1.本發明涉及船模技術領域，特別是一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量方法，以及一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量裝置。
背景技術：
2.內河船舶航行下沉量的實船測量裝置和測量方法不斷有人提出，但是對于超大型船舶的測量方法較少，一是影響船舶下沉量的因素較為復雜，二是超大型船舶船型和數量都很大，每艘都安裝測量裝置費用較高，因此船模測量船舶下沉量需求不斷提升。船舶在限制性航道中航行時，由于船體周圍流場的壓力和速度分布不均勻，導致船舶出現明顯的下沉和縱傾，尤其是在高速航行時，船舶下沉現象更加明顯，這已成為影響船舶航行安全的重要因素之一。船模試驗能直觀、真實地反映航道水流條件和邊界條件對船模通航的綜合影響，船模下沉量是評估最小通航水深的關鍵參數。
3.目前船模航行下沉量測量多集中在內河船舶實測方法上，在模型試驗船模下沉量測量裝置及方法多采用相機抓拍人工讀數方式進行下沉量測量，工作量較大且下沉量數據缺乏連貫性。經檢索，中國專利，公告號：cn109632259b，專利名稱：水工物理模型試驗自航船?？v剖面下沉量的測量裝置及方法，即公開了一種對船模下沉量的測量方法，包括包括自航船模、面陣ccd、激光測距傳感器、通信模塊和上位機，該方案具有以下問題：(1)該方案只能在靜水中對船模下沉量進行測量，自航船模從激光測距傳感器的正下方航行通過時，采取激光測距傳感器實時測量自航船舶運動過程中的升沉變化，同一時刻，僅可測量一個點位；需不同時刻測點數據組合，才可以觀測到船模各個測點處的升沉量，而且激光測距傳感器布置在航道正上方，自航船模上表面的面陣ccd只有經過激光測距傳感器的正下方時才可測得豎直距離，進而計算船模不同位置下沉量，當船模從激光測距傳感器正下方駛出便不能測量；(2)船模是進行通航試驗時按照實際船舶等比例縮小的模型設備，其載重是有一定限度的，在通航船模上全覆蓋有面陣ccd會導致影響船模的下沉量大小而影響實驗結果。
技術實現要素：
4.本發明的目的是為了解決上述在船模下沉量測量時同一時刻，僅可測量一個點位的問題，設計了一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量方法。
5.實現上述目的本發明的技術方案為，一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量方法，s1：建立激光接收單元的二維坐標系和船模相對于大地的大地坐標系；s2：測量激光接收單元的二維坐標系坐標原點與船模吃水線之間的距離為h0；s3：使船模沿預設航線在航道模型內航行，激光發射單元發射激光依次掃過激光接收單元上的一組像元，激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到這一組像元到激光接收單元的二維坐標系坐標原點的豎直距離l；s4：激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后，得到在某一時刻激光接收
單元上的坐標讀數對應的絕對高程z，以及激光接收單元所處位置的航道模型設計底高程z
航道底
；s5：上位機接收激光接收單元的二維坐標系坐標原點與船模吃水線之間的距離h0、激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到這一組像元到激光接收單元的二維坐標系坐標原點的豎直距離l、激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到的在某一時刻激光接收單元上的坐標讀數對應的絕對高程z和在上述時刻激光接收單元所處位置的航道模型設計底高程z
航道底
的數據信息并對船模下沉量進行計算。
6.船模下沉量的計算公式為h
下沉
= h
航深-（z-h
0*
cosα
???
l *
cosα
??z航道底
），其中α為船模在航行過程中在航道模型內的傾角，h
下沉
為船模的下沉量。
7.進一步地，所述激光發射單元包括激光發射器a和激光發射器b，所述激光發射器a和所述激光發射器b分別固定于不同高度并且激光發射器a和激光發射器b發出的面激光不交叉。
8.進一步地，所述船模在航道模型內的傾角α的計算公式為α=arccos(z1??
