CN105588706A - 一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置及控制方法。此装置可根据模型需要转动的角度、角速率，计算其与电机轴的转动角度及速率的关系，在控制计算机中编程实现需要的电机轴的转动角度及速率的程序，在试验中，由电机控制器操纵电机轴进行相应的运动，电机轴的运动通过传动钢丝绳传到模型的连接板，再通过与连接板上的支撑铰链的共同作用，使超空泡航行体的缩比模型以支撑铰链的中心为轴心在纵向平面内做俯仰角运动，从而模拟超空泡航行体模型在纵向平面内的变姿态运动。

Description

一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于水下自主航行器的流体力学及控制领域，本发明属于涉及超空泡航行体的水洞试验仿真技术和超空泡航行体的运动控制技术的，一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置及控制方法。

背景技术

超空泡航行体是一种借助在水下航行体周围形成完整气泡层从而实现隔绝航行体表面和流体接触，达到减小航行体所受流体阻力并实现加速目的的水下航行体。

水洞试验是一种在循环或重力水洞中对研究对象的模型或缩比模型进行流体和控制方面的测试和研究的试验，目前已经广泛应用于水下航行体或其他水下部件的测试和研究中。

曹伟等在2012年发表的“基于循环水洞设备的超空泡创新实验研究”(2012:67-70)给出了循环水洞超空泡航行体流体力学实验的基本流程和试验模型的形式；JohnDzielski等在2012年发表了“Planing-HullForcesandMomentsonaCylindricalBodyinaCavity”(CAV2012，928-932)其在实验中令模型尾部可有限运动；ArnarHjartarson在2012年发表的“ExperimentalStudyofControlLawsforSupercavitatingVehicles”中给出了一种空化器实时可控的超空泡缩比模型。以上文献可见，目前在超空泡航行体的水洞试验中，所广泛使用的航行体的缩比模型均为通过固定翼型固连在水洞盖板上(只有模型的部分部件可以进行小幅的运动)，通过充气和高速水流等手段使得超空泡航行体的缩比模型周围产生空泡，以此对不同条件下的空泡的形态和其他的流体和控制特性进行测试和研究。以上水洞试验所采用的超空泡航行体的缩比模型，由于其固连在水洞盖板上，好处是能够在水流冲击中保持姿态不变，可适用于多数流体力学特性的测试试验，缺点是，其不能在水流冲击时改变自身姿态，只能通过多组固定姿态实验数据通过公式换算的方法模拟航行体在改变姿态时特性，不能直观的、全面的对超空泡航行体在姿态动态改变时的流体力学和控制特性进行反应。由于超空泡航行体的控制类试验关注的重点是超空泡航行体在姿态动态改变时所受的力及其他流体和结构特性，所以以上文献所给出的这种固定姿态超空泡航行体的缩比模型及其相应结构，无法满足超空泡航行体的控制相关试验的要求。目前，尚未见到能够对超空泡航行体的模型的姿态进行自主控制，并能对某些控制算法进行验证的水洞用超空泡航行体的模型或相关的姿态控制装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单的超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置。本发明的目的还包括提供一种控制效果好的，超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制方法。

一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置，包括控制计算机1、电机控制器2、两个电机、两个电机固定支架、密封件5、传动钢丝绳6、连接件7、支撑铰链8、安装翼型9、超空泡航行体的缩比模型10、水洞上盖板11和水洞下盖板12；

超空泡航行体的缩比模型10位于水洞中，超空泡航行体的缩比模型10通过模型后部连接板上的支撑铰链8与安装翼型9的底端连接，安装翼型9与水洞上盖板11固连，传动钢丝绳6通过连接件7与超空泡航行体的缩比模型10的后部连接板固连，传动钢丝绳6的一端通过安装翼型9后连接在一个电机的轴上，传动钢丝绳6的另一端穿过水洞下盖板12的过孔连接在另一个电机的轴上，过孔使用密封件5保持水密，密封件5不影响钢丝绳6的运动；两个电机分别通过一个电机固定支架固定，且独立于水洞；两个电机均与电机控制器2连接，电机控制器2与计算机连接。

