船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統及方法與流程
本發明屬于船舶模型及實船水面實驗技術領域，涉及一種船模水面實驗，具體涉及實驗過程中船模實時坐標位置測量和航行首相角測量的一種光學測試系統及方法。
背景技術：
船舶在操縱運動試驗中，船模(實船)在航行區域內所處位置的監測對船舶的實時操縱，航跡、航向的改變等有著重大作用。在以往的操縱性試驗中，多數采用gps衛星定位系統對其定位,并能授時，測算船舶航向、航速、風流壓差、從而進行導航。
gps衛星定位系統：整個系統由24顆衛星、船站、岸站組成。雖然gps技術不斷革新，但是仍存在一些缺陷：
1.在室內使用信號弱，因此在水池實驗室(非露天)內做實驗受到限制；
2.現代城市發展迅猛，gps中的地圖數據庫更新滯后，一些地形的變化導致測量誤差，因此對室外試驗環境要求也較高。
技術實現要素：
本發明的目的是為克服上述現有技術存在的問題和缺陷，提供一種船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統及方法。
本發明可測量船模在實驗水池中運動的實時位置及航行艏向角。具有體積小，安裝方便，簡單實用，測量精度高，受外界磁場和溫度變化干擾小，能夠在室內或室外水池中高精度地進行船模操縱運動試驗測試等優點，可實現船模水面試驗的系統化。
為達到上述目的，本發明通過以下技術方案予以實現：
一種船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統，包括船模1，所述船模1的甲板中央安置有一用于調節水平的底座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沿船模縱向，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通過數據傳輸線5分別連通至電源6和用于數據采集和處理的計算機7；所述固定基座9通過螺栓8安裝在可調底座2上，可調底座2上還安置有水平儀10。
進一步優選，所述底座2為設有4個螺栓孔的方形板狀體。
進一步優選，所述底座2與所述船模1的連接采用可調螺栓3連接。
進一步優選，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。
進一步優選，所述計算機7內置有基于visualbasic語言編制的數據處理程序。
進一步優選，所述電源6為12v蓄電池。
一種船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統的測試方法，包括如下步驟：
步驟1、將安置有船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統的船模1放置到長為l、寬為b的水池中，調整所述底座2的水平度；
步驟2、開啟電源6和計算機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時位置，由激光測距儀所測得的距離與水池壁的幾何關系，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，
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)計算機(7)利用步驟(3)得到的結果操控船模航行。
本發明與現有gps定位方式和船模試驗系統相比，具有以下優點：
1、本發明采用光學傳感器即激光測距儀進行測量，可在室內進行試驗，能夠有效克服gps在室內信號較差從而導致的較大誤差，有效避免環境干擾，同時，由于激光波長非常短，可使測量結果更為精準。
2、本發明可以測量船模在試驗水池中的實時位置，便于船模控制航向，克服了傳統gps定位系統在船模靜止情況下無法給出航向的缺陷。
4、本發明中激光測距儀模塊可以根據實際試驗條件更換不同量程、不同參數的激光測距儀，實現即插即用。
5、本發明將船模(船舶)水面試驗系統化，具有結構簡單、安裝快捷、操作方便、穩定性好、不受外界干擾、測量精度高等優點，具有良好的市場價值。
附圖說明
圖1是本發明的光學測試系統構造示意圖；
圖2是激光測距儀布置示意圖；
圖3是本發明實施例原理示意圖。
圖中：1—船模，2—可調底座，3—可調螺栓，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—數據傳輸線，6—電池，7—計算機，8—螺釘，9—固定基座，10—水平儀。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。
如圖1至圖2所示，為本發明的一種船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統，包括船模1，所述船模1的甲板中央采用可調螺栓3安置有一用于調節水平，四角處設有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通過數據傳輸線5分別連通至12v蓄電池電源6和用于數據采集和處理的內置有基于visualbasic語言編制的數據處理程序的計算機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的數據輸出端口為rs232接口，數據傳輸線5是rs232轉usb轉接線，數據傳輸線5的rs232端與激光測距儀連接、usb端與計算機7連接，數據通過rs232串口傳輸到計算機7。
本發明的一種船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統及測試方法流程：
1、在試驗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底座2，所述底座2四個頂角處設有螺孔，通過可調螺栓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°，所發出的激光束指向船舶外側；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°，所發出的激光束指向船舶外側。
按照圖1所示，激光測距儀4-1,4-2,4-3通過數據傳輸線5連接電池6和岸上計算機7。
2、船模下水：
將安置有船模水面位置實時監測實驗的光學測試系統的船模1放置到長為l、寬為b的水池中，通過可調螺栓3調整所述底座2的水平度，通過水平儀10來測量調整其水平度；調節完畢，開啟電源6和岸上計算機7。
3、進行船模試驗：
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時位置，由激光測距儀所測得的距離與水池壁的幾何關系，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，
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、數據采集處理：
將步驟(4)采集到的數據文件導入岸上計算機7中的數據處理程序中進行計算處理，把處理結果即船模1在水池中的位置坐標反饋給船舶操縱中心控制器單片機，單片機中設定的程序根據實時反饋的位置坐標，給出各種操縱指令，實現船舶的自主航行。
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