线式传感器的误差，(x
(t-1)
,y
(t-1)
,z
(t-1)
)为t-1采样时刻的参考点坐标，(xi,yi,zi)为第i个拉线式传感器的坐标，为t采样时刻的第i个拉线式传感器的拉线长度，i＝1,2,3；
[0013]
采用梯度下降法求解使偏差矩阵满足式(2)的解，表达式为：
[0014]e(t)
＝[0 0 0]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]
该解为在当前采样时刻时参考点在第一被测物体坐标系中的坐标，作为第一、第二被测物体之间的相对位置。
[0016]
其进一步的技术方案为，采用梯度下降法求解使偏差矩阵满足式(2)的解，包括，在t采样时刻的第k次迭代过程中：
[0017]
将第k-1次迭代得到的参考点的修正坐标代入式(3)计算偏差矩阵的值，表达式为：
[0018][0019]
计算偏差矩阵的梯度，表达式为：
[0020][0021]
其中，符号表示定义的意思；
[0022]
根据梯度下降法的原理计算参考点坐标的修正量，表达式为：
[0023][0024]
基于坐标修正量和第k-1次迭代的参考点的修正坐标，得到第k次迭代的参考点的修正坐标，表达式为：
[0025][0026]
将第k次迭代的参考点的修正坐标代入式(3)重新计算第i个拉线式传感器的误差，若误差之和小于指定值，则计算得到的修正坐标满足指定精度要求，并将其作为t采样时刻的第一、第二被测物体之间的相对位置输出；否则，令k＝k+1，并重新执行将第k-1次迭代得到的参考点的修正坐标代入式(3)计算偏差矩阵的值；
[0027]
其中，指定值的选取根据使用场合和精度需求来确定。
[0028]
其进一步的技术方案为，对于每一个采样时刻，在第一次迭代时所用的参考点的修正坐标为上一采样时刻输出的参考点的修正坐标；
[0029]
对于第一个采样时刻，设在第一次迭代时所用的参考点的修正坐标的初始值为：其中
[0030]
其进一步的技术方案为，还用于根据姿态角之差得到第一、第二被测物体之间的相对转角，包括，在当前采样时刻：
[0031]
获取第一姿态传感器输出的测量基座组件在大地坐标系中的第一姿态角，获取第二姿态传感器输出的参考点在大地坐标系中的第二姿态角，基于第二、第一姿态角之差得到参考点在第一被测物体坐标系中的转角，表达式为：
[0032][0033]
其中，θ,ψ)分别为绕第一被测物体坐标系x-y-z的三个转角，θ0,ψ0)为第一姿态角，θ1,ψ1)为第二姿态角；
[0034]
将参考点在第一被测物体坐标系中的转角作为第一、第二被测物体之间的相对转角输出。
[0035]
其进一步的技术方案为，测量基座组件还包括牵引缆及带有支架的底盘；三个拉线式传感器和第一姿态传感器固定在底盘上；牵引缆的一端连接支架，另一端穿过顶部安装组件系在第二被测物体的吊放装置上，吊放装置用于将底盘放置在第一被测物体的平坦位置处，将底盘的坐标系作为第一被测物体坐标系，拉线式传感器在第一被测物体坐标系中的坐标已知。
[0036]
其进一步的技术方案为，通过更换不同量程的拉线式传感器以满足不同测量范围的六自由度相对运动测试需求。
[0037]
其进一步的技术方案为，顶部安装组件还包括导缆装置和安装板，第二姿态传感器固定在安装板的一侧，安装板的另一侧固定在第二被测物体上，在第二姿态传感器上取一点作为参考点，用于固定三个拉线式传感器的移动端；安装板上开设有穿缆孔，导缆装置围绕穿缆孔设置，导缆装置包括装有轴承的滚轴以及支撑座，滚轴两端通过支撑座架在穿缆孔的边上，牵引缆的另一端穿过穿缆孔时，牵引缆在穿缆孔处与导缆装置的滚轴相接触。
[0038]
本发明的有益技术效果是：
[0039]
本系统较现有用于船模试验的位置测量系统而言，成本低廉、实施简单，根据拉线长度计算第一、第二被测物体之间的相对位置，根据姿态角之差得到第一、第二被测物体之间的相对转角，从而获得参考点在第一被测物体坐标系中的六自由度相对运动测量值；通过更换不同量程的拉线式传感器，满足不同测量范围的六自由度相对运动测试需求；该系统除了适用于水池船模试验中相对运动的测量，还应用于其他需要测量相对位置及姿态的场合。
附图说明
[0040]
图1是本技术提供的六自由度相对运动测量系统的结构原理图。
[0041]
图2是本技术提供的顶部安装组件的结构原理图。
[0042]
图3是本技术提供的六自由度相对运动测量系统的电气控制原理图。
[0043]
