海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法

摘要

本发明公开了一种海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法，目的在于通过光学运动测量技术与装置在试验水池大空间内实现对六自由度运动的精确测量。包括如下步骤：1)定义水池试验中模型的六自由度运动，2)依据水池总测量空间的大小，搭建由两两成组的光学传感器组成的阵列；3)采用标定板进行光学传感器自标定，建立观测图像与空间坐标的对应关系矩阵{N}，4)通过对相邻传感器测量空间的重叠区域进行标定，获得相邻传感器的空间相对位置关系，5)在测量空间内，海洋浮式结构物试验模型置于试验水池风浪流环境下进行试验；该方法测量精度高、组织灵活、适用空间范围广，可准确有效的实现试验模型大空间运动的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及物体在空间运动(位置与角度)的光学测量方法，实现在实验室水池大空间内海洋浮式结构物(船舶和海洋平台等)试验模型位置与角度的精确测定，具体讲是一种海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法。

背景技术

海洋浮式结构物(船舶和海洋平台等)的水池模型试验是检验其设计性能指标的重要手段。它能预报在风浪流作用下的浮式结构物运动和受力情况，保证结构物在实海域中生产运营的安全性和可靠性。

某些水池模型试验，如船舶波浪中操纵性稳性试验，两船靠帮卸载试验、风电安装试验和平台组块浮托安装试验等，需要对模型在大空间内的运动(位置与角度等)进行精确测量。然而，现有基于陀螺仪和小空间光学定位技术的运动测量手段难以覆盖水池大空间的模型运动测量，特别是在大空间内的位置和速度测量上有很大局限性。

现有水池试验模型运动测量技术按试验对象特点分成两大主流类别，第一类是针对无航速的海洋平台、FPSO和FLNG等的试验，采用几个(一般少于4 个)光学图像传感器和光发射器进行小空间内无源标记点六自由度运动的测量，加拿大NDI公司专利：CN1199054C，名称：用于测定物体的空间位置和取向的系统，为实验室采用的此类典型专利技术，其仅有两个位置相对固定的光学图像传感器，模型运动的可测量范围小(一般3m*3m*3m空间范围)，无法满足大空间内模型运动的测量。第二类是针对有航速船舶波浪中运动的试验，采用多个光学图像传感器和有源光发射标记点进行大空间内实验模型运动的测量，日本Direct公司专利：JP5705514B2，名称：発光マーカ装置，为实验室采用的此类典型专利技术，其采用多个光学图像传感器对3个以上有源光发射标记点进行追踪测量大空间内模型运动(位置和速度)，但实验中仅能测量模型在二维平面内X和Y方向(即纵荡和横荡运动)的位置和速度，无法测量大空间内模型在Z方向(即垂荡运动)的位置和绕X、Y、Z轴的转动角度(即横摇、纵摇和艏摇角)，应用存在局限。上述两大主流类别试验模型运动测量技术均无法实现对模型大空间内六自由度运动的精确测量，存在明显不足。

发明内容

本发明目的在于通过光学运动测量技术与装置在试验水池大空间内实现对六自由度运动的精确测量。该方法测量精度高、组织灵活、适用空间范围广，可准确有效的实现试验模型大空间运动的测量。

本发明目的是由以下技术方案实现的：

海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法，该方法包括如下步骤：

1)定义水池试验中模型的六自由度运动，六自由度运动包括X、Y和Z方向位移即纵荡x、横荡y和垂荡z以及绕X、Y和Z方向的转动即横摇纵摇θ和艏摇ψ；

2)依据水池总测量空间的大小，采用式M＝2[V_t/V_i]确定光学图像传感器和光能量发生装置的数量与位置，搭建由两两成组的光学图像传感器组成的阵列；式中，V_t为水池区域体积，V_i为两个传感器组成的最大测量空间；

