一种海洋环境下的船舶接触式测量装置

技术领域

本发明属于船体特征参数检测技术领域，具体涉及一种海洋环境下的船舶接触式测量装置。

背景技术

我国目前对船体的定位分类和身份识别的方式大多以远距离采集图像为主。

例如：目标检测方法，就是通过遥感图像来识别船体航行过程中的身份和动力参数信息，但是，由于遥感图像的分辨率低，不利于识别船体的类型和动力参数。

再如：光学卫星图像处理的图像来识别船体动力参数，虽然提高了图像的分辨率，但是光学卫星图像主要限制于天气环境，当云层较厚时，光学卫星图像的识别能力就会大幅下降。

再如：雷达检测定位精确度较差，受工作距离限制，如果雷达波到达目标之前被遮挡，则会出现盲区。

以上船体的检测和测量，都是采用的非接触式的手段。为了提高对船体的测量水平，因此，亟需一种精确度高、信息损失小、不存在检测盲区和不受天气影响的接触式测量装置。

发明内容

本发明的一种海洋环境下的船舶接触式测量装置，为了解决如何对船体进行精确度高、信息损失小、不存在检测盲区的检测，并且不受天气影响。

为了实现上述目的，本发明的一种海洋环境下的船舶接触式测量装置，包括水下无人航行器，水下无人航行器的上表壁固定连接有用于给水下无人航行器提供升力的翼板，翼板的上表壁固定有用于抵住船底的支撑架，翼板上固定有用于监测船信息的传感器组件；所述翼板包括中央翼和两个外翼，两个外翼沿X方向对称设置在中央翼的两端；两个外翼均转动连接在中央翼上，外翼的转动轴线沿X方向，所述翼板上设有驱动外翼转动的驱动组件。

进一步地，所述支撑架设置有两组，沿X方向对称设置在中央翼上；支撑架包括支架A和支架B；支架A和支架B之间设有槽板，槽板的两端分别与支架A和支架B的下端固定连接，槽板上连接有螺栓柱，螺栓柱的轴线竖向设置，螺栓柱固定在中央翼上；支架A的上端沿Y方向并列固定有两个第一连接耳，支架B的上端沿Y方向并列固定有两个第二连接耳，沿Y方向看，第一连接耳和第二连接耳能部分重合；第一连接耳和第二连接耳上共同穿设有外六角圆柱螺栓，外六角圆柱螺栓的轴线沿Y方向，支架A和支架B的上端通过外六角圆柱螺栓和螺母固定连接；外六角圆柱螺栓上套设有套管，套管能绕外六角圆柱螺栓的轴线转动，套管上固定连接有用于与船底抵接的三角框。

在水下无人航行器的动力下，由于翼板产生的升力，支撑架能持续地抵触船体表面；三角框不需要额外的动力元件，就可以绕外六角圆柱螺栓的轴线转动。三角框为三角形结构，不易变形，具有极强的稳定性。支撑架设置有两组，相比于只有一组可以稳定地支撑在船底表面。槽板让支架A和支架B的下端固定连接，让支架A和支架B连接牢固性增加；外六角圆柱螺栓使得第二连接耳能相对于第一连接耳转动，而且套管不能从外六角圆柱螺栓上脱离。

进一步地，所述传感器组件包括底座，底座固定在中央翼上；底座上表壁固定有圆角矩形盘，圆角矩形盘上设有第一单耳连接座，第一单耳连接座的下表壁固定有销柱，销柱的轴线沿竖向设置，第一单耳连接座依靠销柱转动连接在圆角矩形盘上；第一单耳连接座的上端设有第二单耳连接座，第二单耳连接座的下端固定连接有横轴，横轴的轴线沿Y方向，第二单耳连接座依靠横轴转动连接在第一单耳连接座上；所述底座和第一单耳连接座上分别设有用于驱动第一单耳连接座和第二单耳连接座转动的第一舵机和第二舵机；所述第二连接耳上固定有加速度传感器，第二连接耳上固定有激光测角仪。

激光测角仪通过内置算法，计算目标面（船底表面）与激光测角仪平面的夹角，让三角框的上表壁与船底表壁平行，则视为加速度传感器船底表面相切。利用加速度传感器，可以测出船的振动频率和振动加速度，从而反演出船的排水量、主尺度、动力系统性能等技术参数。

进一步地，所述槽板上开设有条形槽，槽板依靠条形槽套设在螺栓柱上，条形槽沿X方向延伸设置，螺栓柱螺纹连接有两个固定螺母，两个固定螺母分别与槽板对应的上表壁和下表壁抵接。

