一种用于船模漂移试验的船模自动控制装置及其控制方法

本发明属于船舶与海洋工程试验领域，特别是涉及一种用于船模漂移试验的船模自动控制装置及其控制方法。

背景技术：

1、失控船舶漂移试验是船舶与海洋工程试验研究的重要内容，广泛应用于失控船舶漂移规律研究、桥区船撞风险分析、漂移动力学模型校准以及轨迹预测方法验证等方向。该类试验通常在水池、拖曳水池或风浪水槽中开展，需在给定的风、浪、流或静水条件下，使船模从预设初始位置与初始艏向开始自由运动，并同步记录船模运动参数与外部环境参数，试验结果的准确性高度依赖初始条件的一致性、释放时机的准确性与数据采集的同步性。

2、当前常规的船模释放多采用人工手扶后松开、人工推放、绳索牵引后松开或简易卡扣释放等方式，虽结构简单、易于实施，但存在较为明显的局限性。一方面，人工操作难以保证重复试验中船模初始位置、横向偏移量与艏向角的稳定重复，释放瞬间人工接触容易引入附加水平速度、初始角速度或艏向误差；另一方面，在风浪试验工况下，操作人员无法精准匹配风浪状态释放船模，难以保证释放时刻对应目标风速、目标波高、目标波相位或风浪稳定时段，易造成不同试验批次的初始环境条件存在差异。

3、试验完成后的船模回收同样存在效率与试验真实性的矛盾。单次漂移试验结束后，船模通常处于试验水池下游、池侧或其他远离初始位置的区域，需要通过人工打捞、人工拖拽或重新搬运的方式完成复位，整体操作耗时长，在批量重复试验中会降低试验节奏的一致性。若为提升回收效率直接采用绳索持续连接船模，绳索又会在漂移阶段对船模施加额外牵引约束，干扰船模的自由漂移运动，无法满足自由漂移试验的工况要求。

4、除此之外，人工释放动作与轨迹测量系统、风浪监测设备之间难以实现严格的时间同步，试验的准确起始时刻通常需要后续数据处理时人工判断确定。起始时刻的不确定性会进一步影响漂移速度、艏向角变化率等参数的计算精度，对动力学模型参数辨识、不同工况试验结果对比分析造成不利影响。因此，开发一套可实现船模初始姿态机械定位、风浪条件下同步释放、漂移阶段无有效约束、试验后自动归位的自动化试验装置，对提升船模漂移试验的整体质量与效率具有重要意义。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种用于船模漂移试验的船模自动控制装置及其控制方法，以解决现有船模漂移试验中人工释放导致初始位置与艏向重复性差、释放易引入附加扰动、释放时刻与轨迹测量及风浪记录不同步，且船模回收效率低、常规牵引绳会干扰自由漂移试验真实性的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种用于船模漂移试验的船模自动控制装置，所述船模自动控制装置用于与船模配合，包括池侧支撑定位架、姿态保持定位单元、同步释放机构、控制器、风浪状态检测单元、轨迹测量系统、柔性牵引绳、卷扬机构、导向滑轮和风浪记录系统；所述池侧支撑定位架设置于水池边缘或试验池侧基准位置，所述姿态保持定位单元安装于池侧支撑定位架上，所述姿态保持定位单元用于在释放前与船模的局部基准位置接触，以机械定位方式保持船模的初始位置和初始艏向，所述同步释放机构与姿态保持定位单元连接，所述同步释放机构用于在接收释放触发信号后解除姿态保持定位单元对船模的定位接触，所述风浪状态检测单元与控制器信号连接，所述风浪状态检测单元用于向控制器提供风速、风向、波高、波周期、波相位和/或风浪稳定状态信号，所述控制器分别与同步释放机构、轨迹测量系统以及风浪记录系统信号连接，所述控制器配置为在风浪状态达到预设稳定条件后输出同步触发信号，使同步释放机构解除船模的定位，同时启动轨迹测量系统和风浪记录系统，所述柔性牵引绳的一端与船模连接，另一端经导向滑轮连接至卷扬机构，所述控制器连接并驱动卷扬机构，所述柔性牵引绳在船模漂移阶段处于松弛隔离状态或低张力隔离状态，不对船模的自由漂移产生有效约束，在试验结束后的归位阶段由卷扬机构收绳并切换为张紧牵引状态，以牵引船模返回预设初始区域。