3)采用标定板进行光学图像传感器自标定，建立观测图像与空间坐标的对应关系矩阵{N}，包括如下步骤：

a.将两个光学图像传感器固定，形成最大测量空间，

b.将带有无源标记点的标定板置于空间位置内进行标定，

c.通过标定板在标定区域内移动获取不同空间位置P(x,y,z)对应图像像素点位置(x_p,y_p)与大小Sp，

d.建立空间位置与标定板图像对应关系，{P}<＝>∑{N_i}{(x_p1,y_p1,S_p1,x_p2,y_p2,S_p2)_i}，式中，i为标记点的数量，下标1和2代表两个光学图像传感器，

e.将标定得到的对应关系矩阵{N_i}导入中央图像处理计算机，由此完成光学图像传感器自标定；

4)通过对相邻传感器测量空间的重叠区域进行标定，获得相邻传感器的空间相对位置关系，包括如下步骤：

a.相邻传感器测量区域形成重叠部分，

b.将标定板置于重叠部分中，依据对应关系得到各标定点在传感器测量区域中空间位置P₁(x,y,z)与P₂(x,y,z)，由此得到相邻传感器间的相对位置：

ΔP₁₂＝P₁-P₂

c.依据相对位置，对试验模型标记点簇经过重叠区域时测量区域的切换规则进行定义：

d.对大空间内传感器阵列的所有重叠域进行标定，确定传感器测量区域间的相对位置以及所有光学图像传感器相对于大地固定坐标系的空间坐标，并定义相邻测量区域间的切换规则，实现试验模型的大空间运动测量；

e.将标定得到的数据导入中央图像处理计算机，由此完成光学图像传感器重叠域标定；

5)在测量空间内，海洋浮式结构物试验模型置于试验水池风浪流环境下，集成陀螺仪的标记点簇固定于试验模型上部；试验模型在风浪流环境下航行于测量空间内，在光能量发生装置的照射下，采用光学图像传感器对模型上的标记点簇反射光进行观测，各组光学图像传感器图像数据以及陀螺仪数据通过有线或无线传输方式实时传输至中央图像处理计算机；在中央处理计算机中采用式P_t＝(x_t,y_t.z_t)＝P_n+ΔP_ia+L+ΔP_jk+ΔP_kl+ΔP_lm+L+ΔP_sn推算出试验模型相对于大地固定坐标系O-XYZ的空间坐标P_t(即纵荡、横荡和垂荡运动)和绕X、Y、Z>

式中，i和n为试验模型初始时刻和当前时刻所在的小测量空间编号，j、k、 l、m为试验模型经过的区域编号，P_n和ΔP_jk分别为标记点簇在编号为n空间内的坐标以及编号为j和k的相邻空间的相对位置，两者均由标定过程中确定的对应关系由图像信息换算得到，由此得到试验模型在测量空间内的纵荡x、横荡y>

在测量空间位置的同时，同步采集标记点簇中集成的陀螺仪所测得的试验横摇纵摇θ和艏摇ψ运动，并通过无线连接实时发送至中央图像处理计算机中，由此实现大空间内试验模型的六自由度运动测量，包括X、Y、Z方向的空间坐标(即纵荡、横荡和垂荡运动)和绕X、Y、Z轴的转动角度(即横摇、纵摇和艏摇角)。

进一步的，本发明目的还可以由以下技术方案实现：

所述光学图像传感器包括：CCD图像传感器和/或CMOS图像传感器。

所述光能量发生装置包括：红外光LED灯和/或可见光LED灯。

本发明的工作原理：

该方法搭建包括多个光学图像传感器组成的阵列，依据测量空间的大小确定各光学图像传感器间的相对位置与数量，在光能量发生装置的照射下，采用光学图像传感器对集成有陀螺仪的无源标记点簇的反射光进行观测；测量前进行两方面标定工作，一是通过光学图像传感器自标定建立观测图像与空间坐标的对应关系矩阵，二是通过相邻光学图像传感器重叠观测区域标定确定大地坐标系下传感器间的相对位置，以及重叠区域内传感器间的切换规则；标定后，将标记点簇固定于试验船模上进行观测，在中央图像处理计算机中依据标定建立的规则对传感器观测图像运算处理得到标记点簇的X、Y、Z方向的空间坐标(即纵荡、横荡和垂荡运动)，同时通过陀螺仪得到标记点簇绕X、Y、Z轴的转动角度(即横摇、纵摇和艏摇角)，最终，通过换算得到固定有标记点簇的试验模型的六自由度运动(位置、速度和角度)。

本发明的有益效果

本发明克服现有技术在海洋浮式结构物水池试验模型大空间运动测量上的不足，提出一种由光学图像传感器阵列、光能量发生装置、集成陀螺仪的无源标记点簇和中央图像处理计算机组成的模型大空间运动精确测量技术与装置。该方法测量精度高、组织灵活、适用空间范围广，可准确有效的实现试验模型大空间运动的测量。

