CN105841869B - 波浪滑翔器浮体受力监测装置及受力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波浪滑翔器浮体受力监测装置及受力计算方法，装置包括上固定环、下固定环和三个压力传感器，上固定环由上圆环和具有锥形内表面的下圆环组成，下固定环由下圆环和具有锥形外表面的上圆环组成，且上固定环的锥形内表面和下固定环的锥形外表面上均对称设置有三个螺孔，每个压力传感器通过两个端部设置的双头螺丝安装在对应的一对螺孔中。本发明不但可以用于浮体部分受力数据采集，还可用于系索另一端来研究水下滑翔体的受力情况，且本发明结构简单可靠，计算误差小，耗电量低，可为波浪滑翔器的运动控制提供重要的参考数据。

Description

波浪滑翔器浮体受力监测装置及受力计算方法

技术领域

本发明涉及一种受力监测装置，尤其涉及一种波浪滑翔器浮体受力监测装置及受力计算方法。

背景技术

海洋蕴藏着大量人类发展所需的绿色资源。人类一直致力于探索开发海洋资源。多种多样的海洋监测设备应运而生。浮标、潜标、ROV、AUV、海床基、水下滑翔器等，各具优势，缺点亦明显。波浪滑翔器(Unmanned Wave Glider,UWG)作为一种新型的海洋自主观测平台，较其他设备具有很大优势。其运营成本低，观测范围广，搭载能力强，数据传输快，续航时间长，适用恶劣海况。目前，UWG已广泛应用于生物考察、气象预报、环境监测等多种海洋科考活动。近些年来，UWG相关技术成为国内外研究热点。

波浪滑翔器是一种以波浪能作为航行动力，以太阳能作为传感器、控制***、通讯***能源的新型海洋运载器，能够实现超长时间、极大范围的无人探测作业，具有自主规划、航点跟踪、虚拟锚泊等功能。波浪滑翔器的主要组成包括：水面浮体、水下滑翔体和系索三部分。其中，浮体部分安装有控制***、能源***、传感器***、导航***等；滑翔体部分安装有传感器***、舵机、尾舵、推进器等；系索的主要作用是连接浮体和滑翔体并在它们之间传递信息。当波浪抬升水面船体时，由于系索的连接，水下滑翔体也随之上升，在水流的作用下，水翼板发生向下的偏转，就像机翼一样，当攻角在一定范围内时，水翼板产生升力，其水平方向的分力推动水下滑翔器向前运动，继而拉动水面船体前进；当水面船体越过波峰，在重力的作用下，整个***将向下运动，这时水翼板在水的作用下向上翻转，与上升过程一样会有升力产生，使整个***向前运动。因此，波浪滑翔器能将海洋波浪能转换成向前的，与波传播方向无关的推力而且其转换方式是纯机械的。也就是说，当波浪通过水面浮体时，水下滑翔机像一个拖船一样在预定航线上拖行水面浮体。

滑翔体的水动力分析比较复杂，导致难以计算系索作用在浮体的力。通过波浪滑翔器浮体受力监测装置可以记录系索作用于浮体的力，进而便于对浮体进行受力分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种波浪滑翔器浮体受力监测装置及受力计算方法，能够实时测量波浪滑翔器系索作用于浮体底部力，并提供根据采集数据计算受力大小和方向。

本发明的目的是这样实现的：波浪滑翔器浮体受力监测装置包括上固定环、下固定环和三个压力传感器，上固定环由上圆环和具有锥形内表面的下圆环组成，下固定环由下圆环和具有锥形外表面的上圆环组成，且上固定环的锥形内表面和下固定环的锥形外表面上均对称设置有三个螺孔，每个压力传感器通过两个端部设置的双头螺丝安装在对应的一对螺孔中。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.上固定环的上圆环的端面安装在波浪滑翔器的浮体部分的底部，下固定环的下圆环与系索的一端连接，系索的另一端与波浪滑翔器的水下滑翔体连接。

2.上固定环的上圆环的端面安装在水下滑翔体上，下固定环的下圆环与系索的一端连接，系索的另一端与波浪滑翔器的浮体连接。

3.上固定环上设置有数据线孔位，三个压力传感器的数据输出线通过数据线孔位于波浪滑翔器内的嵌入式开发板的A/D采集模块连接。

4.一种波浪滑翔器浮体受力监测装置的受力计算方法，(1)以下固定环的下圆环的圆心为坐标原点建立坐标系O-XYZ，三个压力传感器中的一个位于XOZ平面，且该压力传感器与OX轴和OZ轴成45°，受力是F1；其余两个压力传感器空间阵列分布，即三个压力传感器在XOY面上的投影之间的夹角是120°，且其余两个压力传感器的受力分别是F2和F3；

