[发明专利]海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法

说明书

本发明公开了一种海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法，目的在于通过光学运动测量技术与装置在试验水池大空间内实现对六自由度运动的精确测量。包括如下步骤：1)定义水池试验中模型的六自由度运动，2)依据水池总测量空间的大小，搭建由两两成组的光学传感器组成的阵列；3)采用标定板进行光学传感器自标定，建立观测图像与空间坐标的对应关系矩阵{N}，4)通过对相邻传感器测量空间的重叠区域进行标定，获得相邻传感器的空间相对位置关系，5)在测量空间内，海洋浮式结构物试验模型置于试验水池风浪流环境下进行试验；该方法测量精度高、组织灵活、适用空间范围广，可准确有效的实现试验模型大空间运动的测量。

技术领域

本发明涉及物体在空间运动(位置与角度)的光学测量方法，实现在实验室水池大空间内海洋浮式结构物(船舶和海洋平台等)试验模型位置与角度的精确测定，具体讲是一种海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法。

背景技术

海洋浮式结构物(船舶和海洋平台等)的水池模型试验是检验其设计性能指标的重要手段。它能预报在风浪流作用下的浮式结构物运动和受力情况，保证结构物在实海域中生产运营的安全性和可靠性。

某些水池模型试验，如船舶波浪中操纵性稳性试验，两船靠帮卸载试验、风电安装试验和平台组块浮托安装试验等，需要对模型在大空间内的运动(位置与角度等)进行精确测量。然而，现有基于陀螺仪和小空间光学定位技术的运动测量手段难以覆盖水池大空间的模型运动测量，特别是在大空间内的位置和速度测量上有很大局限性。

现有水池试验模型运动测量技术按试验对象特点分成两大主流类别，第一类是针对无航速的海洋平台、FPSO和FLNG等的试验，采用几个(一般少于4 个)光学图像传感器和光发射器进行小空间内无源标记点六自由度运动的测量，加拿大NDI公司专利：CN1199054C，名称：用于测定物体的空间位置和取向的系统，为实验室采用的此类典型专利技术，其仅有两个位置相对固定的光学图像传感器，模型运动的可测量范围小(一般3m*3m*3m空间范围)，无法满足大空间内模型运动的测量。第二类是针对有航速船舶波浪中运动的试验，采用多个光学图像传感器和有源光发射标记点进行大空间内实验模型运动的测量，日本Direct公司专利：JP5705514B2，名称：発光マーカ装置，为实验室采用的此类典型专利技术，其采用多个光学图像传感器对3个以上有源光发射标记点进行追踪测量大空间内模型运动(位置和速度)，但实验中仅能测量模型在二维平面内X和Y方向(即纵荡和横荡运动)的位置和速度，无法测量大空间内模型在Z方向(即垂荡运动)的位置和绕X、Y、Z轴的转动角度(即横摇、纵摇和艏摇角)，应用存在局限。上述两大主流类别试验模型运动测量技术均无法实现对模型大空间内六自由度运动的精确测量，存在明显不足。

发明内容

本发明目的在于通过光学运动测量技术与装置在试验水池大空间内实现对六自由度运动的精确测量。该方法测量精度高、组织灵活、适用空间范围广，可准确有效的实现试验模型大空间运动的测量。

本发明目的是由以下技术方案实现的：

海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法，该方法包括如下步骤：

1)定义水池试验中模型的六自由度运动，六自由度运动包括X、Y和Z方向位移即纵荡x、横荡y和垂荡z以及绕X、Y和Z方向的转动即横摇纵摇θ和艏摇ψ；

2)依据水池总测量空间的大小，采用式M＝2[V_t/V_i]确定光学图像传感器和光能量发生装置的数量与位置，搭建由两两成组的光学图像传感器组成的阵列；式中，V_t为水池区域体积，V_i为两个传感器组成的最大测量空间；

3)采用标定板进行光学图像传感器自标定，建立观测图像与空间坐标的对应关系矩阵{N}，包括如下步骤：

a.将两个光学图像传感器固定，形成最大测量空间，