本发明搭建光学图像传感器阵列，有别于专利CN1199054C中采用的相对位置固定的两个光学图像传感器，阵列包含多个相对位置可调节的光学图像传感器，传感器数量可依据测量空间的大小增减，通过重叠域标定技术确定各传感器的相对位置，实现标记点簇的大空间位置和角度精确测量。克服专利 JP5705514B2中的有源光发射标记点无法测定模型角度和Z向运动的不足，本发明采用集成陀螺仪的无源标记点簇和光能量发生装置，减少标记点的复杂度并通过陀螺仪测量模型绕X、Y、Z轴的转动角度(即横摇、纵摇和艏摇角)。

本发明搭建可调节相对位置的多光学图像传感器阵列，在光能量发生装置的照射下，对集成有陀螺仪的无源标记点簇的反射光进行观测，在传感器自标定和阵列重叠域标定技术基础上通过中央图像处理计算机运算处理得到标记点簇的空间坐标，进而换算得到固定有标记点簇的试验模型的运动。弥补现有典型技术在大空间运动测量上的不足，采用更加精确和灵活的技术实现水池试验模型大空间内运动的测量。

因此，本发明搭建覆盖水池大空间的光学图像传感器阵列，对固定于试验模型上的集成有陀螺仪的无源标记点簇的空间坐标进行光学测定，形成光学运动测量技术与装置，实现对水池试验模型大空间内运动的精确测量，克服传统测量技术的空间局限性，这对于水池模型试验技术的发展和海洋浮式结构物的安全性具有重要作用。

附图说明

图1：运动坐标定义图；

图2：光学图像传感器自标定示意图；

图3：光学图像传感器重叠域标定示意图；

图4：大空间光学运动测量装置示意图；

图5：位置测量结果示例图；

图中标号：x为纵荡，y为横荡，z为垂荡，为横摇，θ为纵摇，ψ为艏摇， 1为水池风浪流环境条件，2为海洋浮式结构物试验模型，3为光学图像传感器阵列，4为光能量发生装置，5为集成陀螺仪的标记点簇，6为中央图像处理计算机，7为大地固定坐标系O-XYZ，8为图像实时传输连接，9为无线实时传输连接，10为总测量空间，11为光学图像传感器，12为测量区域，13为标定板， 15为标记点，21a和21b为测量区域21d内两个光学图像传感器，22a和22b为测量区域22d内两个光学图像传感器，21c和22c为两个测量区域光能量发生装置，23为重叠区域，24为标定板，31为模型运动轨迹即纵荡和横荡运动，32 为模型艏摇角度，33为模型横摇角度，34为模型纵摇角度。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制发明的保护范围。

实施例1

本发明所用仪器包括：光学图像传感器、光能量发生装置、集成陀螺仪的无源标记点簇和中央图像处理计算机。其中，光学图像传感器阵列和光能量发生装置固定于水池上部支架，其数量和位置依据测量空间范围确定，集成陀螺仪的无源标记点簇固定于浮式结构物试验模型上，模型浮于水池水面上，中央图像处理计算机与光学图像传感器和陀螺仪连接，接收观测图像与角度数据。其中光学图像传感器为CCD图像传感器，还可以为CMOS图像传感器或其他图像传感器，光能量发生装置为红外光LED灯，还可以为可见光LED灯或其他灯：

海洋浮式结构物水池试验模型大空间光学运动测量方法，该方法包括如下步骤：

请参阅图1，图1是定义水池试验中模型的六自由度运动示意图。六自由度运动包括X、Y和Z方向位移即纵荡x、横荡y和垂荡z以及绕X、Y和Z方向的转动即横摇纵摇θ和艏摇ψ。

依据水池空间大小，由光学图像传感器3两两成组搭建覆盖水池区域的总测量空间10，并对各两个传感器组成的小测量空间进行编号，所需光学图像传感器的数量M估算如下：

M＝2[V_t/V_i]

