本發(fā)明屬于船舶模型及實(shí)船水面實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種船模水面實(shí)驗(yàn)，具體涉及實(shí)驗(yàn)過程中船模實(shí)時坐標(biāo)位置測量和航行首相角測量的一種光學(xué)測試系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

船舶在操縱運(yùn)動試驗(yàn)中，船模(實(shí)船)在航行區(qū)域內(nèi)所處位置的監(jiān)測對船舶的實(shí)時操縱，航跡、航向的改變等有著重大作用。在以往的操縱性試驗(yàn)中，多數(shù)采用gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)對其定位,并能授時，測算船舶航向、航速、風(fēng)流壓差、從而進(jìn)行導(dǎo)航。

gps衛(wèi)星定位系統(tǒng)：整個系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星、船站、岸站組成。雖然gps技術(shù)不斷革新，但是仍存在一些缺陷：

1.在室內(nèi)使用信號弱，因此在水池實(shí)驗(yàn)室(非露天)內(nèi)做實(shí)驗(yàn)受到限制；

2.現(xiàn)代城市發(fā)展迅猛，gps中的地圖數(shù)據(jù)庫更新滯后，一些地形的變化導(dǎo)致測量誤差，因此對室外試驗(yàn)環(huán)境要求也較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和缺陷，提供一種船模水面位置實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)及方法。

本發(fā)明可測量船模在實(shí)驗(yàn)水池中運(yùn)動的實(shí)時位置及航行艏向角。具有體積小，安裝方便，簡單實(shí)用，測量精度高，受外界磁場和溫度變化干擾小，能夠在室內(nèi)或室外水池中高精度地進(jìn)行船模操縱運(yùn)動試驗(yàn)測試等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)船模水面試驗(yàn)的系統(tǒng)化。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種船模水面位置實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)，包括船模1，所述船模1的甲板中央安置有一用于調(diào)節(jié)水平的底座2，所述底座2上通過固定基座9安置有第一激光測距儀4-1至第三激光測距儀4-3，其中，所述第一激光測距儀4-1沿船?？v向，且垂直于船模中橫剖面，所述第二激光測距儀4-2沿船模橫向，且垂直船模中縱剖面，所述第三激光測距儀4-3分別與第一激光測距儀4-1和第二激光測距儀4-2成夾角為135°；所述第一激光測距儀4-1至第三激光測距儀4-3通過數(shù)據(jù)傳輸線5分別連通至電源6和用于數(shù)據(jù)采集和處理的計(jì)算機(jī)7；所述固定基座9通過螺栓8安裝在可調(diào)底座2上，可調(diào)底座2上還安置有水平儀10。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述底座2為設(shè)有4個螺栓孔的方形板狀體。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述底座2與所述船模1的連接采用可調(diào)螺栓3連接。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述第一激光測距儀4-1至第三激光測距儀4-3均是波長為635.2μm的二級安全激光，量程為70m、測量精度為1mm、測量間隔為0.1s的激光測距儀。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述計(jì)算機(jī)7內(nèi)置有基于visualbasic語言編制的數(shù)據(jù)處理程序。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述電源6為12v蓄電池。

一種船模水面位置實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)的測試方法，包括如下步驟：

步驟1、將安置有船模水面位置實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)的船模1放置到長為l、寬為b的水池中，調(diào)整所述底座2的水平度；

步驟2、開啟電源6和計(jì)算機(jī)7；

步驟3、操控船模1在水池中航行，第一激光測距儀4-1至第三激光測距儀4-3測量船模1艏向角及在水池中的實(shí)時位置，由激光測距儀所測得的距離與水池壁的幾何關(guān)系，即第一激光測距儀4-1、第二激光測距儀4-2和第三激光測距儀4-3所測得的距水池壁的距離值分別為l1、l2、l3，形成的艏向角θ1是線段l3與線段a的夾角；艏向角θ2線段l2與線段a的夾角；艏向角θ3是線段l1與線段b的夾角，是線段a與水池寬度b的夾角，利用如下公式計(jì)算得到：

其中α＝135°；

艏向角，

所以，船模到兩個水池壁的距離b和c分別為：

b＝l1·cosθ3

c＝l2·cosθ3

(4)計(jì)算機(jī)(7)利用步驟(3)得到的結(jié)果操控船模航行。

本發(fā)明與現(xiàn)有g(shù)ps定位方式和船模試驗(yàn)系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明采用光學(xué)傳感器即激光測距儀進(jìn)行測量，可在室內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，能夠有效克服gps在室內(nèi)信號較差從而導(dǎo)致的較大誤差，有效避免環(huán)境干擾，同時，由于激光波長非常短，可使測量結(jié)果更為精準(zhǔn)。

2、本發(fā)明可以測量船模在試驗(yàn)水池中的實(shí)時位置，便于船模控制航向，克服了傳統(tǒng)gps定位系統(tǒng)在船模靜止情況下無法給出航向的缺陷。

4、本發(fā)明中激光測距儀模塊可以根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)條件更換不同量程、不同參數(shù)的激光測距儀，實(shí)現(xiàn)即插即用。