一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制方法，

在进行水洞试验之前，确定超空泡航行体的缩比模型俯仰姿态控制算法为：

α＝β+arctan(X/Y)+δ

其中模型转动的俯仰角为α°，模型的俯仰角初始姿态为β°，误差修正值为δ°；

根据姿态控制算法反推直线电机的运动规律；

在水洞试验中，由控制计算机1发出控制指令，由电机控制器2接收指令并将其发送给电机，两个电机通过同时反向转动电机轴，同时放出和拉伸传动钢丝绳6，钢丝绳6通过连接件7和支撑铰链8带动与超空泡航行体的缩比模型0进行绕支撑铰链8为中心进行的角运动，实现超空泡航行体的缩比模型10在纵向平面内进行俯仰运动。

有益效果

本发明的优点是，弥补了现有水洞超空泡缩比模型都是与翼型完全固连，无法进行可控姿态变化的缺点，本发明的控制装置可以令模型模拟超空泡航行体的动态俯仰角运动，为研究超空泡航行体运动中的充气超空泡模型的流体特性变化及后续的控制策略设计、分析和仿真试验提供试验基础，且不影响其他固定翼型采用的实验装置的安装。

因此本专利设计了一种适用于水洞试验、姿态可控的超空泡航行体的缩比模型的姿态控制装置，此装置能按照设定的规律，使航行体模型在纵向平面内进行可控的变姿态运动，可用于进行相应的流体动力分析和控制算法验证试验。

附图说明

图1可控变姿态超空泡缩比模型结构简图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种在水洞试验中，在纵向平面内对超空泡航行体的缩比模型的姿态进行动态控制的控制装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明面向超空泡航行体水洞试验中的缩比模型的姿态控制装置设计及相应的控制方法。本发明的结构见图1，其结构包括1.控制计算机；2.电机控制器；3.电机；4.电机固定支架；5.密封件；6.传动钢丝绳；7.连接件；8.支撑铰链；9.安装翼型；10.超空泡航行体的缩比模型；11.水洞上盖板；12.水洞下盖板。

本发明针对以往水洞用超空泡缩比模型只能通过安装翼型固定安装，无法进行俯仰方向的角运动的缺点，设计了一款能够通过电机控制超空泡模型在纵向平面内进行俯仰角运动的水洞用超空泡试验缩比模型的姿态控制装置。

本发明描述的，在纵向平面内进行俯仰角运动的水洞用超空泡航行体的缩比模型的姿态控制装置的构成和工作原理如下：

超空泡航行体的缩比模型10通过模型后部连接板上的支撑铰链8与安装翼型9连接，翼型9与水洞上盖板11固连，支撑铰链8与翼型9的底端铰接；传动钢丝绳6通过连接件7与缩比模型10的后部连接板固连，要求传动钢丝绳6在缩比模型10的后部连接板上下两侧是在同一条水平线上；传动钢丝绳6通过翼型11和水洞下盖板12的过孔与两个电机3连接，过孔中均使用密封件5保持水密，要求密封件不能影响钢丝绳6的运动，且钢丝绳6的两端均固定且缠绕在电机3的轴上；两个电机3通过电机固定支架4固定在固定位置，且独立于水洞；两个电机3均通过电机控制器2接收计算机1的指令，计算机1发出控制指令，通过电机控制器2同时命令两个电机3的轴实时反向转动，即在一个电机放出钢丝绳6的同时另一个电机回收钢丝绳6。

控制方法设计：

若直线电机3通过电机轴的转动，放出(收回)的钢丝绳6的长度为X米，

当水洞下盖板12下侧电机收回、水洞上盖板11上侧电机放出钢丝绳6时为正，反之为负；则模型绕支撑铰链8中心点为轴心，转角顺时针为负，逆时针为正；则模型俯仰姿态控制公式如下：

α＝β+arctan(X/Y)+δ；(1.1)

