[发明专利]一种三维海浪运动模拟装置及方法

说明书

本发明公开了一种三维海浪运动模拟装置，包括控制台和支架，控制台和支架并列设置，在支架上设有托盘、电缆卷扬系统、缆绳卷扬系统和顶架，所述顶架呈圆环形并位于支架顶面前端，顶架设有光电感应开关，所述托盘位于顶架正下方，所述托盘顶部设有多个吊环，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、一个伺服电机，伺服电机的输出端连接有减速器，减速器输出端链接有滚轮，所述钢丝软绳一端绕卷在滚轮上；本装置采用软绳传动方式，可以实现大幅度海浪运动模拟；采用并联式驱动方式，可以实现海浪三个自由度的运动模拟；整体系统，结构简单，制造成本较低。

技术领域

本发明涉及海洋监测技术，具体是一种三维海浪运动模拟装置及方法。

背景技术

海浪通常指海洋中由风产生的波浪。主要包括风浪、涌浪和海洋近海波。在不同的风速、风向和地形条件下，海浪的尺寸变化很大，通常周期为零点几秒到数十秒，波长为几十厘米至几百米，波高为几厘米至20余米，在罕见地形下，波高可达30米以上。

海浪是海洋运动过程中的最常见的波动现象，对海浪运动参数的测量和分析是研究海洋环境要素的基础工作。不管是对海洋资源的开发，还是对海上交通运输业来说，对海浪运动参数的测量都具有十分重要的意义。

对于海浪的研究，主要方式还是依赖模拟研究，但存在的问题是：

1、传统海浪运动模拟装置多采用液压伺服缸或电动伺服缸并联驱动方式，结构复杂，制造成本高。

2、传统海浪运动模拟装置无法实现大幅度波浪模拟。

3、现有海洋设备在海洋中进行测试代价和成本较高，并具有一定的风险，急需一款简易的海浪运动模拟装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维海浪运动模拟装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维海浪运动模拟装置，包括控制台和支架，控制台和支架并列设置，在支架上设有托盘、电缆卷扬系统、缆绳卷扬系统和顶架，所述顶架呈圆环形并位于支架顶面前端，所述托盘位于顶架正下方，所述托盘顶部设有多个吊环，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，伺服电机的输出端连接有滚轮，所述钢丝软绳一端绕卷在滚轮上，另一端固定在吊环上，在顶架上设有与钢丝软绳对应的滑轮，所述钢丝软绳从对应的滑轮上绕过并与其滑动连接，所述电缆卷扬系统位于顶架中心，电缆卷扬系统包括步进电机、收放卷轮和信号缆，所述控制台具有电机驱动模块、运动控制卡、控制主机和显示屏，伺服电机和步进电机均与控制台电性连接。

所述伺服电机的输出端与滚轮之间还设有减速器；所述顶架中央的安装孔上还设有光电感应开关,光电感应开关靠近缆绳卷扬系统设置并连接控制台；所述顶架上设有三个中心杆，中心杆位于顶架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中央，在每个中心杆上均开设有多个安装孔，滑轮固定在安装孔内。

三维海浪运动模拟装置的模拟方法，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。

其中a、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：

b、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：

波浪能量谱引入方式：

波浪谱模型选用P-M谱模型，形势如下：

其中a＝0.0081，β＝0.74；