[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

说明书

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统及计算方法，解决水下悬浮隧道多维度、多模态柔性运动变形测量难题。本发明提供的测量计算方法及系统可测量悬浮隧道弯曲、扭转或组合动态变形，并得到隧道管体任何截面处的位移或姿态，实现悬浮隧道全跨度结构的多维度、多模态柔性运动响应测量；本发明提供的测量方法及系统原理清晰、系统组成简单、算法简便、运算效率高、便于安装使用，不仅可用于悬浮隧道技术的研究，还可用于其它水下长跨悬浮式、浮式结构物试验测量中，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统及计算方法。

背景技术

悬浮隧道是建设于悬浮于水中的一种大型跨海隧道结构物，是未来解决深水峡湾跨越的战略性颠覆性技术，但目前世界上还没有建成的先例，仍处于研究阶段。由于结构跨度大、组成复杂，在瞬息多变的海洋动力环境下，悬浮隧道结构系统的水动力响应机理亦非常复杂，是现阶段各国研究人员亟待突破的难题。在试验水池中直接模拟复杂波浪水流荷载对悬浮隧道的作用，并获得结构的运动位移、姿态等数据，是研究悬浮隧道水动力响应最直接的手段。而长跨悬浮隧道结构的运动形态十分复杂，在同一隧道截面上就可能呈现出弯曲、扭转等组合柔性运动变形，在整个跨度上亦可表现出更加复杂的多维度、多模态柔性运动变形，大大增加了模型试验中的测量难度。

目前已有的非接触式浮体结构测量系统均只能获得单目标点的六维度运动数据，而无法测量悬浮隧道全跨度结构的多维度柔性运动，无法得到隧道管体任何截面处的位移或姿态。同时，由于隧道模型淹没水下，传统的接触式测量仪器会对波浪水流动力场产生较大干扰，进而影响试验测量的精度。此外，现有的水上测量方式需要在试验模型上架设较高较重的仪器安装支架，而仪器安装支架引起的附加质量及支架自身振动亦会对测量结果的产生较大的影响。

发明内容

针对上述问题，本发明专利的目的在于克服现有技术的不足，提供水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统及计算方法，解决水下悬浮隧道多维度、多模态柔性运动变形测量难题。本发明采用水下测量的方法，有效避开了现有水上测量方法中仪器安装支架引起的附加质量及支架自身振动对测量结果的影响；与传统单目标点六维度浮体测量系统相比，本发明提供的测量方法及系统可测量悬浮隧道弯曲、扭转或组合动态变形，并得到隧道管体任何截面处的位移或姿态，实现悬浮隧道全跨度结构的多维度、多模态柔性运动响应测量；与传统接触式测量方法，本发明提供的测量方法及系统不要求测量仪器与被测物体接触，最大限度降低了仪器对波浪水流动力场的干扰。同时，本发明提供的测量方法及系统原理清晰、系统组成简单、算法简便、运算效率高、便于安装使用，不仅可用于悬浮隧道技术的研究，还可用于其它水下长跨悬浮式、浮式结构物试验测量中，具有广阔的应用前景。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统，包括悬浮隧道本体、水底，所述悬浮隧道外表面设有多组反光装置，反光装置与悬浮隧道为固定连接，反光装置下端设有位移传感器装置，位移传感器装置与水底固定连接，位移传感器装置与线束C电连接，线束C上设有浊度仪，浊度仪与线束C电连接，线束C一端设有多通道数据采集收发器，多通道数据采集收发器一端设有上位机，上位机与多通道数据采集收发器电连接，多通道数据采集收发器另一端与浊度仪和线束C电连接。

进一步，所述位移传感器装置包括激光传感器A、激光传感器B、激光传感器C和线束A，激光传感器A、激光传感器B、激光传感器C相互电连接，激光传感器A、激光传感器B、激光传感器C与水底固定连接，激光传感器A、激光传感器B、激光传感器C通过线束A与线束C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模型全跨坐标系；

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