5、本發(fā)明將船模(船舶)水面試驗(yàn)系統(tǒng)化，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝快捷、操作方便、穩(wěn)定性好、不受外界干擾、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的市場價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光學(xué)測試系統(tǒng)構(gòu)造示意圖；

圖2是激光測距儀布置示意圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例原理示意圖。

圖中：1—船模，2—可調(diào)底座，3—可調(diào)螺栓，4-1—第一激光測距儀，4-2—第二激光測距儀，4-3—第三激光測距儀，5—數(shù)據(jù)傳輸線，6—電池，7—計(jì)算機(jī)，8—螺釘，9—固定基座，10—水平儀。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1至圖2所示，為本發(fā)明的一種船模水面位置實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)，包括船模1，所述船模1的甲板中央采用可調(diào)螺栓3安置有一用于調(diào)節(jié)水平，四角處設(shè)有4個螺栓孔的方形板狀體的底座2，所述底座2上通過固定基座9安置有型號為g1020107，波長為635.2μm的二級安全激光，量程為70m、測量精度為1mm、測量間隔為0.1s的第一激光測距儀4-1，第二激光測距儀4-2和第三激光測距儀4-3，其中，所述第一激光測距儀4-1沿船模縱向，且垂直于船模中橫剖面固定安置，所述第二激光測距儀4-2沿船模橫向，且垂直船模中縱剖面固定安置，所述第三激光測距儀4-3分別與第一激光測距儀4-1和第二激光測距儀4-2成夾角為135°固定安置；所述第一激光測距儀4-1至第三激光測距儀4-3通過數(shù)據(jù)傳輸線5分別連通至12v蓄電池電源6和用于數(shù)據(jù)采集和處理的內(nèi)置有基于visualbasic語言編制的數(shù)據(jù)處理程序的計(jì)算機(jī)7；所述底座2上還安置有水平儀10。其中，第一激光測距儀4-1，第二激光測距儀4-2和第三激光測距儀4-33的數(shù)據(jù)輸出端口為rs232接口，數(shù)據(jù)傳輸線5是rs232轉(zhuǎn)usb轉(zhuǎn)接線，數(shù)據(jù)傳輸線5的rs232端與激光測距儀連接、usb端與計(jì)算機(jī)7連接，數(shù)據(jù)通過rs232串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)7。

本發(fā)明的一種船模水面位置實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)及測試方法流程：

1、在試驗(yàn)船模上安裝激光測距模塊：

首先在船模1甲板中央沿中縱剖面對稱安裝可調(diào)底座2，所述底座2四個頂角處設(shè)有螺孔，通過可調(diào)螺栓3固定在船模1甲板上。而后，把三個激光測距儀4-1,4-2,4-3裝在固定基座9上，再通過螺釘8把固定基座9按照圖2所示位置安裝在所述底座2上。其中第一激光測距儀4-1及其固定基座沿船舶中縱剖面安裝，其發(fā)出的激光束指向船艏方向；第二激光測距儀4-2與第一激光測距儀4-1安裝在同一平面，沿船舶中橫剖面布置，與第一激光測距儀4-1的夾角呈90°，所發(fā)出的激光束指向船舶外側(cè)；第三激光測距儀4-3與第一激光測距儀4-1、第二激光測距儀4-2安裝在同一平面固定底座2上，與第一激光測距儀4-1、第二激光測距儀4-2的夾角均135°，所發(fā)出的激光束指向船舶外側(cè)。

按照圖1所示，激光測距儀4-1,4-2,4-3通過數(shù)據(jù)傳輸線5連接電池6和岸上計(jì)算機(jī)7。

2、船模下水：

將安置有船模水面位置實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)的光學(xué)測試系統(tǒng)的船模1放置到長為l、寬為b的水池中，通過可調(diào)螺栓3調(diào)整所述底座2的水平度，通過水平儀10來測量調(diào)整其水平度；調(diào)節(jié)完畢，開啟電源6和岸上計(jì)算機(jī)7。

3、進(jìn)行船模試驗(yàn)：

操控船模1在水池中航行，第一激光測距儀4-1至第三激光測距儀4-3測量船模1艏向角及在水池中的實(shí)時位置，由激光測距儀所測得的距離與水池壁的幾何關(guān)系，即第一激光測距儀4-1、第二激光測距儀4-2和第三激光測距儀4-3所測得的距水池壁的距離值分別為l1、l2、l3，形成的艏向角θ1是線段l3與線段a的夾角；艏向角θ2線段l2與線段a的夾角；艏向角θ3是線段l1與線段b的夾角，是線段a與水池寬度b的夾角，如圖3所示，利用如下公式計(jì)算得到：

其中α＝135°；

艏向角，

所以，船模到兩個水池壁的距離b和c分別為：

b＝l1·cosθ3

c＝l2·cosθ3

4、數(shù)據(jù)采集處理：

將步驟(4)采集到的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入岸上計(jì)算機(jī)7中的數(shù)據(jù)處理程序中進(jìn)行計(jì)算處理，把處理結(jié)果即船模1在水池中的位置坐標(biāo)反饋給船舶操縱中心控制器單片機(jī)，單片機(jī)中設(shè)定的程序根據(jù)實(shí)時反饋的位置坐標(biāo)，給出各種操縱指令，實(shí)現(xiàn)船舶的自主航行。