一种基于系缆力计算浮式结构物运动量的方法与流程

本发明涉及测量领域，特别涉及一种基于系缆力计算浮式结构物运动量的方法。

背景技术：

在工程设计和科学研究过程中，时常会遇到测量物体的运动量，尤其在海洋、港口和船舶模型试验中，精确的测量物体的六自由度是工程设计和科研的前提和基础。

目前船模实验的主要测量仪器有陀螺仪、适航仪等设备，其工作原理是通过惯性元件测量物体的加速度，加速度对时间两次积分得到物体的运动量，其缺点是误差会随着时间积累，产生位置漂移。

大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室于2001年12月开发设计了接触式六分量测试系统，利用位移和角度传感器测出相应信号，解耦分析求出六个变化量，它携带方便，安装使用方便，但因传感器的自重，安装及固定等因素束缚，测量精度不高。

数字图像技术的成熟促进了非接触式测量技术的发展与应用，该方法要求在被测试物体上放置标志点，使用ccd摄像机对标志点的图像进行采集，然后将采集到的图像信息进行处理得到六分量，如ndi、axios3d，该方法克服了接触式测量系统的缺点，并且安装方便，精度较高，所以此方法目前应用较为广泛，但是，如若是对于完全浸没在水中的结构物，如悬浮隧道，对摄像系统的防水性要求较高，极大地增加了造价。

另外，还有通过压电式震动速度传感器测量悬浮隧道的运动速度，然后对时间积分得到悬浮隧道的位移；对sft在稳定流场中振动响应的二维模型试验研究，实验中，通过记录固定在悬浮隧道两端圆盘上八个点的运动来描述悬浮隧道的运动；上述方法较为复杂，应用条件有较大限制，只能测得部分运动分量，悬浮隧道的运动不能实时的呈现出来，并且精度较低。

基于上述，现有对于完全浸没在水中的结构物的运动量的测量方法，要么误差随着时间积累增大，要么测量精度较低，要么采用的设备昂贵、不便操作，亟需解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的对于完全浸没在水中的结构物的运动量的测量方法，要么误差随着时间积累增大，要么测量精度较低，要么采用的设备昂贵、不便操作的上述不足，提供一种基于系缆力计算浮式结构物运动量的方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种基于系缆力计算浮式结构物运动量的方法，

包括获取浮式结构物缆绳的系缆点的位置量和锚固点的位置量的步骤；

包括测量所述缆绳的系缆力，根据所述系缆力获取所述系缆点到对应所述锚固点距离变化量的步骤；

包括根据所述锚固点的位置量、所述系缆点的位置量和所述距离变化量求解所述结构物的运动量的步骤。

其中，所述结构物包括水中悬浮结构物或者水面漂浮结构物，所述系缆点至少为一个。

优选地，该方法包括以下步骤：

a、以初始时刻的所述结构物上的任一点为原点建立三维直角坐标系；

b、在所述坐标系中建立所述结构物上系缆点的初始坐标、所述系缆点的任意时刻空间坐标和缆绳的锚固点坐标；

c、根据所述初始坐标和所述任意时刻空间坐标建立每个所述系缆点与所述结构物六个运动分量的关系式组一；

d、根据所述初始坐标和所述任意时刻空间坐标建立每两个所述系缆点位置的关系式组二；

e、测量所述缆绳的系缆力，根据已知所述缆绳的受力变形曲线，建立每个所述系缆点到对应所述锚固点距离的关系式组三；

f、根据所述关系式组一、所述关系式组二和所述关系式组三形成的方程组中总共方程的个数和其中未知数的个数，

若所述方程的个数大于所述未知数的个数，即所述方程组为超定方程组时，求取最优的所述系缆点的所述任意时刻空间坐标和所述结构物的六个运动分量，从而得到所述结构物的运动量，