其中模型转动的俯仰角为α°，模型的俯仰角初始姿态为β°，误差修正值为δ°，由于电机、钢丝绳选用及安装的原因，需安装后根据实际情况进行试验，并估计修正值δ。

本发明的工作原理是：首先由试验目的，决定超空泡航行体的缩比模型在纵向平面内需要进行的姿态角运动规律，通过公式(1.1)推导出两个电机3的运动规律，在控制计算机1中根据得到运动规律编程，试验中由控制计算机1发出控制指令，由电机控制器2接收指令并将其发送给直线电机3，两个直线电机3通过实时反向转动电机轴，同时放出和拉伸传动钢丝绳6，钢丝绳6通过连接件7和支撑铰链8带动与模型10进行绕支撑铰链8的中心为轴心进行的角运动，从而实现模型10在纵向平面内进行俯仰运动。若研究静态俯仰姿态时的超空泡航行体动力学特性可以在实验前通过公式(1.1)计算其俯仰角度和电机轴转动圈数之间关系并在实验前驱动模型到指定角度，试验时电机满负载，保证模型俯仰角度在试验中保持不动；若研究控制策略，可在试验开始后，水流稳定或指定水流状态时按预想的模型姿态变化规律进行控制。

本发明属于水下自主航行器设计、控制领域，主要涉及一种可用于对超空泡水下航行体进行流体动力学及控制仿真研究的，姿态可控的超空泡航行体模型的姿态控制装置的设计。

此装置可根据模型需要转动的角度、角速率，计算其与电机轴的转动角度及速率的关系，在控制计算机中编程实现需要的电机轴的转动角度及速率的程序，在试验中，由电机控制器操纵电机轴进行相应的运动，电机轴的运动通过传动钢丝绳传到模型的连接板，再通过与连接板上的支撑铰链的共同作用，使超空泡航行体的缩比模型以支撑铰链的中心为轴心在纵向平面内做俯仰角运动，从而模拟超空泡航行体模型在纵向平面内的变姿态运动。

在进行水洞试验之前，根据试验目的和研究对象，确定需要超空泡航行体的缩比模型要在纵向平面内进行的俯仰运动的规律，并根据此规律和超空泡航行体的缩比模型10的角运动的控制算法(1.1)，反推直线电机3的运动规律，并根据此运动规律在控制计算机中进行编程。

在水洞试验中，在选定的超空泡航行体的开始运动的时刻，由控制计算机1发出控制指令，由电机控制器2接收指令并将其发送给直线电机3，两个直线电机3通过同时反向转动电机轴，同时放出和拉伸传动钢丝绳6，钢丝绳6通过连接件7和支撑铰链8带动与模型10进行绕支撑铰链8为中心进行的角运动，从而实现模型10在纵向平面内进行俯仰运动。若研究静态俯仰姿态时的超空泡航行体动力学特性可以在水洞实验前通过公式计算其俯仰角度和电机轴转动角度及角速率之间关系并在实验前驱动模型到指定角度，电机满负载，保证模型俯仰角度在试验中保持不动；若研究控制策略，可在试验开始后，水流稳定或指定水流状态时按预想模型的俯仰转动规律进行控制。

超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置的控制方法的特征是：

由控制计算机和电机控制器构成了控制装置；由试验的研究内容和目的给出超空泡航行体缩比模型在纵向平面内的角运动要求，通过控制计算机编程实现对电机的控制，通过电机带动传动钢丝绳，由传动钢丝绳和支撑铰链共同驱动超空泡航行体缩比模型绕支撑铰链中心为轴心在纵向平面内进行角运动。

若模型转动的俯仰角为α°，模型的俯仰角初始姿态为β°，误差修正值为δ°，则：

α＝β+arctan(X/Y)+δ；

此公式中，由于电机、钢丝绳选用及安装的原因，需安装后根据实际情况进行试验，并估计修正值δ。

结合附图1，本发明的一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置，由1.控制计算机；2.电机控制器；3.电机；4.电机固定支架；5.密封件；6.传动钢丝绳；7.连接件；8.支撑铰链；9.安装翼型；10.超空泡航行体的缩比模型；11.水洞上盖板；12.水洞下盖板等结构件及其控制方法构成。

