[发明专利]一种三维海浪运动模拟装置及方法

权利要求书

1.一种三维海浪运动模拟装置，包括控制台(1)和支架(2)，控制台(1)和支架(2)并列设置，其特征在于，在支架(2)上设有托盘(9)、电缆卷扬系统(7)、缆绳卷扬系统和顶架(10)，所述顶架(10)呈圆环形并位于支架(2)顶面前端，所述顶架中央还设有光电感应开关(8)，光电感应开关(8)靠近缆绳卷扬系统设置并连接控制台(1),所述托盘(9)位于顶架(10)正下方，所述托盘(9)顶部设有多个吊环，所述缆绳卷扬系统包括三套钢丝软绳卷扬机构，每套钢丝软绳卷扬机构具有一根独立的钢丝软绳和一个伺服电机(3)，伺服电机(3)的输出端连接有滚轮(5)，所述钢丝软绳一端绕卷在滚轮(5)上，另一端固定在吊环上，在顶架(10)上设有与钢丝软绳对应的滑轮(6)，所述钢丝软绳从对应的滑轮(6)上绕过并与其滑动连接，所述电缆卷扬系统(7)位于顶架中心，电缆卷扬系统(7)包括步进电机、收放卷轮和信号缆，所述控制台(1)具有电机驱动模块、运动控制卡、控制主机和显示屏，伺服电机(3)和步进电机均与控制台(1)电性连接；所述伺服电机(3)的输出端与滚轮(5)之间还设有减速器(4)；所述顶架(10)上设有三个中心杆，中心杆位于顶架(10)内侧并沿圆周方向等间距分布，三个中心杆前端对接固定在顶架(10)中央，在每个中心杆上均开设有多个安装孔，滑轮(6)固定在安装孔内。

2.一种三维海浪运动模拟装置的模拟方法，采用权利要求1或所述的装置，其特征在于，步骤包括模拟平台的姿态定义、波浪位姿数据获取、驱动电机控制参数获取和波浪模拟实现；

所述模拟平台的姿态定义：波点的所在的波面的法线表示模拟平台的姿态，位移由平台中心点的高度来表示，即模拟平台的位姿表示：

波浪位姿数据获取：采用P-M波浪谱，反演三维波浪，求得波点高度数据和波面的法相向量；

具体过程：

a)、波浪谱采用P-M谱：

其中a＝0.0081，β＝0.74；

波浪在波向上的波能扩散模型选择：

其中μ∈(-π，π)；

三维波浪采用不规则短峰波海浪(由振幅不同、频率不同、初始相位不同和传播方向不同的多重谐波组成)，波浪模型采用双叠加模型：

其中，ζ_aij可根据P-M波浪谱和波能扩散函数求得：

即可求得在t时刻的模拟平台的坐标值(取坐标ζ(0,0,t)处的波点数据作为模拟值)：

同时也可以求得在(ξ,η)处的波面法向量：那么平台姿态向量可以表示为：

驱动电机控制参数获取：驱动电机驱动模拟平台的动力点为(n1,n2,n3)，对应的相关坐标为：

其中，R为平台半径；

根据波浪位姿数据获取步骤中得到的波点数据对各动力点的位移进行逆解计算(认为模拟平台在做小幅度倾斜运动和软绳具有足够的长度)，可以得到：

3.根据权利要求2所述的一种三维海浪运动模拟装置的模拟方法方法，其特征在于，波浪模拟实现：根据驱动电机控制参数获取步骤中得到的动力点(n1,n2,n3)在t时刻的位移数据，计算在一定时间内的位移数据序列，进而根据位移数据序列通过电机驱动模块实时控制电机的运动，模拟海浪在三个自由度上的运动。