图4是本技术提供的顶部参考点与拉线式传感器固定点之间的空间关系。
[0044]
其中：1、顶部安装组件；2、拉线式传感器；3、第一姿态传感器；4、牵引缆；5、底盘支架；6、底盘；7、第二姿态传感器；8、导缆装置；9、安装板；10、穿缆孔；11、滚轴；12、支撑座；13、数据采集模组；14、可编程逻辑控制器(plc)。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0046]
本技术提供了一种六自由度相对运动测量系统，其结构原理图如图1所示，包括测量基座组件、顶部安装组件1、数据采集模组和控制器。其中，测量基座组件安装在第一被测物体上，顶部安装组件1安装在第二被测物体上，第一被测物体和第二被测物体做相对运动。
[0047]
可选的，第一被测物体可以为船模，第二被测物体可以为拖车或另一船模，本实施例以第二被测物体为拖车进行说明。
[0048]
测量基座组件包括三个拉线式传感器2、第一姿态传感器3、牵引缆4及带有支架5的底盘6。三个拉线式传感器2和第一姿态传感器3固定在底盘6上，可选的，考虑计算精度，在底盘6允许范围内三个拉线式传感器2应尽量分散布置。三个拉线式传感器2的移动端固定在顶部安装组件1的参考点处，拉线式传感器2用于测量顶部安装组件的参考点到相应拉线式传感器安装点的距离，将其拉绳伸出的长度作为拉线长度；第一姿态传感器3用于测量底盘6在大地坐标系中的第一姿态角。牵引缆4的一端连接支架5，另一端穿过顶部安装组件1系在第二被测物体的吊放装置上，吊放装置用于将底盘放置在第一被测物体的平坦位置处。可选的，本实施例的吊放装置为拖车上的绞车，因此牵引缆4的另一端穿过顶部安装组件1系在绞车的圆盘上。将底盘6的坐标系作为第一被测物体坐标系，因此固定三个拉线式传感器2的位置时，其在第一被测物体坐标系中的坐标已知。
[0049]
可选的，通过更换不同量程的拉线式传感器以满足不同测量范围的六自由度相对运动测试需求。
[0050]
可选的，第一、第二姿态传感器采用mems姿态传感器。
[0051]
结合图2所示，顶部安装组件1包括第二姿态传感器7、导缆装置8和安装板9。第二姿态传感器7固定在安装板9的一侧，用于测量安装板9在大地坐标系中的第二姿态角。安装板9的另一侧固定在第二被测物体上。在第二姿态传感器7上取一点作为参考点，用于固定三个拉线式传感器2的移动端。安装板9上开设有穿缆孔10，导缆装置8围绕穿缆孔10设置，导缆装置8包括装有轴承的滚轴11以及支撑座12，滚轴11两端通过支撑座12架在穿缆孔10的边上，牵引缆4的另一端穿过穿缆孔10时，牵引缆4在穿缆孔处与导缆装置8的滚轴相11接触，避免测量基座组件起吊布放过程中牵引缆4和穿缆孔10之间产生滑动摩擦，引起磨损。
[0052]
可选的，在本实施例中，导缆装置8搭载在安装板9的一侧，围绕穿缆孔10设置成井字形，穿缆孔10可开得稍大，避免牵引缆4和安装板9擦碰。
[0053]
如图3所示，数据采集模组13与三个拉线式传感器2相连，用于将拉线式传感器2输出的模拟量转换成数字量，控制器14分别与第一姿态传感器3、第二姿态传感器7和数据采
集模组13相连，用于根据拉线长度计算第一、第二被测物体之间的相对位置，还用于根据姿态角之差得到第一、第二被测物体之间的相对转角，相对位置和相对转角为参考点在第一被测物体坐标系中的六自由度相对运动测量值。可选的，本实施例的控制器采用plc。
[0054]
本系统的具体工作过程如下：
[0055]
根据测量量程，选取量程合适的拉线式传感器，在第二被测物体上安装好顶部安装组件后，通过牵引缆将测量基座组件吊放在第一被测物体上，放松牵引缆使其在相对运动测量过程中不会影响拉线式传感器的拉线伸缩，进行电气连接，数据采集模块采集拉线式传感器的输出传递给plc，同时plc通过485通讯获得第一、第二姿态传感器的输出，通过运动解算获得拖车和船模之间的相对运动测量值。
[0056]
其中，运动解算算法具体如下：
[0057]
《1》如图4所示，已知三个拉线式传感器的安装点p1、p2、p3在第一被测物体坐标系中的坐标，分别记为p1(x1,y1,z1)、p2(x2,y2,z2)、p3(x3,y3,z3)，设待求参考点p在第一被测物体坐标系中的坐标为p(x,y,z)。
[0058]
在当前采样时刻，获取三个拉线式传感器的拉线长度以及参考点上一采样时刻的坐标。根据参考点和拉线式传感器的坐标计算两者之间的距离，并结合每个拉线长度计算拉线式传感器的误差，构建偏差矩阵，表达式为：
