船舶或船模风浪中航向保持远程试验系统及试验方法与流程

本发明涉及船舶或船模风浪中航向保持远程试验系统及试验方法，属于船舶试验技术领域。

背景技术：

随着航运事业的发展，船舶朝着大型化、高速化、智能化方向发展。超大型船舶在航行时，具有很大的惯性，对船舶的操纵控制要求高。另一方面，航运量的不断增大，船舶航行密度越来越大，航道及港口变得相对狭窄，船舶操纵变得更加困难和复杂。为保证安全，提高航行的经济性，对船舶的操纵性能提出了更高的要求。另外，由于受到海浪、海风及海流等海洋环境扰动的作用，船舶不可避免地要偏离给定航向。船舶航向的改变对船舶的适航性，对船舶的安全航行，对船上的设备、货物及乘员都会产生不利影响。所以，为了尽快到达目的地和节省能源，必须尽量减小航向偏差，船舶在风浪中的航迹航向保持能力就变得尤为重要。因此船模或新船试航时都要进行风浪中的航向保持试验。

进行该试验的专用试验设施和设备及仪器较多，包括：试验水池、自航船模、无线电遥控设备，造波机、消波器、鼓风机、运动轨迹记录设备及其他测量仪器等。传统的船舶或船模航向保持试验需要专门的试验人员到试验现场进行操作，试验结束后，根据安装于岸上和模型上数据采集设备获取的数据，试验人员进行处理获得试验结果，以此检验船舶在风浪中的航向保持能力。因此，其特定及专用性强，总体试验时间长，工作效率低，不能实现实时性，并且受众面小，且试验成本较高。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种船舶或船模风浪中航向保持远程试验系统及试验方法，解决了实验室利用率低、做试验难的问题，试验数据图像可实时传到用户端，大大降低了用户的工作难度和工作量。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种船舶或船模风浪中航向保持远程试验系统，包括试验水池，在试验水池内放置有船模，在试验水池一侧安装有风机，在试验水池内靠近风机安装有风速风向测量装置，在试验水池另一侧安装有波浪数据测量装置，所述船模上安装有三个激光测距仪，分别为第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪，第一激光测距仪指向船模正前方，第二激光测距仪与第一激光测距仪形成的夹角为90°，第三激光测距仪与第一激光测距仪和第二激光测距仪形成的夹角分别为120°、150°，在船模上还设有控制器和DGPS，第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪分别与控制器连接，风速风向测量装置和波浪数据测量装置分别与控制器信号连接，控制器分别与DGPS和舵机连接，在试验水池旁设有无线摄像装置，无线摄像装置和控制器分别与数据图像接收装置连接，数据图像接收装置与岸上计算机连接，岸上计算机通过远程控制模块与客户端连接。

作为优选，所述第一激光测距仪、第二激光测距仪和第三激光测距仪均安装在底座上，底座上安装有水平仪，底座通过调节螺栓安装在船模上。

作为优选，所述风速风向测量装置和波浪数据测量装置分别与数传电台连接，在船模上安装有信号发射端，信号发射端与控制器连接。

一种上述的船舶或船模风浪中航向保持远程试验系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)将各个装置安装在试验水池以及船模指定位置，将船模放入试验水池中，调整船模，保证船模在水中呈正浮状态；

(2)按照试验要求，设置船模在试验水池中航向轨迹信息，船模开始启动；

(3)在船模航行中，控制器实时的获取三个激光测距仪的测量参数，由三个激光测距仪所测得的与池壁的距离并根据激光测距仪的布置关系，可得船模艏向角及在水池中的实时位置，三个激光测距仪所测得的距离分别为L₁、L₂、L₃，方形水池的长度L、宽度B已知，其中，角θ₁是线段L₃与线段a的夹角；角θ₂是线段L₂与线段a的夹角；角θ₃是线段L₁与线段b的夹角，φ是线段a与水池宽度B的夹角，线段a为第二激光测距仪和第三激光测距仪与试验水池交点的连线，

其中α＝150°；

$\mathrm{\φ}=\arccos \frac{B}{a};$

${\mathrm{\θ}}_2=\arccos \frac{L_2^2+a^2-L_3^2}{2L_2\·a};$

艏向角：θ₃＝θ₂+φ；

所以，船模到两个池壁的距离b和c分别为：

b＝L₁·cosθ₃

c＝L₂·cosθ₃；

(4)控制器根据三个激光测距仪获得的数据θ₃＝θ₂+φ、b＝L₁·cosθ₃和b＝L₁·cosθ₃以及试验前规定的航向轨迹进行对比，控制器控制舵机改变船模的航向，符合规定的航向轨迹。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.解决了实验室利用率低、做试验难的问题，试验数据图像可实时传到用户端，大大降低了用户的工作难度和工作量。

2.为没有水池及实验设备的单位提供远程试验服务，节省了大量的人力、物力、财力，克服了时间和空间上的限制，使他们坐在电脑前面就可以进行试验。

3.可以让船舶专业的学生，在用户端上自行选择试验器材及试验船型，自己动手选择试验的各个步骤，并观看试验过程，并可以自行处理反馈给用户端的试验数据，学生参与度高，教学效果远远好于只看实验录像。