(2)监测装置的空间受力记作[Fx，Fy，Fz]，且有：

式中：F1、F2、F3由A/D采集模块采集到的三个压力传感器的数据获得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是一个安装于波浪滑翔器浮体(或水下滑翔体)和系索联结位置的测力装置，将压力数据传输给嵌入式处理器，计算浮体(或水下滑翔体)在三维空间的受力情况，应用于波浪滑翔器上浮体受力监测，为波浪滑翔器路径规划和控制决策提供参考信息。具体的说本发明的要点在于：(1)波浪滑翔器浮体受力监测装置安装位置：波浪滑翔器的结构有别于传统水面船舶和水下潜器，导致传统的船舶或潜器的研究计算方法不能直接用于波浪滑翔器，本发明将波浪滑翔器分为两大部分：浮体部分，推进器部分(包括系索和水下滑翔体)，本发明测量计算浮体部分的实时受力。此力作用在浮体部分可类同于一个外力作用在传统船舶的船底部。这样传统的船舶操纵性、运动控制等技术均可用于波浪滑翔器。(2)波浪滑翔器浮体受力监测装置组成机构：本发明由上下固定环和数个压力传感器组成，不但可以用于浮体部分受力数据采集，还可用于系索另一端来研究水下滑翔体的受力情况。(3)波浪滑翔器浮体受力监测装置的受力计算方法：嵌入式处理器通过A/D模块同时采集此装置数个压力传感器的数据，根据压力传感器的空间分布，应用空间几何学和力学等知识，计算得到浮体部分在三维空间的受力大小和方向。

附图说明

图1是本发明安装在浮体底部时的结构示意图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)分别是本发明的主视图、侧视图、俯视图、立体图；

图3是本发明在空间上的位置分解图；

图4是本发明的上固定环的结构示意图；

图5是本发明的下固定环的结构示意图；

图6是本发明的坐标系的建立图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的原理是：首先，将浪滑翔器浮体受力监测装置1依照安装顺序布置于浮体底部或水下滑翔体上；然后，将传感器数据输出线连接到嵌入式开发板的A/D采集模块；最后，通过自编应用程序采集A/D数据，计算浮体受力。

结合图1至图5，本发明上固定环2、三个压力传感器3、下固定环4及双头螺丝5、上下固定环的安装螺孔6、下固定环内螺纹7，下固定环内螺纹7用于固定系索。具体安装关系是：一、将六个双头螺丝5分别拧到上下固定环的安装孔6中；二、用压力传感器3作为连接件，通过旋转，同时连接上下固定环2和4；三、整理数据线，并通过上固定环2预留数据线孔位；四、用螺丝通过上固定环的螺丝孔位固定到浮体底部；五、连接到嵌入式处理器的A/D模块；六、将系索和本发明通过螺纹(或其他通用固定方式)锁紧。

本发明的受力计算方法与压力传感器的空间分布和坐标系建立有关，具体包括：

一、建立坐标系：其中一个压力传感器位于XOZ平面，且与OX轴和OZ轴成45°，受力记作F1；其余两个压力传感器空间阵列分布，即三个压力传感器在XOY面上成120°，受力记作F2和F3。

二、计算方法：该装置的空间受力记作[Fx，Fy，Fz]，根据空间几何和受力分析相关理论，则有

类似的，本发明可以使用多个压力传感器，在三维空间进行多种形式的排布，以相同的计算理论得到空间受力。本装置可以安装到系索和滑翔体的连接位置，以测得滑翔体的空间受力情况。

以本发明的整个装置布置于上浮体和系索交接处为例进行总体说明：上固定环用于固联上浮体和压力传感器；压力传感器用于测量压(拉)力，三个压力传感器按照一定几何规则固定于上固定环和下固定环之间；下固定环用于固联系索和压力传感器。在波浪滑翔器运动过程中，各个压力传感器在系索的作用下，输出压力信号。此信号先经过波浪滑翔器A/D模块处理，后经过控制处理器计算得到压力数据。多个压力数据在三维空间O-XYZ坐标系下通过力的分解合并，计算出XYZ各个坐标轴上的分力。本发明结构简单可靠，计算误差小，耗电量低，可为波浪滑翔器的运动控制提供重要的参考数据。

Claims (1)

1.一种波浪滑翔器浮体受力监测装置的受力计算方法，其特征在于：包括波浪滑翔器浮体受力监测装置，波浪滑翔器浮体受力监测装置包括上固定环、下固定环和三个压力传感器，上固定环由上圆环和具有锥形内表面的下圆环组成，下固定环由下圆环和具有锥形外表面的上圆环组成，且上固定环的锥形内表面和下固定环的锥形外表面上均对称设置有三个螺孔，每个压力传感器通过两个端部设置的双头螺丝安装在对应的一对螺孔中；上固定环的上圆环的端面安装在波浪滑翔器的浮体部分的底部，下固定环的下圆环与系索的一端连接，系索的另一端与波浪滑翔器的水下滑翔体连接；上固定环的上圆环的端面安装在水下滑翔体上，下固定环的下圆环与系索的一端连接，系索的另一端与波浪滑翔器的浮体连接；上固定环上设置有数据线孔位，三个压力传感器的数据输出线通过数据线孔位于波浪滑翔器内的嵌入式开发板的A/D采集模块连接；

(1)以下固定环的下圆环的圆心为坐标原点建立坐标系O-XYZ，三个压力传感器中的一个位于XOZ平面，且该压力传感器与OX轴和OZ轴成45°，受力是F1；其余两个压力传感器空间阵列分布，即三个压力传感器在XOY面上的投影之间的夹角是120°，且其余两个压力传感器的受力分别是F2和F3；

(2)监测装置的空间受力记作[Fx，Fy，Fz]，且有：

式中：F1、F2、F3由A/D采集模块采集到的三个压力传感器的数据获得。