[0059][0060]
其中，e
(t)
为t采样时刻的偏差矩阵，e
i(t)
为第i个拉线式传感器的误差，(x
(t-1)
,y
(t-1)
,z
(t-1)
)为t-1采样时刻的参考点坐标，(xi,yi,zi)为第i个拉线式传感器的坐标，为t采样时刻的第i个拉线式传感器的拉线长度，i＝1,2,3。
[0061]
采用梯度下降法求解使偏差矩阵满足式(2)的解，表达式为：
[0062]e(t)
＝[0 0 0]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0063]
该解为在当前采样时刻时参考点在第一被测物体坐标系中的坐标，作为第一、第二被测物体之间的相对位置。
[0064]
采用梯度下降法对式(2)表达的多元非线性方程组进行数值求解，具体步骤如下：
[0065]
1)对于第一个采样时刻，设在第一次迭代时所用的参考点的修正坐标的初始值为：
[0066]
由于方程组存在两组解，需通过符号判别确定其有效解，通过设置合理的初始值，使迭代收敛于有效解。为此传感器安装点布置在x-o-y平面内(或附近)，定义z轴向上，则有效解的z》0，因此初始值中的
[0067]
则在t采样时刻的第k次迭代过程中：
[0068]
2)将第k-1次迭代得到的参考点的修正坐标代入式(3)计算偏差矩阵的值，表达式为：
[0069][0070]
其中，对于每一个采样时刻，在第一次迭代时所用的参考点的修正坐标为上一采样时刻输出的参考点的修正坐标。
[0071]
3)计算偏差矩阵的梯度，表达式为：
[0072][0073]
其中，符号表示定义的意思。
[0074]
4)根据梯度下降法的原理计算参考点坐标的修正量，表达式为：
[0075][0076]
5)基于坐标修正量和第k-1次迭代的参考点的修正坐标，得到第k次迭代的参考点的修正坐标，表达式为：
[0077][0078]
6)迭代结束判断：将第k次迭代的参考点的修正坐标代入式(3)重新计算第i个拉线式传感器的误差，若满足式(7)，则计算得到的修正坐标满足指定精度要求，并将其作为t采样时刻的第一、第二被测物体之间的相对位置输出；否则，令k＝k+1，并重新执行步骤2)-6)的迭代计算。
[0079][0080]
其中，指定值的选取根据实际使用情况，如实时性要求或精度要求进行选取，该值较大时，迭代次数较少，计算时间短，实时性好，但精度稍低；较小时，则反之，精度高，但实时性稍差。实际使用中，如拉线式传感器的分辨率为1mm，则指定值取10-20范围内的值，具体取值根据使用场合和精度需求来确定。
[0081]
至此，完成了当前采样时刻(t时刻)参考点p在第一被测物体坐标系中的位置解算，得到第一、第二被测物体之间的相对位置。使用t+1采样时刻测得的拉线式传感器输出的代入步骤2)中重新开始迭代计算得到下一采样时刻(t+1时刻)的相对位置(假设经p次迭代后满足式7的迭代结束判断准则)。
[0082]
《2》在当前采样时刻，获取第一、第二姿态传感器输出的第一姿态角和第二姿态角，基于第二、第一姿态角之差得到参考点在第一被测物体坐标系中的转角，表达式为：
[0083][0084]
其中，θ,ψ)分别为绕第一被测物体坐标系x-y-z的三个转角，θ0,ψ0)为第一姿态角，θ1,ψ1)为第二姿态角。
[0085]
将参考点在第一被测物体坐标系中的转角作为第一、第二被测物体之间的相对转角输出。
[0086]
至此通过式(6)和式(8)解算获得第一、第二被测物体之间的相对运动测量值。
[0087]
本系统成本低、使用方法简单，通过更换拉线式传感器的量程满足试验测试中对相对位移测试范围的需求，由于拉线式传感器引入了一定量的干扰力，因此不适用于沿拉线方向第一被测物体本身受力较小的场合。在船模试验中如拉线方向为船模垂向，此时船模浮力(或重力)远大于拉线张力，此时拉线式传感器引入的干扰力可以忽略。本系统能够精确快速地获取船模和拖车之间的六自由度相对运动测量值，实现对试验过程中船模运动位置及姿态的实时测量。
[0088]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明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，均应认为包含在本发明的保护范围之内。