4.本文使用了激光测距模块来弥补传统的GPS定位系统在室内信号差的缺点，采用激光测量还可以弥补传统倾角传感器易受温度和周围环境影响而产生误差的缺点。

附图说明

图1为试验水池的结构示意图。

图2为船模的结构示意图。

图3为数据图像接收装置的结构示意图。

图4为三个激光测距装置的布置示意图。

图5为激光测距装置的原理示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明的一种船舶或船模风浪中航向保持远程试验系统，包括试验水池11，在试验水池11内放置有船模1，在试验水池一侧安装有风机13，在试验水池11内靠近风机13安装有风速风向测量装置7，在试验水池11另一侧安装有波浪数据测量装置5，所述船模1上安装有三个激光测距仪，分别为第一激光测距仪3-1、第二激光测距仪3-2和第三激光测距仪3-3，第一激光测距仪3-1指向船模1正前方，第二激光测距仪3-2与第一激光测距仪3-1形成的夹角为90°，第三激光测距仪3-3与第一激光测距仪3-1和第二激光测距仪3-2形成的夹角分别为120°、150°，在船模1上还设有控制器18和DGPS2，DGPS即为差分全球定位系统，第一激光测距仪3-1、第二激光测距仪3-2和第三激光测距仪3-3分别与控制器18连接，风速风向测量装置7和波浪数据测量装置5分别与控制器18信号连接，控制器18与DGPS2和舵机16连接，舵机上安装有舵17，在试验水池11旁设有无线摄像装置9、10、12、14，无线摄像装置和控制器18分别与数据图像接收装置21，数据图像接收装置21与岸上计算机22连接，岸上计算机22通过远程控制模块23与客户端24连接。

在本发明中，所述第一激光测距仪3-1、第二激光测距仪3-2和第三激光测距仪3-3均安装在底座19上，底座19上安装有水平仪，底座19通过调节螺栓20安装在船模1上。所述风速风向测量装置7和波浪数据测量装置5分别与数传电台6、8连接，在船模1上安装有信号发射端4连接，信号发射端4与控制器18连接。

当客户在客户端24提出要进行船模1风浪中航向保持远程试验时，岸上计算机22接收到这一指令，开始进行试验前的准备工作。选择相应船模1，在试验水域风机13出口前端安装风速风向测量装置7，在水域另一侧布置波浪数据测量装置5，同时在岸机布置连接前述两装置的数传电台8、6。沿着船舶中纵方向自船艏至船尾依次安装船舶数据采集装置DGPS2、激光测距装置和信号发射端4。激光测距装置的布置如图4所示。第一激光测距仪3-1指向船模11正前方，第二激光测距仪3-2与第一激光测距仪3-1形成的夹角为90°，第三激光测距仪3-3与第一激光测距仪3-1和第二激光测距仪3-2形成的夹角分别为120°、150°。激光测距仪用来测量激光测距仪中心到试验水池11池壁的距离。在船舶或船模1试验水域(水池等)顶部安装俯视水面及水域周边(如：水池侧面岸上等)的四个无线摄像装置9、10、12、14。

一种上述的船舶或船模1风浪中航向保持远程试验系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)将各个装置安装在试验水池11以及船模1指定位置，将船模1放入试验水池11中，通过调节载重砝码，保证船模1在水中呈正浮状态；

(2)按照试验要求，设置船模1在试验水池11中航向轨迹信息，船模1开始启动；

(3)在船模1航行中，四个无线摄像装置9、10、12、14实时将船模1的图像信息传输到岸上计算机22中，实时传输到客户端24上，控制器18实时的获取三个激光测距仪的测量参数，由三个激光测距仪所测得的与池壁的距离并根据激光测距仪的布置关系，可得船模1艏向角及在水池中的实时位置，三个激光测距仪所测得的距离分别为L₁、L₂、L₃，方形水池的长度L、宽度B已知，其中，角θ₁是线段L₃与线段a的夹角；角θ₂是线段L₂与线段a的夹角；角θ₃是线段L₁与线段b的夹角，φ是线段a与水池宽度B的夹角，线段a为第二激光测距仪3-2和第三激光测距仪3-3与试验水池11交点的连线，

其中α＝150°；

$\mathrm{\φ}=\arccos \frac{B}{a};$

${\mathrm{\θ}}_2=\arccos \frac{L_2^2+a^2-L_3^2}{2L_2\·a};$

艏向角：θ₃＝θ₂+φ；

所以，船模1到两个池壁的距离b和c分别为：

b＝L₁·cosθ₃

c＝L₂·cosθ₃；

(4)控制器18根据三个激光测距仪获得的数据θ₃＝θ₂+φ、b＝L₁·cosθ₃和b＝L₁·cosθ₃以及试验前规定的航向轨迹进行对比，控制器18为STM32嵌入式芯片，负责处理由DGPS2和激光测距仪测得的数据信号以及舵机16控制信号，选用常规的模糊控制器，根据专家的控制经验，整理成表1所示的模糊控制规则表，选取航向角E及航向角变化率ΔE为模糊输入量，操舵角U为输出量，编制基于模糊控制规则表的控制程序，由激光测距仪测得的距离数据反馈到主控器，经过计算得到航向角及航向角的变化率，进而执行控制程序对舵机16进行相应的舵角操纵，从而实现船模1航向的自动控制。数据接收及处理系统将数据在界面上显示出来，并能够定时对数据进行动态刷新，其中，E的论域取为[-1.2，1.2]，单位为度，词集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}(分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，以下相同)。ΔE论域为[-1.2，1.2]，单位为度/秒，词集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；U的基本论域取为[-12，12]，单位为度，词集为{NB1，NB2，NM1，NM2，NS1，NS2，0，PS2，PS1，PM2，PM1，PB2，PB1}。

表1

(5)远程客户端24通过远程控制模块23(例如TeamViewer)将数据或图像信息传送至岸上计算机22，联网电脑或移动设备(手机、平板等)安装远程控制模块23(TeamViewer)，客户端24输入岸机ID和密码，操控岸上计算机22，操作人机交互界面，通过界面实时显示试验数据或图像，用户可选择发送试验数据至客户端24。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。