z2)/( l
a-lb)，其中la和lb分別為激光發射器a和激光發射器b發出激光信號后，激光接收單元所顯示的激光信號與激光接收單元的二維坐標系坐標原點之間的距離，z1和z2分別為激光發射器a和激光發射器b相對大地坐標系的高度值。
9.本發明還公開了一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量裝置，應用于上述一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量方法，具體地，包括船模，所述船模外部設置有吃水線；航道模型，所述船模沿航道模型航行；視覺定位設備，用于確定船模的位置，所述視覺定位設備固定于航道模型上方；激光發射單元，用于發射激光信號，所述激光發射單元至少包括兩個激光發射器并且分別固定于所述航道模型(5)的不同位置和不同高度，兩個激光發射器發出的面激光不交叉；激光接收單元，固定于船模上，用于接收激光信號并且將測量得到激光接收單元上的各像元的豎直距離l發送給上位機；上位機，接收激光接收單元的二維坐標系坐標原點與船模吃水線之間的距離h0、激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到這一組像元到激光接收單元的二維坐標系坐標原點的豎直距離l、激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后測量得到的在某一時刻激光接收單元上的坐標讀數對應的絕對高程z和在上述時刻激光接收單元所處位置的航道模型設計底高程z
航道底
的數據信息并對船模下沉量進行計算。
10.進一步地，所述激光接收單元包括至少四組激光接收部，其中兩組激光接收部分別設置于船艏和船艉，另外兩組激光接收部設置于船中兩側。
11.任意一組所述激光接收部包括三個線陣ccd接收器，任意兩個線陣ccd接收器之間呈60度夾角。
12.利用本發明的技術方案制作的一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量方法，達到的有益效果：本發明利用激光發射器與線陣ccd接收器測量船模航行過程中不同位置的下沉量，包括船艏、船艉和船中兩側，激光發射器發射出的面激光自動跟蹤船模上線陣ccd接收器，實時測量船模航行過程中變化幅度，計算得到船模實際下沉量，本方法測量計
算船模航行過程中同一時刻多個測點的下沉量，不會受到船模行駛位置的限制，也無需經過人工測量即可獲得，并且得到的數據比較精確，在進行船模下沉量的計算過程中無需與船模進行接觸便可得到所需的數據信息。
附圖說明
13.圖1是本發明船模與激光發射單元以及激光接收單元的位置關系示意圖；圖2是本發明所述計算方法數據參考示意圖；圖3是本發明船模在航道內傾角的參考示意圖；圖4是本發明線陣ccd接收器在船模上的布置圖；圖中，1、激光發射器a；2、激光發射器b；3、線陣ccd接收器；4、視覺定位相機；5、航道模型；6、船模。
具體實施方式
14.實施例一：下面結合附圖對本發明進行具體描述，一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量方法及裝置，如圖1所示，一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量裝置包括船模6、航道模型5、視覺定位設備、激光發射單元、激光接收單元、上位機和通訊模塊。所述船模6外部設置有吃水線；船模6為具備遙控自航功能的試驗用船模6，航道模型5模擬河流環境，所述船模6沿航道模型5航行。視覺定位設備，用于確定船模6的位置，所述視覺定位設備固定于航道模型5上方；在本實施例中，視覺定位設備包括視覺定位相機4和固定視覺定位相機4的定位支架，視覺定位相機4通過固定支架安裝在航道模型5正上方區域，在航道模型5正上方的區域可安裝多個使其定位范圍可覆蓋航道模型5中的所有位置，在進行安裝之后通過水準儀測量視覺定位相機4高度。視覺定位相機4可以實時監測船模6的位置并將位置信息傳輸給上位機。上位機接收數據信息并對船模下沉量進行計算。激光發射單元，用于發射激光信號。激光接收單元，固定于船模6上，用于接收激光信號并且將測量得到的數據發送給上位機，激光接收單元包括至少四組激光接收部，其中兩組激光接收部分別設置于船艏和船艉，另外兩組激光接收部設置于船中兩側。任意一組所述線陣接收部包括三個線陣ccd接收器3，任意兩個線陣ccd接收器3之間呈60度夾角。
15.一種無接觸自動跟蹤式船模航行下沉量測量方法包括以下步驟：s1：建立激光接收單元的二維坐標系和船模6相對于大地的大地坐標系；如圖2所示，其中激光接收單元的二維坐標系以任意一個線陣ccd接收器3上的一點為原點，以線陣ccd接收器3的縱向方向為z’軸，以線陣ccd接收器3的橫向方向為x’軸，其中x’軸的方向與船模6船身相平行，x’軸的正方向指向船體尾部，z’軸的方向與船模6甲板相垂直。大地坐標系的原點設置于航道模型5底部任意一點，以與激光接收單元的二維坐標系z’軸相平行的方向作為大地坐標系的z軸，以與激光接收單元的二維坐標系x’軸相平行的方向作為大地坐標系的x軸，以與x軸和z軸均垂直的方向作為y軸。
