[發明專利]一種三維海浪運動模擬裝置及方法

有效

• 申請號: 202011577205.8
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112798222B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 朱洪海;祁國梁;王志;劉茂科;韓偉;楊立
• 申請（專利權）人: 山東省科學院海洋儀器儀表研究所
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01C13/00;G01N27/62;G09B9/00
• 代理公司: 青島致嘉知識產權代理事務所(普通合伙) 37236
• 代理人: 吳杉

1.一種三維海浪運動模擬裝置，包括控制臺(1)和支架(2)，控制臺(1)和支架(2)并列設置，其特征在于，在支架(2)上設有托盤(9)、電纜卷揚系統(7)、纜繩卷揚系統和頂架(10)，所述頂架(10)呈圓環形并位于支架(2)頂面前端，所述頂架中央還設有光電感應開關(8)，光電感應開關(8)靠近纜繩卷揚系統設置并連接控制臺(1),所述托盤(9)位于頂架(10)正下方，所述托盤(9)頂部設有多個吊環，所述纜繩卷揚系統包括三套鋼絲軟繩卷揚機構，每套鋼絲軟繩卷揚機構具有一根獨立的鋼絲軟繩和一個伺服電機(3)，伺服電機(3)的輸出端連接有滾輪(5)，所述鋼絲軟繩一端繞卷在滾輪(5)上，另一端固定在吊環上，在頂架(10)上設有與鋼絲軟繩對應的滑輪(6)，所述鋼絲軟繩從對應的滑輪(6)上繞過并與其滑動連接，所述電纜卷揚系統(7)位于頂架中心，電纜卷揚系統(7)包括步進電機、收放卷輪和信號纜，所述控制臺(1)具有電機驅動模塊、運動控制卡、控制主機和顯示屏，伺服電機(3)和步進電機均與控制臺(1)電性連接；所述伺服電機(3)的輸出端與滾輪(5)之間還設有減速器(4)；所述頂架(10)上設有三個中心桿，中心桿位于頂架(10)內側并沿圓周方向等間距分布，三個中心桿前端對接固定在頂架(10)中央，在每個中心桿上均開設有多個安裝孔，滑輪(6)固定在安裝孔內。

2.一種三維海浪運動模擬裝置的模擬方法，采用權利要求1或所述的裝置，其特征在于，步驟包括模擬平臺的姿態定義、波浪位姿數據獲取、驅動電機控制參數獲取和波浪模擬實現；

所述模擬平臺的姿態定義：波點的所在的波面的法線表示模擬平臺的姿態，位移由平臺中心點的高度來表示，即模擬平臺的位姿表示：

波浪位姿數據獲取：采用P-M波浪譜，反演三維波浪，求得波點高度數據和波面的法相向量；

具體過程：

a)、波浪譜采用P-M譜：

其中a＝0.0081，β＝0.74；

波浪在波向上的波能擴散模型選擇：

其中μ∈(-π，π)；

三維波浪采用不規則短峰波海浪(由振幅不同、頻率不同、初始相位不同和傳播方向不同的多重諧波組成)，波浪模型采用雙疊加模型：

其中，ζ_aij可根據P-M波浪譜和波能擴散函數求得：

即可求得在t時刻的模擬平臺的坐標值(取坐標ζ(0,0,t)處的波點數據作為模擬值)：

同時也可以求得在(ξ,η)處的波面法向量：那么平臺姿態向量可以表示為：

驅動電機控制參數獲取：驅動電機驅動模擬平臺的動力點為(n1,n2,n3)，對應的相關坐標為：

其中，R為平臺半徑；

根據波浪位姿數據獲取步驟中得到的波點數據對各動力點的位移進行逆解計算(認為模擬平臺在做小幅度傾斜運動和軟繩具有足夠的長度)，可以得到：

3.根據權利要求2所述的一種三維海浪運動模擬裝置的模擬方法方法，其特征在于，波浪模擬實現：根據驅動電機控制參數獲取步驟中得到的動力點(n1,n2,n3)在t時刻的位移數據，計算在一定時間內的位移數據序列，進而根據位移數據序列通過電機驅動模塊實時控制電機的運動，模擬海浪在三個自由度上的運動。