可以让支撑架沿X方向调整位置，也可以让让支撑架沿竖向调整高度。只要拧松固定螺母，沿X方向调整螺栓柱与槽板之间的相对位置，就可以支撑架沿X方向相对于中央翼调整位置；同样的，只要拧松固定螺母，沿竖向调整螺栓柱与槽板之间的相对位置，就可以改变支撑架的高度。设置的条形槽与固定螺母，只需要拧松固定螺母，也便于将支撑架从中央翼上拆卸下来。支撑架由T型钢构成，具有重量轻、强度高、抗扭刚度大、使用寿命长等优点，用于增加结构的稳定性和抗振性，适应海洋复杂环境。

进一步地，所述支架A和支架B的下端分别固定连接有半球形的防磕碰体。

用于防止支撑架在安装时，磕碰中央翼的表面，从而避免中央翼的表面产生磕碰，避免中央翼在水体流过以后由于磕碰产生扰流的情况。

进一步地，所述支架A竖向设置；以Y方向看，设支架A上的其中一点为m点，设支架B上的其中一点为n点，设外六角圆柱螺栓轴线所在点为P点，则∠mpn为30度；所述支架A和支架B上分别固定连接有限位挡板，限位挡板与对应的支架A和支架B垂直。

设计以上角度，主要是跟三角框有关，利用限位挡板来限制三角框的转动角度，让三角框上端的平板尽可能地朝上设置，这样，三角框受到升力贴住船体底面时，始终能三角框的上表壁接触船底，不会出现三角框的角位置接触船底，导致接触面不够大，避免接触不稳定的情况发生。

进一步地，所述翼板采用NACA4415翼型剖面。

三角翼构型设计，并设计前缘为椭圆状曲线，后缘为直线，截面采用直线。分为中央翼与两侧外翼，将外翼相对于中央翼下翻一定角度，以仿生鸟类扑翼过程中，上扑时外翼流线呈拱形以增大升力的目的。

有益效果

本测量装置是通过水下无人航行器作为动力，将支撑架抵接在船底下表壁，再通过加速度传感器对船体的振动频率和振动加速度进行检测，最后再通过反演的方式获取船体动力参数，属于接触式测量，不受天气影响影响。由于是对船底的多个位置点进行测量，所以不存在盲区。精度高是因为避免了遥感的低分辨率。信息损失小是因为接触式测量，振动信息传播没有阻碍。

附图说明

图1是本装置整体的结构示意图；

图2是中央翼与外翼的连接结构的剖视图；

图3是支撑架组件的结构示意图；

图4是传感器组件的结构示意图；

图5是外翼未下翻10度时的升力图；

图6是外翼下翻10度以后的升力图。

1、翼板；2、中央翼；3、外翼；4、连接板；5、转轴杆；6、从动齿轮；7、电机；8、主动齿轮；9、支架A；10、支架B；11、槽板；12、第一连接耳；13、第二连接耳；14、外六角圆柱螺栓；15、套管；16、三角框；17、限位挡板； 19、螺栓柱；20、固定螺母；21、防磕碰体；22、底座；23、圆角矩形盘；24、第一单耳连接座；25、第二单耳连接座；26、横轴；27、加速度传感器；28、凹槽；29、条形槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

见图1和图2，一种海洋环境下的船舶接触式测量装置，包括水下无人航行器（图中未示出），水下无人航行器是没有人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具，也称为水下机器人，是成熟的产品。

水下无人航行器的上表壁固定有翼板1，水下无人航行器与翼板1的安装方式在本实施例中为，在水下无人航行器的上表壁通过螺栓固定连接支架，再在支架上通过螺栓固定连接翼板1。

翼板1采用NACA4415翼型剖面，水下无人航行器连同翼板1作为整体在水下沿直线向下航行时，翼板1上表壁的流体（水）流速大于翼板1下表壁的流体（水）流速，翼板1产生上升力。

该翼板1包括中央翼2和处于中央翼2两端的外翼3，两个外翼3沿中央翼2的中轴线X方向对称设置。中央翼2相对的两端设有驱动组件，两个驱动组件沿中轴线X方向对称设置，用于驱动外翼3转动。X方向与水下无人航行器前进方向一致。

驱动组件包括固定在中央翼2靠近外翼3一侧边缘上的两个连接板4，两个连接板4沿图1中X方向并列设置。外翼3上开设有凹槽28，凹槽28沿竖向贯穿外翼3。外翼3依靠凹槽28套设在对应的连接板4上，换句话说，凹槽28沿X方向的两侧表壁，分别位于对应的两个连接板4沿X方向的两端外侧。

见图2，凹槽28中设有转轴杆5，转轴杆5的两端分别固定在凹槽28沿X方向的两端，转轴杆5的轴线平行于X方向。转轴杆5穿过两个连接板4，连接板4上设有供转轴杆5穿过的穿孔。转轴杆5上套设有轴承，轴承的内圈与转轴杆5的外壁固定连接，轴承的外圈与穿孔的内圈固定连接，外翼3能相对于中央翼2绕转轴杆5的轴线转动，外翼3转动过程中，转轴杆5通过轴承相对于穿孔发生转动。

