一种划桨训练装置的水阻计算方法

本发明涉及划桨训练，特别是涉及一种划桨训练装置的水阻计算方法。

背景技术：

1、目前，陆上龙舟训练装置和划桨训练装置普遍采用单自由度划船器、阻尼器或普通拉力机构，其结构形式更接近于通用划船训练器，难以模拟龙舟运动中船桨在真实水体中的所受阻力和划桨感觉。

2、如中国发明专利申请cn105288978a公开了一种用于失重环境的柔索驱动航天员划船训练器及使用方法，该训练器包括负载控制单元、船桨单元、座椅单元、虚拟显示单元，负载控制单元由柔索缠绕轮、电机支架、力矩电机和导向轮组成；船桨单元由船桨、船桨支架组成，船桨与船桨支架球铰连接，柔索与船桨连接，柔索的伸缩量通过电机末端的编码器测量。根据柔索的伸缩量确定船桨末端在虚拟水面中位置以及在水中的划动速度、划动阻力；根据流体力学确定船桨末端的阻力，然后将阻力分解为各柔索上的期望分力fdi，向各负载控制单元发送指令，负载控制单元实时采集电机的驱动电流i，根据tm=cm.i，tm为电机的驱动力矩，cm为电机力矩系数，确定各柔索的张力，控制各负载控制单元分别向船桨施加阻力fi。

3、现有柔索驱动航天员划船训练器利用负载控制单元模拟运动阻力，通过柔索将负载力传递给船桨，模拟船桨在水中划动时受到的运动阻力。但是，柔索对船桨为单点牵引方式，上述负载控制单元忽略了船桨角度、划动方向及浸入深度改变引起的阻力变化，亟需一种模拟船桨真实水感的水阻计算方法。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：柔索对船桨为单点牵引方式，负载控制单元忽略了船桨角度、划动方向及浸入深度改变引起的阻力变化，亟需一种模拟船桨真实水感的水阻计算方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种划桨训练装置的水阻计算方法的技术方案：