16.s2：測量激光接收單元的二維坐標系坐標原點與船模6吃水線之間的距離為h0；該距離的測量過程如下：吃水線，指船模6載重線，標記于船模6外部用來表明最大吃水深度吃水線位于船模6上的位置是固定的，激光接收單元的二維坐標系坐標原點的位置也是不變
的，在航道模型5外部架設一個水準儀，將船模6處于航道模型5內的靜水環境下并且船模6不運動保持靜止狀態，首先由水準儀向激光接收單元的二維坐標系坐標原點位置處發射一束激光，視覺定位相機4定位該位置并將該位置相對大地坐標系的距離數據h1，傳輸給上位機，進一步調整水準儀的高度，向吃水線處發射一束激光，視覺定位相機4定位該位置并記錄該位置相對大地坐標系的距離數據h2，傳輸給上位機，在大地坐標系下進行計算即可得到h0=h1-h2。
17.s3：使船模6沿預設航線在航道模型5內航行，激光發射單元發射激光依次掃過激光接收單元上的一組像元，激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到這一組像元到激光接收單元的二維坐標系坐標原點的距離l；激光發射單元可選擇為氣體激光器、固體激光器和半導體激光器中的任意一種，激光發射單元用于發射激光信號，所述激光發射單元至少包括兩個激光發射器并且分別固定于所述航道模型5的不同位置和不同高度，在本實施例中，激光發射單元包括激光發射器a和激光發射器b。所述激光發射器a和激光發射器b通過支架固定在試驗河段內或是航道模型5外側均可，確保激光發射器a和激光發射器b的面激光不交叉，避免兩個激光發射器發出的激光信號均被線陣ccd接收器接收到而造成數據紊亂，水準儀測量激光發射器a和激光發射器b的高度。激光發射器a1的高度為z1,激光發射器b2的高度為z2,高度數據通過水準儀測得并記錄在上位機中。
18.如圖1和圖4，激光接收單元具體表現為包括至少四組激光接收部，其中兩個激光接收部分別設置于船艏和船艉，另外兩個設置于船中兩側。其中任意一組激光接收部包括三個線陣ccd接收器3，任意兩個線陣ccd接收器3之間呈60度夾角，保證船模6在行駛過程中船模位置在每個時刻雖然不同但是激光發射單元發出的激光信號都能被不同位置的線陣ccd接收器3接收到。在靜水狀態下，線陣ccd接收器3表面各個點的高程相同，即處于水平狀態，每個線陣ccd接收器3的安裝高度與安裝平行度保持一致，以保證每個線陣ccd接收器3在激光接收單元的二維坐標系下的縱向距離是基于相同的參考系。線陣ccd接收器3垂直與船模6的甲板設置，考慮到船模在航行過程中航向會有不同角度的變化，線陣ccd接收器3存在背向激光發射器而導致激光發射器發出的激光信號不能被線陣ccd接收器3接收到的現象，故在船艏、船艉及船中兩側的線陣激光接收部均包括三個相互連接設置的線陣ccd接收器3，即一組三片，共計12片線陣ccd接收器3，任意兩個線陣ccd接收器3之間呈60度夾角。通過該種方式，無論船模6行駛到航道模型5中的任何一個位置，激光發射單元發出的激光信號均有相對應的線陣ccd接收器3接收到激光信號進而記錄相應的數據進一步對船舶下沉量進行計算，實現在船模6行駛過程中對同一時刻可以對船模6的多個點位均可進行計算。
19.s4：激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后，計算得到在某一時刻激光接收單元上的坐標讀數對應的絕對高程z，以及測量激光接收單元所處位置的航道模型5設計底高程z
航道底
；計算得到某一時刻激光接收單元上的坐標讀數對應的相對大地坐標系的絕對高程z，在該時刻線陣ccd接收器3所處位置的航道模型5設計底高程為z
航道底
，絕對高程z與航道模型5設計底高程z
航道底
均是相對于大地坐標系的距離值數據，對地形數據進行插值計算便可得到z
航道底
的數據值大小。上述數據信息無需經過人工測量即可獲得，并且得到的數據比較精確，使得在進行船模下沉量的計算過程中無需與船模進行接觸便可得到所需的所有數據。
20.插值計算的方法如下：采用三角網線性插值算法。航道底是實際上航道的底面，是
一個曲面，船模航行到不同位置時所具有的航道底高程是不一樣的，航道底高程數據（即物理模型航道地形數據）為離散點數據，是已知的數據。航道底是一個面，在進行計算時首先要找船在這個航道底面上的投影點，找到后計算出高程，該投影點的高程就是船位處地形高程。具體地，首先根據離散點，采用數據點之間的連線建立不規則三角網，用于表達地形曲面。對應某個空間點（如船位處），由視覺定位相機4確定船位處大地坐標系中平面坐標(x,y)的情況下，通過x，y坐標及三角網鏈接信息，查詢船位所處的三角形，并根據三角形頂點坐標高程和船位平面坐標，以線性插值法可得船位處地形高程，即z
航道底
。
21.s5：上位機接收激光接收單元的二維坐標系坐標原點與船模6吃水線之間的距離h0、激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到這一組像元到激光接收單元的二維坐標系坐標原點的豎直距離l、激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到的在某一時刻激光接收單元上的坐標讀數對應的絕對高程z和在上述時刻激光接收單元所處位置的航道模型5設計底高程z
航道底
的數據信息并對船模下沉量進行計算。
22.船模下沉量的計算公式為h
下沉
= h
航深-（z-h
0*
cosα
???