见图2，驱动组件还包括从动齿轮6，从动齿轮6处于两个连接板4之间，并且从动齿轮6处于凹槽28中，从动齿轮6固定在转轴杆5上，从动齿轮6的轴线与转轴杆5的轴线重合。中央翼2中设有空腔，空腔中固定连接有电机7，电机7的转轴轴线平行于X方向，电机7的转轴上固定连接有主动齿轮8，主动齿轮8的轴线与电机7的转轴轴线重合。主动齿轮8伸出空腔，并与从动齿轮6啮合。

见图3，中央翼2的上表壁设有两组支撑架，支撑架由T型钢构成，具有重量轻、强度高、抗扭刚度大、使用寿命长等优点，，用于贴合船底（目标船）表面。

两组支撑架沿图1中Y方向并列设置，其中Y方向在水平面上与X方向垂直。

见图3，支撑架包括支架A9和支架B10，支架A9沿竖向设置，支架B10和支架A9之间设有槽板11，槽板11的两端分别固定在支架A9和支架B10的下端。支架A9的上端沿图1中Y方向并列设置有两个第一连接耳12，两个第一连接耳12均固定在支架A9上；支架B10的上端沿Y方向并列设置有两个第二连接耳13，两个第二连接耳13均固定在支架B10上。沿Y方向看，第一连接耳12和第二连接耳13能部分重合。第一连接耳12和第二连接耳13上共同穿设有外六角圆柱螺栓14，即，外六角圆柱螺栓14同时穿过两个第一连接耳12和两个第二连接耳13，外六角圆柱螺栓14的轴线沿Y方向。两个第一连接耳12在内侧，两个第二连接耳13在外侧，外六角圆柱螺栓14上螺纹连接有螺母，螺母位于第二连接耳13沿Y方向的外侧，并与第二连接耳13的表壁抵接，外六角圆柱螺栓14远离螺母一端的螺帽与另一个第二连接耳13表壁抵接；外六角圆柱螺栓14和螺母用于将支架A9和支架B10的上端相互固定连接。

见图3，两个第一连接耳12沿Y方向的两个表壁不抵接，在两个第一连接耳12之间设有旋转金属框。旋转金属框包括套管15和三角框16，套管15为圆管，套管15套设在外六角圆柱螺栓14上，套管15能相对于外六角圆柱螺栓14的轴线转动。三角框16沿Y方向看，呈倒三角形，即三角框16的下端为角，上端为板。三角框16的下端角位置固定在套管15的圆周外壁上，三角框16随套管15的转动而转动。本实施例，三角框16沿Y方向看，近似为等边三角形。

支架A9和支架B10沿X方向的两端分别固定有一个限位挡板17，两个限位挡板17分别与对应的支架A9和支架B10垂直。另外，以Y方向看，外六角圆柱螺栓14的轴线所在点设为P点，支架A9上的其中一点设为m点，支架B10上的其中一点设为n点，则∠mpn为30度。

见图3，槽板11上开设有条形槽29，条形槽29沿竖向贯穿槽板11，条形槽29沿X方向延伸设置。中央翼2的上表壁焊接有两个螺栓柱19，螺栓柱19的轴线沿竖向设置。槽板11依靠条形槽29套设在对应的螺栓柱19上，螺栓柱19上螺纹连接有两个固定螺母20，两个固定螺母20分别抵接槽板11竖向上相对的两个表壁，从而通过螺栓柱19和固定螺母20，将支撑架安装在中央翼2上。支撑架可以沿X方向调整位置，也可以沿竖向调整高度。

支架A9和支架B10的下端均固定有半球形的防磕碰体21，防止在支撑架下调高度时，支架A9和支架B10尖锐的下端划伤中央翼2。

本测量装置还包括传感器组件。传感器组件设置在中轴线X上。

传感器组件包括底座22，底座22为矩形板，水平放置，通过螺栓固定在中央翼2上。底座22的上表壁通过螺栓固定有圆角矩形盘23，圆角矩形盘23的正中间沿竖向开设有开孔（未示出），开孔中设有轴承，轴承的外圈与开孔的内壁固定连接，轴承的轴线沿竖向。圆角矩形盘23的上方设有第一单耳连接座24，第一单耳连接座24的下表壁固定连接有圆柱形的销柱（未示出），销柱的轴线沿竖向设置，销柱伸入到开孔中，轴承的内圈与销柱的外壁固定连接。底座22中设有空腔，空腔中固定有第一舵机，第一舵机的转轴与销柱固定连接，并且第一舵机的转轴轴线与销柱的轴线重合，第一舵机带动销柱以及第一单耳连接座24作为整体绕销柱的轴线转动。