若所述方程的个数小于或者等于所述未知数的个数，即所述方程组为欠定方程组或者静定方程组时，通过增加辅助缆绳或者加入假设条件，使所述方程组转变为超定方程组，求取最优的所述系缆点的所述任意时刻空间坐标和所述结构物的六个运动分量，从而得到所述结构物的运动量。

其中，所述结构物包括水中悬浮结构物或者水面漂浮结构物，所述系缆点至少为一个，所述缆绳的受力变形曲线包括了线性曲线和非线性曲线，若为线性曲线，可根据所述缆绳的刚度直接计算获取受力变形曲线，若为非线性曲线，则通过测量获得；六个运动分量为所述结构物沿所述坐标系x、y、z轴的位移矢量和绕所述坐标系x、y、z轴的旋转角度矢量。

优选地，所述步骤b中，所述初始坐标为(xi0，yi0，zi0)，所述任意时刻空间坐标为(xis，yis，zis)，其中i表示第i个系缆点，0表示初始时刻，s表示任意时刻，初始时刻所述系缆点坐标为已知量。

优选地，所述步骤b中，所述锚固点坐标为(xmd，ymd，zmd)，其中m表示第m根缆绳，所述锚固点坐标为已知量且为定值。

优选地，所述步骤c中，所述关系式组一包括：

其中，a、b、c分别为刚体绕所述坐标系x、y、z轴的旋转角度矢量，x、y、z分别为刚体沿所述坐标系x、y、z轴的位移矢量，r为刚体旋转矩阵，t为刚体平移矩阵。

优选地，所述步骤d中，所述关系式组二为：

(xis-xjs)²+(yis-yjs)²+(zis-zjs)²＝(xi0-xj0)²+(yi0-yj0)²+(zi0-zj0)²

其中，所述系缆点i、j之间距离保持不变。

优选地，所述步骤e中，所述关系式组三为：

其中，f表示系缆力，lm0为第m根缆绳的初始长度，g(fm)表示缆绳受力变形函数。

进一步优选地，当所述缆绳受力变形呈线性时，g(fm)＝fm/km，即

其中，f表示系缆力，k为缆绳刚度，lm0为第m根缆绳的初始长度。

优选地，所述步骤f中，通过lsm(leastsquaremethod，最小二乘法)求取所述超定方程组的最优解。

优选地，所述步骤a中，所述结构物上的所述一点为其形心。

优选地，所述结构物的横截面为圆形，所述形心为圆心。

优选地，所述结构物为悬浮管道。

此处所述悬浮管道包括用于人和/或车通行的悬浮隧道、或者用于保护电缆等设施的保护管。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

运用本发明所述的一种基于系缆力计算浮式结构物运动量的方法，能够求得任意时刻的系缆点的空间坐标和对应时刻的结构物的六个运动分量，不依赖于时间，计算过程中所需要的锚固点坐标、系缆点坐标、缆绳长度、缆绳受力变形曲线等物理量在浮式结构物制作、安装过程中容易获取，仅需测量系缆力、系缆力的测定也较方便，使得结构物运动量计算结果具有较好的精度、便于操作，也不需采用到昂贵设备，成本低廉，该方法步骤简单，实现方便，效果良好，不但能够用于悬浮结构物运动量的计算，还能够用于水面漂浮结构物运动量的计算。

附图说明

图1为实施例1中圆形悬浮隧道截面及缆绳布置示意图；

图2为实施例2中圆形悬浮隧道截面及缆绳布置示意图；

图3为实施例2中悬浮隧道运动量的理论值与计算值的对比图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本发明所述的一种基于系缆力计算浮式结构物运动量的方法，其中浮式结构物为悬浮隧道，如图1所示的圆形悬浮隧道截面及缆绳布置，设悬浮隧道截面上有n个系缆点，以初始时刻圆心为坐标原点建立如图1所示三维直角坐标系，坐标系的xoy平面平行于悬浮隧道截面，o与圆心重合，z轴垂直于悬浮隧道截面，此坐标系不随悬浮隧道的运动而运动。