l *
cosα
??z航道底
），其中α為船模6在航行過程中在航道模型5內的傾角，h
下沉
為船模6的下沉量，h
航深
為航道模型5的設計水深。參閱圖2，根據上述公式計算可以得到船模6在航道模型5內航行時的下沉量計算公式，航道模型5的設計水深是在進行試驗前根據航道模型5尺寸以及船模的尺寸重量等設計的設定值，當傾角α為0時，表示船模并未發生傾斜。
23.如圖3所示，船模6在航道模型5內航行時，船模6在航道模型5內的傾角α的計算公式為α=arccos(z1??
z2)/( l
a-lb)，其中la和lb分別為激光發射器a1和激光發射器b2發出激光信號后，激光接收單元所顯示的激光信號與激光接收單元的二維坐標系坐標原點之間的距離，z1和 z2分別為激光發射器a和激光發射器b相對大地坐標系的高度。船模6在航道模型5中航行的過程中會發生沿船模6船身縱向的傾斜，也可能發生沿船模6左舷與右舷方向的傾斜，此時船模6在航道模型5內的傾角α指的是激光接收單元的二維坐標系的z’軸與大地坐標系下的z軸的夾角，由于激光接收單元設置有方向不同的多個線陣ccd接收器3，在對傾角α進行計算時，無論船模6發生橫傾還是縱傾，或是橫傾與縱傾均存在，對傾角α的計算公式都是一樣的。通過該方法進行傾角計算時僅通過一個公式即可。
24.激光接收單元與上位機之間通過通訊模塊相連接，視覺定位相機4和水準儀均與上位機通過通訊模塊連接，將各個數據信息發送至上位機進而實現船模6下沉量的計算。所述通信模塊為無線通信模塊。無線通信模塊可采用藍牙、wifi等多種無線通信模塊進行通信。
25.本實施例中優選如下無線通信模塊：所述無線通信模塊包括與線陣ccd接收單元連接的第一無線信號傳輸設備、與視覺定位相機4連接的第二無線信號傳輸設備、與水準儀連接的第三無線信號傳輸設備與上位機連接的無線信號接收器，線陣ccd接收單元通過第一無線信號傳輸設備將測量到的激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到這一組像元到激光接收單元的二維坐標系坐標原點的豎直距離l以及激光信號在激光接收單元處的絕對高程z發送給無線信號接收器，視覺定位相機4通過第二無線信號傳輸設備將船模6在航道模型5中的位置坐標讀數發送給無線信號接收器，第三無線信號傳輸設備將激光發射器的高度數據傳輸給無線信號接收器，無線信號接收器將接收到的數據發送給上位機。
26.實施例二：在本實施例中，還包括：測量開始前先將激光發射器a1激光發射器b2固定在一定位置不同高度，在航道模型岸邊設置有多個第二線陣ccd激光接收器，不同的第二線陣ccd激光接收器將接受的激光信號轉換為可讀取信息，多個岸邊的線陣ccd激光接收器轉換成的信息組合形成一個激光基準平面，結合該激光基準面，修正校準船模上的線陣ccd接收器讀數，計算得到自航船模實際下沉量。
27.實施例三：與實施例一不同的是，在進行實施例一中的各個數據測量與計算的過程中，根據數模計算可以計算出船艏、船艉任意一點的水面相對大地坐標系原點的豎直距離，即水面線高程z
水面線
，將該數據傳輸給上位機，根據下列公式對船模下沉量進行計算：h
下沉
=z-h
0*
cosα-l
*
cosα-z
水面線
，其中船模下沉量為h
下沉
，激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后，計算得到的在某一時刻激光接收單元上的坐標讀數對應的絕對高程為z，激光接收單元的二維坐標系坐標原點與船模6吃水線之間的距離為h0，激光發射單元發射激光依次掃過激光接收單元上的一組像元，激光接收單元接收到激光發射單元的激光信號后得到這一組像元到激光接收單元的二維坐標系坐標原點的距離l，船模在航道模型內的傾角為α。在由實施例一對船模6下沉量進行測量時，也可以根據水面線高程進行船模下沉量的計算，兩種方式可以擇一適用，也可以同時使用，當同時使用時將兩種方式測得的數據進行對比，進而降低誤差。
28.上述技術方案僅體現了本發明技術方案的優選技術方案，本技術領域的技術人員對其中某些部分所可能做出的一些變動均體現了本發明的原理，屬于本發明的保護范圍之內。