[发明专利]一种用于船模水面实验的光学测试系统及其测试方法

权利要求书

1.一种用于船模水面实验的光学测试系统，其特征在于，包括水池、水池导轨、参考平面模块、船模、激光测距模块，数据采集和处理模块及电源模块；

其中，所述水池内设有水池导轨，所述参考平面模块包括：框架及水平仪，其中，所述框架包括位于上部的面板及位于面板下部的四根支柱，每根支柱的底端安装导轮后设置在所述水池导轨上；每根支柱与面板之间均安装有调整螺栓，面板的上表面中心处安装有水平仪；

所述船模设置在所述参考平面模块下方的水面上，船模甲板上设置所述激光测距模块；

所述激光测距模块包括：一个L形直线导轨，L形直线导轨固定在船模甲板上，并且L形直线导轨的长边与船模中垂面平行设置；所述L形直线导轨的转角处安装第一激光测距单元，L形直线导轨的长直角边上安装第二激光测距单元、L形直线导轨的短直角边上安装第三激光测距单元；

每个激光测距单元包括：激光测距仪、及滑块，所述激光测距仪垂直固定在滑块上；每个激光测距单元上的滑块均通过紧固螺栓与L形直线导轨相固定；所述L形直线导轨上带有刻度；

每个激光测距仪均与所述数据采集和处理模块控制连接；

所述电源模块为激光测距仪提供电源；

所述L形直线导轨包括：导轨基座、导轨基座固定机构，所述导轨基座由两根直线导轨焊接成相互垂直的L形，导轨基座通过螺栓与导轨基座固定机构连接，导轨基座固定机构通过螺栓与船模甲板连接；

每个所述激光测距仪上设有两个用于调整激光测距仪与船模甲板平面垂直度的第一调整螺母；所述导轨基座固定机构的螺栓上设有用于调节导轨基座与船模甲板平行度的第二调整螺母。

2.一种基于权利要求1所述用于船模水面实验的光学测试系统的测试方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一、船模横摇倾斜时，通过读取第一激光测距单元与第三激光测距单元之间的刻度值得到船模上两点之间距离S₁；通过激光测距仪分别测得：第一激光测距单元距参考平面的距离L₁、第三激光测距单元距参考平面的距离L₂；通过L₁和L₂求得船模上两点距参考平面距离之差，横摇角正弦值为两点距参考平面距离之差与这两点之间距离的比值；具体公式如下：

横摇角

步骤二、采用系统辨识方法将步骤一中得到的船舶模型实时横摇角的角度数据作为辨识样本，根据辨识原理建立系统辨识损失函数和系统辨识算法；

用混沌复合形复合优化算法，在辨识参数上限范围内求解出船模横摇运动方程，从而确定船模横摇水动力系数，

Y＝Y{N_φ,I_x，w，x，Δ，h}

船舶横摇运动方程是：

式中：I_x——船体横摇总惯性矩；——横摇角；——横摇角速度；——横摇角加速度；——横摇线性阻尼力矩系数；w和x——横摇非线性阻尼力矩系数；Δ：船舶排水量；h：船舶初稳性高；

将进行离散化处理，得到：

即有对k+1时刻下的横摇角速度预报：

以误差准则建立船舶横摇运动辨识损失函数：

函数中横摇角是利用激光测距仪测得，横摇角速度可由横摇角差分得到，差分公式如下：

函数中其它参数为待求的辨识参数，将横摇角横摇角速度数据导入数据处理程序计算出这些辨识参数，即为船舶模型水动力导数；

船模静水纵摇衰减实验原理和过程与横摇过程相同。

3.根据权利要求2所述的用于船模水面实验的光学测试系统的测试方法，其特征在于，横稳心半径求解步骤为：

船舶原理里初稳性船舶横摇回复力矩公式为：

式中：Δ是船舶排水量，r是横稳性高，是回复力矩；

载荷外力矩为：

M＝mx

式中：m是载荷质量，x是载荷距船中横面距离；

建立载荷外力矩与横摇回复力矩平衡方程，求解出横稳性高为：