见图4，第一单耳连接座24的上端设有第二单耳连接座25，第二单耳连接座25与第一单耳连接座24形状相同，第二单耳连接座25为第一单耳连接座24倒置形成。第二单耳连接座25下端固定有横轴26，横轴26的轴线沿水平方向，第一单耳连接座24的上端套设在横轴26上，第二单耳连接座25和横轴26作为整体能沿横轴26的轴线相对于第一单耳连接座24转动。第一单耳连接座24上固定有第二舵机，第二舵机的转轴与横轴26固定连接，且第二舵机的转轴轴线与横轴26的轴线重合，第二舵机用于带动第二单耳连接座25和横轴26作为整体转动。

见图4，第二单耳连接座25的上表壁固定有加速度传感器27，前述支撑架的顶端高于加速度传感器27。另外，第二单耳连接座25的上表壁还安装激光测角仪，紧靠加速度传感器27。激光测角仪测得船体外表面与加速度传感器27的夹角后，控制第一舵机和第二舵机单独转动，以调整加速度传感器27至合适的角度（即加速度传感器27与船底表面相切时的角度）。加速度传感器27不与船体表壁接触，只有船底的表壁相切。

激光测角仪设置有多个反射式激光测距传感头，分别测量目标面（船底）上不同位置的点到测角仪的距离，再通过内置算法，计算目标面与激光测角仪平面的夹角。从而判断第二单耳连接座25的上表壁与船底表面是否相似相切，如果是相切，则也认为加速度传感器27也与船底表面相切。

本装置的使用过程：

整个测量装置在水下行进，水下无人航行器提供水平牵引力，翼板1给水下无人航行器提供升力；翼板1、支撑架和传感器组件作为整体，其重力又给水下无人航行器施加向下的压力。设计时，当外翼3与中央翼2几乎处于同一平面时（即图1状态时），升力与压力大小相等，方向相反，为一对平衡力。水下无人航行器在水平牵引力下，仍然在水下沿直线移动。

当水面上出现目标船，需要对目标船进行测量，则水下无人航行器携带支撑架和传感器组件从水下，靠近船底。

具体地，首先，电机7带动主动齿轮8转动，主动齿轮8与从动齿轮6啮合，所以从动齿轮6转动，从动齿轮6与转轴杆5固定连接，所以转轴杆5转动，转轴杆5与外翼3固定连接，所以外翼3也转动。外翼3相对于中央翼2下翻10度。此时，整个翼板1所受升力，大于原先外翼3未下翻时受到的升力，参考图5和图6，经过仿真可知，在外翼3（两个外翼3同时）相对于中央翼2下翻10度后，升力明显大于原先未下翻时受到的升力。所以在合力的作用下，水下无人航行器向水面移动，从水下逐渐往水面移动，该过程中，依靠水下无人航行器的尾桨保持水下无人航行器姿态稳定。

水下无人航行器追到目标船并位于目标船的船底以后，水下无人航行器调整航速与目标船的航速相等。水下无人航行器在合力的作用下，连同支撑架和传感器组件作为整体逐渐靠近目标船的船底。直至最终，三角框16的上表壁贴住目标船的船底，贴住以后，水下无人航行器的航速之后与目标船体的航速保持相等。

激光测角仪通过内置算法，计算目标面（船底表面）与激光测角仪平面的夹角，让三角框的上表壁与船底表壁平行，则视为加速度传感器27船底表面相切。

加速度传感器27测量目标船的技术参数与振动信息（主要是振动频率和振动加速度），通过声振特性分析，得到目标船舶关键动力特征参数，将数据通过水下航行器加密传送给通信卫星，继而传送至岸边基站进行解码，通过目标船舶关键动力特征参数反演出排水量、主尺度、动力系统性能等技术参数。

上述过程只是测量了船底的其中一个点，其他点依此类推。

接着，外翼3相对于中央翼2上翻10度回到图1状态，翼板1受到的升力变小，翼板1对水下无人航行器施加的升力和支撑架、传感器组件以及翼板作为整体对水下无人航行器的压力再次成为平衡力。通过水下无人航行器的水平牵引力，水下无人航行器会载着支撑架和传感器组件水平移动，到达船底的其他位置，直至支撑架的三角框16重新抵触船底的其他位置，重复上述过程，对其他位置再次进行测量。

本发明的好处在于：

本测量装置是通过水下无人航行器作为动力，将支撑架抵接在船底下表壁，再通过加速度传感器对船体的振动频率和振动加速度进行检测，最后再通过反演的方式获取船体动力参数，属于接触式测量，不受天气影响影响。由于是对船底的多个位置点进行测量，所以不存在盲区。精度高是因为避免了遥感的低分辨率。信息损失小是因为接触式测量，振动信息传播没有阻碍。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。