设系缆点的初始坐标为(xi0，yi0，zi0)，其中i表示第i个系缆点，0表示初始时刻，初始时刻系缆点坐标为已知量；(xis，yis，zis)表示第i个系缆点任意时刻s的空间坐标。

缆绳在地面处的锚固点坐标为(xmd，ymd，zmd)，其中m表示第m根缆绳，锚固点坐标为已知量且为定值。

悬浮隧道为刚体，刚体运动的六分量为(a，b，c，x，y，z)，其中a、b、c分别为刚体绕x、y、z轴的旋转角度矢量，x、y、z分别为刚体沿x、y、z轴的位移矢量。

系缆点的空间坐标与刚体运动的六分量之间的关系满足关系式：

式中，r为刚体旋转矩阵，t为刚体平移矩阵。

r为3×3正交单位阵，t为三维平移矢量，表达式如下：

悬浮隧道的截面变形相对较小，所以在悬浮隧道运动过程中各个系缆点之间的距离保持不变，由系缆点i、j之间距离保持不变可得如下方程：

通过在缆绳上设置拉力计，测得缆绳的系缆力，并且缆绳的刚度已知，就可以根据胡克定律或缆绳变形曲线，通过系缆力求出缆绳的长度，显然此长度等于相应的系缆点到锚固点的距离。

式中，m表示第m根缆绳，f表示系缆力，由模型试验获得，k为缆绳刚度，lm0为第m根缆绳的初始长度。

当悬浮隧道上有3个系缆点，并且每个系缆点只系一根缆绳时，此时n＝1-3，m＝1-3，上述式(1)到(5)共有15个方程，15个未知数，包括三个系缆点的空间坐标和悬浮隧道截面的六个运动分量，方程闭合可解。

但是，由于缆绳测量刚度的误差、缆绳的弯曲等因素的影响，会导致上述方程的求解结果并不稳定，收敛性不好，所以在实际操作过程中，当方程组为欠定方程组或静定方程组时，可以通过增加辅助缆绳或者结合具体问题进行分析，加入适当的假设使其变为非线性超定方程组，应用lsm求得最优解。

实施例2

本发明所述的一种基于系缆力计算浮式结构物运动量的方法，其中浮式结构物为悬浮隧道，如图2所示的圆形悬浮隧道截面及缆绳布置，以初始时刻圆心为坐标原点建立如图2所示三维直角坐标系，坐标系的xoy平面平行于悬浮隧道截面，o与圆心重合，z轴垂直于悬浮隧道截面，两根斜向缆绳与地面夹角45°，两根竖向缆绳与地面垂直，两个系缆点位于x轴上，每个系缆点同时连接一根斜向缆绳和一根竖向缆绳，悬浮隧道截面直径25.2cm，斜向缆绳长度7.317m，竖向缆绳长度5.174m。

根据实施例1的分析可知，上述式(1)到(5)共有11个方程，12个未知数，包括两个系缆点的空间坐标和悬浮隧道截面的六个运动分量，为欠定方程组，现假设悬浮隧道截面只在xoy平面内运动，即a、b、z均为零，此时有11个方程，9个未知数，形成超定方程组，通过lsm求解。

令悬浮隧道截面按照下式(6)到(8)即悬浮隧道运动量的理论值在xoy平面内运动，实时的获取缆绳长度(其与系缆力对应)，然后将缆绳长度作为输入，通过matlab编程，基于lsm求解悬浮隧道的运动量，以对理论值结果进行验证。

x＝0.05-0.05*cos(6.282*t)(6)

y＝0.0199-0.0199*cos(8.976*t)(7)

c＝0.0523-0.0523*cos(3.307*t)(8)

悬浮隧道按照式(6)到(8)的运动量理论值和基于lsm求解的运动量如图3所示，由图3可知，x、y方向位移与绕z轴转角的相对误差＜1％，理论值与lsm求解的运动量吻合较好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。