式中，V_t为水池区域体积，V_i为两个传感器组成的最大5m*5m*5m的立体测量空间。实际应用中还可以为其它尺寸的立方体或者长方体。

请参阅图2，图2是光学图像传感器自标定示意图。

光学图像传感器自标定技术，本技术借助标定得到标记点传感器图像与标记点空间位置对应关系。包括如下步骤：

将两个光学图像传感器11固定，形成最大为5m*5m*5m的立体测量空间 12，将带有无源标记点15的标定板13置于空间位置内进行标定，其中标定板上的数个无源标记点按已知位置关系排列，图2中标记点15所示为其中一种排列方式，还可以为无源标记点大于6个的任意其他排列形式；实际应用中根据光学图像传感器的特点形成其他尺寸的立体或者厂房测量空间。

标定板13置于测量空间12内不同位置P(x,y,z)，在光能量发生装置4照射下，通过光学图像传感器11获得对应位置P处的标记点15反射光图像，识别获得所有标记点的像素位置(x_p,y_p)和大小Sp，由此建立标定板13的空间位置P>

{P}<＝>∑{N_i}{(x_p1,y_p1,S_p1,x_p2,y_p2,S_p2)_i}

式中，i为标记点的数量，下标1和2代表两个光学图像传感器。将标定得到的对应关系矩阵{N_i}导入中央图像处理计算机6，由此完成光学图像传感器自标定。

请参阅图3，图3是光学图像传感器重叠域标定示意图。

光学图像传感器重叠域标定技术，本技术通过对相邻传感器测量空间的重叠区域进行标定，获得相邻传感器的空间相对位置关系，达到灵活扩展测量空间的目的。包括如下步骤：

相邻传感器测量区域21d与22d形成重叠部分23，将标定板24置于重叠部分23中，依据对应关系得到各标定点在区域21d和22d中空间位置P₁(x,y,z)>2(x,y,z)，由此得到相邻传感器间的相对位置：

ΔP₁₂＝P₁-P₂

依据相对位置，对试验模型标记点簇经过重叠区域时测量区域的切换规则进行定义：

由此，对大空间内传感器阵列的所有重叠域23进行标定，确定传感器测量区域间的相对位置以及所有光学图像传感器相对于大地固定坐标系的空间坐标，并定义相邻测量区域间的切换规则，实现试验模型的大空间运动测量。将标定得到的数据导入中央图像处理计算机，由此完成光学图像传感器重叠域标定；

请参阅图4，图4为大空间光学运动测量装置示意图。

本部分为风浪流环境1下试验模型在大空间相对于大地固定坐标系7 O-XYZ的六自由度运动测量技术与装置。

在测量空间10内，海洋浮式结构物试验模型2置于试验水池风浪流环境1 下，集成陀螺仪的标记点簇固定于试验模型2上部。试验模型2在风浪流环境下航行于测量空间10内，在光能量发生装置的照射下，采用光学图像传感器对模型上的标记点簇反射光进行观测，各组光学图像传感器图像数据通过有线/无线传输方式8实时传输至中央图像处理计算机6。在中央处理计算机6中，试验模型相对于大地固定坐标系O-XYZ的空间坐标P_t(x_t,y_t,z_t)按下式推算：

P_t＝(x_t,y_t.z_t)＝P_n+ΔP_ia+L+ΔP_jk+ΔP_kl+ΔP_lm+L+ΔP_sn

式中，i和n为试验模型初始时刻和当前时刻所在的小测量空间编号，j、k、 l、m为试验模型经过的区域编号。P_n和ΔP_jk分别为标记点簇在编号为n空间内的坐标以及编号为j和k的相邻空间的相对位置，两者均由标定过程中确定的对应关系由图像信息换算得到。由此得到试验模型在测量空间内的纵荡x、横荡y>

在测量空间位置的同时，同步采集标记点簇5中集成的陀螺仪所测得的试验横摇纵摇θ和艏摇ψ运动，并通过无线连接9实时发送至中央图像处理计算机6中。由此实现大空间内试验模型的六自由度运动测量，包括X、Y、Z方向的空间坐标(即纵荡、横荡和垂荡运动)和绕X、Y、Z轴的转动角度(即横摇、纵摇和艏摇角)。

图5显示了本发明测量得到的试验模型在水池中的六自由度运动，数据均以实船尺度呈现。31为测量得到的模型运动轨迹即纵荡和横荡运动，32、33和 34为测量得到的模型艏摇、横摇和纵摇角度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。