3、更进一步的，所述姿态保持定位单元包括至少两个定位接触点，两个定位接触点分别对应船模的首部、尾部或舷部。

4、更进一步的，所述姿态保持定位单元在释放前与船模形成点接触、线接触或局部面接触，所述姿态保持定位单元在同步释放机构动作后同步离开船模，使船模与姿态保持定位单元之间形成避让间隙。

5、更进一步的，所述姿态保持定位单元的末端结构为半包覆定位叉，所述半包覆定位叉设置在船模的首部、尾部或侧部局部外侧，所述半包覆定位叉具有与船模轮廓相适配的开口结构。

6、更进一步的，所述半包覆定位叉的内侧设置有软质接触垫，释放前，软质接触垫与船模接触。

7、更进一步的，所述预设稳定条件包括风速处于预设范围、风向处于预设范围、波高处于预设范围、波周期处于预设范围、波相位处于预设相位窗口、风浪状态持续稳定达到预设时间中的一种或多种。

8、更进一步的，所述柔性牵引绳的牵引路径上设置有张力缓冲件，所述张力缓冲件用于在柔性牵引绳由松弛隔离状态切换至张紧牵引状态时吸收牵引冲击。

9、更进一步的，船模上设置有船模连接环，所述柔性牵引绳通过船模连接环与船模连接。

10、更进一步的，所述控制器在试验结束条件满足后驱动卷扬机构进入归位阶段，所述试验结束条件包括船模到达预设终止区域、漂移时间达到设定时间、轨迹测量系统输出终止信号、人工确认终止信号中的一种或多种。

11、本发明还包括一种所述用于船模漂移试验的船模自动控制装置的控制方法，包括以下阶段：

12、姿态保持：将船模放置于预设释放区域，通过姿态保持定位单元与船模的局部基准位置接触，保持船模的初始位置与初始艏向；

13、工况检测：风浪状态检测单元实时采集风浪状态参数并传输至控制器，控制器判断风浪状态是否达到预设稳定条件；

14、同步触发：当风浪状态达到预设稳定条件时，控制器输出同步触发信号，控制同步释放机构解除姿态保持定位单元对船模的定位约束，同时启动轨迹测量系统和风浪记录系统；

15、自由漂移：漂移试验阶段，柔性牵引绳保持松弛隔离状态或低张力隔离状态，不对船模的自由漂移产生有效约束；

16、自动归位：试验结束后，控制器驱动卷扬机构收绳，收取柔性牵引绳的松弛余量后使其切换为张紧牵引状态，牵引船模返回预设初始区域。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过姿态保持定位单元在释放前对船模的初始位置和初始艏向进行机械保持，有利于减少人工手扶或人工推放导致的初始位置误差和艏向角误差；通过同步释放机构使多个定位接触点或半包覆定位叉同步解除接触约束，有利于降低单点或单侧先释放导致的附加艏摇角速度和水平扰动。

18、本发明通过风浪状态检测单元和控制器判断风浪是否达到预设稳定条件，并在满足条件时同步触发释放、轨迹测量和风浪记录，使释放时刻、测量起始时刻和外部风浪状态具有统一时间基准，解决了人工释放动作与测量记录不同步、试验起始时刻需后处理人工判断的问题，有利于后续轨迹数据处理、速度估计和动力学模型参数辨识。

19、本发明通过柔性牵引绳的松弛隔离状态和张紧牵引状态切换，使归位牵引装置在漂移阶段不对船模形成有效约束，在归位阶段又能够通过卷扬机构牵引船模返回初始区域，兼顾了自由漂移试验的真实性与试验后的回收效率；牵引路径上设置的张力缓冲件能够吸收牵引冲击，有利于降低船模发生急转、碰撞或连接件损伤的风险。

20、整体而言，本发明有利于降低人工释放和人工回收对试验过程的影响，提高释放起始条件的一致性、重复试验结果的可比性以及批量漂移试验的归位效率，适用于自由漂移、风致漂移、浪致漂移及风浪耦合漂移等多种试验场景。