其中，超空泡航行体的缩比模型10通过模型后部连接板上的支撑铰链8与安装翼型9连接，翼型9与水洞上盖板11固连，支撑铰链8与翼型9的底端铰接；传动钢丝绳6通过连接件7与缩比模型10的后部连接板固连，要求传动钢丝绳6在缩比模型10的后部连接板上下两侧是在同一条水平线上；传动钢丝绳6通过翼型11和水洞下盖板12的过孔与两个电机3连接，过孔中均使用密封件5保持水密，要求密封件不能影响钢丝绳6的运动，且钢丝绳6的两端均固定且缠绕在电机3的轴上；两个电机3通过电机固定支架4固定在固定位置，且独立于水洞；两个电机3均通过电机控制器2接收计算机1的指令，计算机1发出控制指令，通过电机控制器2同时命令两个电机3的轴实时反向转动，即在一个电机放出钢丝绳6的同时另一个电机回收钢丝绳6。

在进行水洞试验之前，根据试验目的和研究对象，确定需要超空泡航行体的缩比模型要在纵向平面内进行的姿态角运动的规律，并根据此规律和超空泡航行体的缩比模型10的姿态角运动的控制算法(1.1)，反推直线电机3的运动规律，并根据此运动规律在控制计算机1中进行编程。

在水洞试验中，由控制计算机1发出控制指令，由电机控制器2接收指令并将其发送给直线电机3，两个直线电机3通过同时反向转动电机轴，同时放出和拉伸传动钢丝绳6，钢丝绳6通过连接件7和支撑铰链8带动与模型10进行绕支撑铰链8为中心进行的角运动，从而实现模型10在纵向平面内进行俯仰运动。若研究静态俯仰姿态时的超空泡航行体动力学特性可以在水洞实验前通过公式(1.1)计算其俯仰角度和电机轴转动角度及角速率之间关系并在实验前驱动模型到指定角度，电机满负载，保证模型俯仰角度在试验中保持不动；若研究控制策略，可在试验开始后，水流稳定或指定水流状态时按预想模型俯仰转动规律进行控制。

本发明弥补了现有水洞超空泡模型都是与翼型完全固连，无法进行姿态变化的缺点，本发明的模型可以模拟在直线运动中的超空泡航行体的俯仰角运动，为研究运动中的充气超空泡模型的流体特性变化及后续的控制策略设计、分析和仿真试验提供试验基础。

Claims (2)

1.一种超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置，其特征在于：包括控制计算机1、电机控制器2、两个电机、两个电机固定支架、密封件5、传动钢丝绳6、连接件7、支撑铰链8、安装翼型9、超空泡航行体的缩比模型10、水洞上盖板11和水洞下盖板12；

超空泡航行体的缩比模型10位于水洞中，超空泡航行体的缩比模型10通过模型后部连接板上的支撑铰链8与安装翼型9的底端连接，安装翼型9与水洞上盖板11固连，传动钢丝绳6通过连接件7与超空泡航行体的缩比模型10的后部连接板固连，传动钢丝绳6的一端通过安装翼型9后连接在一个电机的轴上，传动钢丝绳6的另一端穿过水洞下盖板12的过孔连接在另一个电机的轴上，过孔使用密封件5保持水密，密封件5不影响钢丝绳6的运动；两个电机分别通过一个电机固定支架固定，且独立于水洞；两个电机均与电机控制器2连接，电机控制器2与计算机连接。

2.一种基于权利要求1所述的超空泡航行体的水洞试验用模型的姿态控制装置的控制方法，其特征在于：

在进行水洞试验之前，确定超空泡航行体的缩比模型俯仰姿态控制算法为：

α＝β+arctan(X/Y)+δ

其中模型转动的俯仰角为α°，模型的俯仰角初始姿态为β°，误差修正值为δ°；

根据姿态控制算法反推直线电机的运动规律；

在水洞试验中，由控制计算机1发出控制指令，由电机控制器2接收指令并将其发送给电机，两个电机通过同时反向转动电机轴，同时放出和拉伸传动钢丝绳6，钢丝绳6通过连接件7和支撑铰链8带动与超空泡航行体的缩比模型0进行绕支撑铰链8为中心进行的角运动，实现超空泡航行体的缩比模型10在纵向平面内进行俯仰运动。