水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统及计算方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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。
6.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。
7.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yi，x向间距di及悬浮隧道的半径r；s3：然后获取初始时刻每组位移传感器装置测得的位移值，激光传感器a的位移值、激光传感器b的位移值、激光传感器c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的位移值、激光传感器b的位移值、激光传感器c的位移值；s5：然后计算任意时刻每组位移传感器装置测量悬浮隧道截面处管体的x向相对位移值,，和z向的相对位移值；s6：最后计算获得水下悬浮隧道任意截面处的位移和姿态值。
8.进一步，所述s1中悬浮隧道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。
9.进一步，所述s2中的yi为坐标原点在水底的投影点到第i组位移传感器装置的连线的距离，di为每组相邻两个激光传感器之间距离的最小值，r为悬浮隧道管体的半径。
10.进一步，所述s3和s4中的和定义为激光传感器a测得的位移值，和定义为激光传感器c测得的位移值，和定义为激光传感器b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。
11.进一步，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下游运动为正。
12.当≥时，则满足下式：；
当＜ 时，则满足下式：。
13.在式中，di，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位移值 ,。
14.进一步，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，αk和βk分别为任意时刻隧道沿线yk坐标处管体围绕z轴和x轴转动的转动角。
15.本发明的优点在于：本发明提供了水下悬浮隧道试验多维度运动位姿测量系统及计算方法，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。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明的立体结构示意图；图2为本发明的平面局部剖面示意图；图3为本发明的激光传感器坐标示意图；图4为本发明的平面局部剖面坐标示意图；图5为本发明的悬浮管道位移坐标示意图；图6为本发明使用激光传感器a测算 ,的计算过程参考图；图7为本发明使用激光传感器b测算 ,的计算过程参考图；图8为本发明使用激光传感器c测算 ,的计算过程参考图；图9为本发明中利用已知截面处的位移进行全跨位移插值的计算原理图。
18.其中：1.悬浮隧道；2.反光装置；3.位移传感器装置；31、激光传感器a；32、激光传感器b；33、激光传感器c；34、线束a；4、线束c；5、浊度仪；6、上位机；7、多通道数据采集收发器；8、水面。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
21.实施例1：图1为本发明的立体结构示意图，图2为本发明的平面局部剖面示意图，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c4电连接，线束c4上设有浊度仪5，浊度仪5与线束c4电连接，线束c4一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c4电连接。位移传感器装置3包括激光传感器a31、激光传感器b32、激光传感器c33和线束a34，激光传感器a31、激光传感器b32、激光传感器c33均为l4-40型号传感器，激光传感器a31、激光传感器b32、激光传感器c33相互电连接，激光传感器a31、激光传感器b32、激光传感器c33与水底固定连接，激光传感器a31、激光传感器b32、激光传感器c33通过线束a34与线束c4电连接。沿隧道轴线方向布置多组水下位移传感器装置3，每组至少3个传感器，并排等间距安装于管体的正下方，其连线与悬浮隧道轴线方向垂直，其中一个安装于管体的过圆心的轴线上，另外两个等间距布置于其两侧。反光装置2可设计成表面粗糙的柔性白色材料，贴在悬浮隧道1试验模型的下表面，可对激光形成漫反射，反光装置2的面积应足以覆盖激光点的照射范围。激光传感器发出的激光经悬浮隧道1试验模型下方的反光装置反射回来再次传回激光传感器，从而获得激光传感器至相对应反射点之间的距离数据。浊度仪5放置于水下任一组位移传感器装置3附近，用于实时测量水的浊度，以便修正和补偿水下位移传感器的距离测量值，确保测量的精度。多通道数据采集收发器7连接所有的水下位移传感器装置3和浊度仪5，可同步采集水下激光传感器的距离数据及水下浊度数据，并通过内部的数据转换模块转换成数字信号传送至上位机6操作系统。上位机6操作系统将收集来的数字信号，通过配套的软件分析系统进一步进行数据的整合与分析，从而计算出整个水下悬浮隧道1的多维度、多模态运动位移和姿态数据。
22.实施例2：计算方法如下图3为本发明的激光传感器坐标示意图，图4为本发明的平面局部剖面坐标示意图；图5为本发明的悬浮管道位移坐标示意图，如图3所示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，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yi，x向间距di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a31的位移值 、激光传感器b32的位移值 、激光传感器c33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的位移值 、激光传感器b的位移值 、激光传感器c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。
23.s1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。
24.s2中的yi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，di为每组相临两个激光传感器之间距离的最小值，由于相对于隧道长度，隧道的弯曲变形量非常微小，所以本技术视位移传感器装置3测量的截面均为圆截面，r为悬浮隧道1管体的半径。
25.s3和s4中的和 定义为激光传感器a31测得的位移值， 和 定义为激光传感器c33测得的位移值， 和 定义为激光传感器b32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。
26.s5中的 , 的计算方法如下：定义管体分别竖直向上和水平向下游运动为正，如图6所示，当 ≥ 时， ， ；； ； ； ；；因为： ；所以： ，将 、 、 、 带入，可得：；可得， ；如图7所示，当 ≥ 时， ， ；；；
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；因为 ，所以 ，将 、 、 、带入，可得：；可得， ；
如图8所示，当 ≥ 时，， ， ；； ；； ； =
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； ；；将 、 、 代入，可得，；可得， ；综上所述，当≥ 时，则满足下式：；同理可得，当＜ 时，则满足下式：。
27.在式中，di，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位移值 , 。
28.s6中计算方法如下，当得到若干个已知截面处的位移后，利用多项式插值方法，即可得到任意时刻隧道沿线任意截面处的位移和姿态数据。本实施例中采用现有常用的拉格
朗日插值公式（lagrange interpolation formula）进行数据的插值。
29.如图9所示，设悬浮隧道1已知截面的个数为m，则在y0x平面内任意n时刻有m个悬浮隧道截面相对位移坐标：（y1， ）、（y2， ）
…
（yi， ）
…
（ym， ）；同理，则在y0z平面内任意n时刻有m个悬浮隧道截面相对位移坐标：（y1， ）、（y2， ）
…
（yi， ）
…
（ym， ）。
30.直接套用拉格朗日插值公式（lagrange interpolation formula），可求得任意n时刻悬浮隧道沿线y坐标处的x向和z向相对位移值，如下式： ；再利用曲线斜率与函数导数的关系，以及反三角函数求角度的原理，即可求得任意时刻悬浮隧道沿线yk坐标处管体围绕z轴转动的转动角αk，和绕x轴转动的转动角βk。
31.将上述任意时刻隧道沿线任意截面处的位移和姿态数据带入αk和βk的反三角函数公式，即得到：；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，αk和βk分别为任意时刻隧道沿线yk坐标处管体围绕z轴和x轴转动的转动角。
32.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。
33.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
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。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.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，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。4.根据权利要求3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。5.根据权利要求3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。6.根据权利要求3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。7.根据权利要求3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。8.根据权利要求3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。

技术总结
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。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。


技术研发人员：阳志文 崔永刚 季新然
受保护的技术使用者：交通运输部天津水运工程科学研究所
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/3/8