[发明专利]一种模拟海浪发生装置与方法

说明书

本发明公开了一种模拟海浪发生装置与方法，包括声学换能器、运动控制卡、细分驱动器、步进电机、拉绳位置传感器和数据采集卡；所述声学换能器固定在位移系统上，并能在位移系统的作用下完成设定运动并发出声波，以使在验潮井或小型水槽中产生预先设定好的波浪效果；所述运动控制卡与上位机相连接，所述步进电机驱动所述位移系统进行移动；所述拉绳位置传感器与所述位移系统相连接，用于获取所述声学换能器的位移信息；所述拉绳位置传感器和所述声学换能器均与所述数据采集卡相连接，所述数据采集卡与所述上位机相连。本发明利用步进电机在验潮井中模拟产生具有特定流速与形状的波浪，以达到模拟不同状态海浪的效果。

技术领域

本发明涉及电机控制与海浪模拟技术，特别涉及一种模拟海浪发生装置与方法。

背景技术

随着我国经济的发展和工业水平的进步，对海洋的开发和利用日趋广泛，利用海洋环境进行的试验也越来越多，鉴于海洋环境的地域性、复杂性和经济问题，导致试验浪费大量的人力物力，对于模拟海洋环境的研究也便应运而生。海洋是一个瞬息万变、很复杂的水体运动现象，一般来说，对波浪的模拟涉及的范围较广，而且海浪波动规律十分复杂，同时海水波动可能受到多种力的作用与影响，如重力、风力、水下地形的阻力、以及地壳自身运动产生的动力等。另外船只航行等人为因素也会带来短暂的、局部的影响。因此，国内外的研究者提出了各种不同的模型与算法，大致可归为四大类：基于几何模型的方法、基于物理模型的方法、基于统计模型的方法和基于纹理的模拟方法。几何模型以Perchy提出的方法为代表，该方法是通过把正弦函数与二次函数进行线性叠加来模拟波浪几何形状；物理模型以流体物理基本方程——Navie Stokes(N-S方程)，由于海面的波动受到N-S方程支配的原因，很多研究者采用了N-S方程来建立海面模型并通过近似求解该方程以得到精细的海浪模拟，但计算量极大，不易保证实时性；统计模型是通过对一系列正弦和余弦波叠加后，再与物理模型结合模拟海浪，叠加值表示波幅。很多统计模型使用快速傅立叶变换算法来求取叠加值。这些数据模型极为复杂、计算量大，不适合大规模海面的模拟仿真；基于纹理的方法由于不是真实运动，所以真实感较差，不适合近距离观察。海浪的显著特点是它的不规则性。影响波浪的因素很多,即使在同一条件下，其呈现的波浪也不是完全确定的，很难用一个数学模型加以精确地描述，对于这种随机现象，欲寻找在某一定时刻、一定地点波浪的具体特征值是不可能的,也是无意义的。而数学模型的准确程度的增加也会同时增加模型的复杂性,更会增加计算机的实现难度。海洋学者的研究表明：不规则的海浪可由大量均匀微小的规则波叠加而成。这是讨论不规则波和计算波浪中物体受力的基本依据。

步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移的开环执行元件。综合来看,步进电动机用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单价廉；没有累积误差；适用于速度控制和位置控制两种方式；电动机本体部件少，可靠性高；停止时有自锁力矩,使控制上更具灵活性。电动机本体部件少，可靠性高；停止时有自锁力矩,使控制上更具灵活性，在民用、工业用的经济型数控定位系统中获得了广泛的应用，具有较高的实用价值。

近年来，步进电机细分驱动技术的发展显著减小了步进电机的步距角，提高了进给分辨率，增加了电机运行的平稳性，而谐波减速器等高性能减速装置的发展则进一步提高了步进电机的负载能力。细分驱动将定子磁通每一步的旋转角度分成n份，每一微步走90°/n电角度。由于每一步的能量及速度的脉动性，从而产生了固有的震动和噪音，细分模式可以大幅降低脉冲能量，从而减小震动和噪音，改善运行性能。这也使通过操纵步进电机来模拟海浪成为了可能。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种模拟海浪发生装置与方法，利用步进电机在验潮井中模拟产生具有特定流速与形状的波浪，以达到模拟不同状态海浪的效果。

本发明所采用的技术方案是：一种模拟海浪发生装置，包括：

声学换能器，所述声学换能器固定在位移系统上，并能在位移系统的作用下完成设定运动并发出声波，以使在验潮井或小型水槽中产生预先设定好的波浪效果；