3、划桨训练装置的水阻计算方法，该划桨训练装置通过伺服电机和拉线对船桨施加阻力，船桨设有姿态传感器用于获取船桨的姿态角信息，包括以下步骤：

4、s1、根据船桨的空间姿态，获得船桨坐标系原点的位置

p

t(

t)及姿态矩阵

r(

t)；计算船桨位置和姿态随时间的变化，得到船桨的线速度

v

t(

t)和角速度

ω(

t)；

5、s2、将船桨的桨面划分为

i个面元，设第

i个面元中心在船桨坐标系下的位置为

r

i，该面元在世界坐标系下的速度为

v

i(

t)，满足：

6、；

7、在模拟流动水体环境中，设定水流速度为

v

ω，面元相对水体速度为

u

i(

t)，则

u

i(

t)=

v

i(

t)-

v

ω；

8、s3、设第

i个面元面积为

a

i，面元法向量为

n

i，水体密度为

ρ，阻力系数为

c

d，浸入修正系数为

k

i；第

i个面元的法向相对速度为

u

n,i(

t)，；该面元受到的水阻为d

f

i(

t)，满足：

9、；

10、s4、将各面元水阻进行叠加，得到船桨桨面所受总水阻

f

w(

t)，

11、。

12、进一步的，所述水阻计算方法还包括：

13、步骤s5、以船桨参考点为矩心，得到对应水阻力矩

m

w(

t)，

14、。

15、进一步的，该划桨训练装置的伺服电机和拉线均设有多个，各拉线经导线轮调整出线位置；

16、在步骤s5中，设第

j个拉线在船桨上的固定点为

q

j，该拉线对应导线轮出线点为

a

j，该拉线方向的单位向量为

u

j，满足：

17、。

18、进一步的，在步骤s5中，设第

j个拉线的张力为

t

j，该拉线张力对船桨产生的力为

f

j，该拉线张力对船桨产生的力矩为

m

j，满足：

19、

20、。

21、进一步的，该划桨训练装置的各伺服电机的电机轴均设有收线轮，各伺服电机通过其收线轮卷绕一个拉线；

22、所述水阻计算方法还包括：步骤s6、设第

k个伺服电机的收线轮的等效半径为

r

k，传动效率为

η

k，第

k个伺服电机的目标力矩为

τ

k(

t)，满足：

23、。

24、进一步的，该划桨训练装置的各伺服电机均配备电机编码器，根据电机编码器的计数变化量计算出拉线的长度变化量；

25、在步骤s1中，已知第

i个伺服电机的电机编码器的计数变化量为δ

n

i，电机编码器每转对应的计数值为

n

0，得到第

i个伺服电机的电机轴的转角变化量δ

θ

i，

26、。

27、进一步的，在步骤s1中，已知第

i个收线轮的等效卷绕半径为

r

i，则第

i个拉线的长度变化量为δ

l

i，满足：。

28、进一步的，该划桨训练装置的船桨连接有三个拉线和一个测量线，测量线连接有测量编码器；

29、在步骤s1中，根据三个拉线的长度变化量、一个测量线的长度变化量以及姿态传感器获取的姿态角信息，建立船桨空间姿态正解模型；再根据船桨空间姿态正解结果，得到船桨坐标系原点的位置

p

t(

t)及姿态矩阵

r(

t)。

30、进一步的，在步骤s1中，以船桨的桨面中心建立船桨坐标系，三个拉线在船桨上的固定点分别为：

b1、

b2、

b3；测量线在船桨上的固定点为

b4；

31、其中，船桨坐标系在世界坐标系下的位置坐标为

x、

y、

z，航向角为

γ；设第

i个固定点在船桨坐标系下的坐标为

b

i，对应导线轮出线点在世界坐标系下的坐标为

a

i，则第

i个拉线的理论长度为，

32、。

33、进一步的，在步骤s1中，将理论长度与各编码器测得的实际长度

l

i比较，构建残差模型：

34、；

35、通过最小化三个拉线和一个测量线的长度残差，求得船桨坐标系原点位置和航向角，进而得到船桨在运动过程中的空间姿态参数。

36、本发明的一种划桨训练装置的水阻计算方法与现有技术相比，其有益效果在于：该划桨训练装置的水阻计算方法是根据船桨的空间姿态来计算所需的模拟水阻，其中，划桨训练装置通过伺服电机和拉线对船桨施加阻力，船桨设有姿态传感器用于获取船桨的姿态角信息，通过拉线的长度变化和姿态传感器检测的姿态角信息相结合，能够得出船桨的空间姿态。根据该空间姿态可以获得船桨坐标系原点位置和姿态矩阵，进而计算出船桨位置和姿态随时间的变化，即船桨的线速度

v

t(

t)和角速度

ω(

t)，这是完成水阻计算的关键已知参数。

37、计算过程如下：将船桨的桨面划分为

i个面元，设第

i个面元中心在船桨坐标系下的位置为

r

i，该面元在世界坐标系下的速度；考虑在模拟流动水体环境中绝对速度和相对速度的差值，即面元相对水体速度

u

i(

t)=

v

i(

t)-

v

ω。然后，设第

i个面元面积为

a

i，面元法向量为

n

i，水体密度为

ρ，阻力系数为

c

d，浸入修正系数为

k

i；第

i个面元的法向相对速度为

u

n,i(

t)，，则该面元受到的水阻，可以得到船桨桨面的某一面元在流动水体环境中所受到的面元水阻。

38、最后，将各面元水阻进行叠加，得到船桨桨面所受总水阻

f

w(

t)。伺服电机作为划船训练装置的阻力源，并不会主动驱动船桨工作，根据上述水阻计算方法得到总水阻

f

w(

t)，在划桨过程中随着船桨的空间姿态发生变化，伺服电机通过拉线对船桨实时施加总水阻

f

w(

t)，使船桨运动过程始终受到反向阻力加载。该总水阻

f

w(

t)不仅限于船桨位置变化所产生的水阻，而且考虑了船桨角度、划动方向及浸入深度改变引起的阻力变化，从而模拟了船桨在水中运动时的动态阻力和真实水感。