[发明专利]水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统及计算方法

权利要求书

1.水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统，包括悬浮隧道（1）本体，其特征在于：所述悬浮隧道（1）外表面设有多组反光装置（2），反光装置（2）与悬浮隧道（1）为固定连接，反光装置（2）下端设有位移传感器装置（3），位移传感器装置（3）与水底固定连接，位移传感器装置（3）与线束C（4）电连接，线束C（4）上设有浊度仪（5），浊度仪（5）与线束C（4）电连接，线束C（4）一端设有多通道数据采集收发器（7），多通道数据采集收发器（7）一端设有上位机（6），上位机（6）与多通道数据采集收发器（7）电连接，多通道数据采集收发器（7）另一端与浊度仪（5）和线束C（4）电连接；水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统的计算方法，包括以下步骤：

S1：首先建立水下悬浮隧道（1）模型全跨坐标系；

S2：然后确定每组位移传感器装置（3）的坐标y_i，x向间距D_i及悬浮隧道（1）的半径R；

S3：然后获取初始时刻每组位移传感器装置（3）测得的位移值，激光传感器A（31）的位移值、激光传感器B（32）的位移值、激光传感器C（33）的位移值；

S4：然后获取其它任意时刻每组位移传感器装置测得的位移值，激光传感器A（31）的位移值 、激光传感器B（32）的位移值 、激光传感器C（33）的位移值 ；

S5：然后计算任意时刻每组位移传感器装置（3）测量悬浮隧道（1）截面处管体的x向相对位移值，和z向相对位移值；

S6：最后计算获得水下悬浮隧道（1）任意截面处的位移和姿态值。

2.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统，其特征在于：所述位移传感器装置（3）包括激光传感器A（31）、激光传感器B（32）、激光传感器C（33）和线束A（34），激光传感器A（31）、激光传感器B（32）、激光传感器C（33）相互电连接，激光传感器A（31）、激光传感器B（32）、激光传感器C（33）与水底固定连接，激光传感器A（31）、激光传感器B（32）、激光传感器C（33）通过线束A（34）与线束C（4）电连接。

3.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统的计算方法，其特征在于：所述S1中悬浮隧道（1）模型全跨坐标系的坐标原点设于隧道的一端的中心处，坐标系的y轴设于水平面内指向隧道的轴线方向，坐标系的x轴设于水平面内与隧道轴线方向垂直指向波浪水流的顺流方向，坐标系的z轴为竖直向上。

4.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统的计算方法，其特征在于：所述S2中的y_i为坐标原点在水底的投影点到第i组位移传感器装置（3）的连线的距离，D_i为每组相邻两个激光传感器之间距离的最小值，R为悬浮隧道（1）管体的半径。

5.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统的计算方法，其特征在于：所述S3和S4中的和定义为激光传感器A（31）测得的位移值，和定义为激光传感器C（33）测得的位移值，和定义为激光传感器B（32）测得的位移值，上标“0”表述0时刻,上标“n”表述其它任意时刻。

6.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统的计算方法，其特征在于：所述S5中的, 的计算方法如下：定义管体分别竖直向上和水平向波浪水流下游运动为正，

当≥时，则满足下式：

；

当＜时，则满足下式：

；

在式中，D_i，R，，，，，，均为已知量，通过联立方程组，并利用牛顿迭代方法及最小二乘法原理，计算得到任意n时刻每个测量截面处管体的x向相对位移值，和z向相对位移值。

7.根据权利要求1所述的水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统的计算方法，其特征在于：所述S6中计算方法如下，当得到若干个已知截面处的位移后，可以通过插值方法得到任意时刻隧道沿线任意截面处的位移和姿态数据，

；

；

式中，和分别为任意时刻隧道沿线y坐标处的x向和z向相对位移值，α_k和β_k分别为任意时刻隧道沿线y_k坐标处管体围绕z轴和x轴转动的转动角。