CN106768634A - 一种水下航行器浮心测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下航行器领域，具体地说是一种水下航行器浮心测量方法。具体是以水下航行器某一点设为原点，建立三维立体模型，设长度方向X轴、宽度方向Y轴、竖直方向Z轴，测量包括X轴方向的重心测量、Z轴方向的重心测量、X轴方向的浮心测量和Z轴方向的浮心测量。本发明原理简单，对测量数据基于力矩平衡原理进行科学计算，适用范围较广，不受物体质量分布的影响。本发明测量精度高，可以通过该方法准确测量水下航行器浮心位置，其检测方便，大大提高了工作人员的效率。

Description

一种水下航行器浮心测量方法

技术领域

本发明涉及水下航行器领域，具体地说是一种水下航行器浮心测量方法。

背景技术

水下航行器是一种航行于水下的航行体，它能够完成水下勘探、水下侦测甚至是水下军事任务。在海洋开发日益重要的今天，水下航行器越来越受到各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。

浮心与重心位置的设计是提高水下航行器安全系数的一个重要方式。对于任何一种水下航行器来说，水下航行的稳定性是至关重要的，它决定着航行器航行的安全性。浮心与重心的位置决定着水下航行器的稳定性，位置距离过大或过小都会导致航行器失稳，造成严重后果。因此准确测量浮心与重心的位置是非常关键的。

通常，规则而密度均匀物体的浮心能够通过一些常规方法得到。但绝大部分水下航行器是呈不规则形状或质量分布不均的，普通的测量方法不再适用。针对这个问题，有些测量方法通过实验仪器或装置进行测量，这种测量方法成本高，操作复杂，且易受外界条件限制。有些测量方法虽然简单，但测量结果不精确，测量误差大。所以如何才能准确、便捷地测量水下航行器浮心位置已成为急需解决的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，对于圆柱形水下航行器，提出一种准确而简便的方法用来测量航行器浮心位置，该方法操作简单，测量成本低，且适用范围较广，为航行器的稳定性分析提供依据。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：以水下航行器前端头设为原点，建立三维立体模型，设长度方向X轴、宽度方向Y轴、竖直方向Z轴，测量包括X轴方向的重心测量、Z轴方向的重心测量、X轴方向的浮心测量和Z轴方向的浮心测量。

作为优选，上述中测重心X轴方向的距离包括以下步骤：

用两根绳分别在前后两处悬挂起水下航行器，悬挂点位于航行器宽度方向的中间位置，将两根绳分别挂在钩秤上，钩秤固定在合适的支撑物上，通过调整两根绳的长度使航行器处于水平状态，

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

X₃即重心在长度方向上的距离；

其中：F₁、F₂分别为两悬挂钩秤的示数；

G为水下航行器的重力，可通过G＝F₁+F₂得到；

X₁、X₄分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)；

作为优选，上述中测重心Z轴方向的距离包括以下步骤：

将水下航行器前后处分别放置在两根相同的光滑杆上，航行器处于水平状态；

在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂重力为g₁的重物，使航行器产生角度为α的偏转角，

根据力矩平衡方程

g₁×R×cosα＝G×h₁×sinα

得到重心Z轴方向的距离：

其中：g₁为悬挂重物在空气中的重力；

R为航行器的半径；

G为航行器的重力；

α为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。

作为优选，上述中测浮心X轴方向的距离包括以下步骤：

在测量长度方向重心的基础上，将航行器全部浸没在水中，使航行器处于水平状态，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃X₄+F₄X₁+FX₂＝GX₃

推出：

X₂即为浮心在X轴方向的距离；

其中：F₃、F₄分别为两悬挂钩秤的示数；

G为水下航行器的重力；

F为水下航行器的浮力，通过F＝G-F₃-F₄得到；

X₃为重心在X轴方向的距离；

X₁、X₄分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)。

作为优选，Z轴方向的浮心测量包括以下步骤：

将水下航行器全部浸没在水中，前后处放置在两根相同的光滑杆上，保持航行器处于水平状态，在水下航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂净重力为g₂的重物，使航行器产生偏转角β；

根据力矩平衡方程

g₂×R×cosβ＝G×h₁×sinβ+F×h₂×sinβ

所求的浮心在竖直方向Z轴距离为：

其中：g₂为悬挂重物在水中的净重力；

R为航行器的半径；

G、F分别为航行器的重力与浮力；

h₁为重心竖直(Z轴)方向距离；

β为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。

本发明原理简单，对测量数据基于力矩平衡原理进行科学计算，适用范围较广，不受物体质量分布的影响。本发明测量精度高，可以通过该方法准确测量水下航行器的浮心位置，其检测方便，大大提高了工作人员的效率。

附图说明

图1为本发明坐标系图。

图2为本发明重心长度方向(X轴)的距离示意图。

图3为本发明航行器沿X轴方向的平面图。

图4为本发明重心偏转示意图。

图5为本发明浮心长度方向(X轴)的距离示意图。

图6为本发明航行器水中沿X轴方向的平面图。

图7为本发明浮心偏转示意图。

具体实施方式

一、下面结合附图详细说明本发明。

如图1所示，由于水下航行器在设计过程中宽度方向(Y轴)一般按完全对称设计，因此只需测量出沿长度方向(X轴)和竖直方向(Z轴)的浮心与重心位置即可。坐标系如图1所示。

(1)测重心在X轴方向的距离

用两根绳分别在前后两处悬挂起水下航行器，将两根绳分别挂在钩秤上，钩秤在量程满足的情况下要求测量精度尽可能高，这样能使最终的计算结果精确。然后将钩秤固定在合适的支撑物上，通过调整两根绳的长度使航行器处于水平状态，如图2所示。将航行器最前端的中心点设为坐标系的原点。以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₁×X₄+F₂×X₁＝G×X₃

推出：即重心在长度方向上的距离。

其中：F₁、F₂分别为两悬挂钩秤的示数；

G为水下航行器的重力，可通过G＝F₁+F₂得到；

X₁、X₄分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)，可通过测量工具直接获得，比如通过卷尺测量。

(2)测Z轴方向的重心距离包括以下步骤：

如图3所示，将水下航行器放置在两根相同的光滑杆上，杆要尽可能光滑，减小摩擦力对实验的影响，两根杆分别位于航行器前后处的下方。初始状态下，航行器处于水平状态。如图4所示。在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂一重力为g₁的重物，使航行器产生角度为α的偏转角。

根据力矩平衡方程

g₁×R×cosα＝G×h₁×sinα

得到重心在竖直方向Z轴的距离：

其中：g₁为悬挂重物在空气中的重力；

R为航行器的半径；

G为航行器的重力，已求得；

α为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。

(3)测浮心长度方向X轴的距离

在测重心在长度方向X轴距离的基础上，将航行器全部浸没在水中。如果航行器在水中的浮力大于重力，可在两根悬挂绳的正下方添加配重，保证航行器能全部浸没在水中，但要注意在记录绳的拉力(钩秤示数)时要减去配重在水中的净重力。通过调整两根绳的长度，使航行器处于水平状态。如图5所示，将航行器最前端的中心点设为坐标系的原点。

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃X₄+F₄X₁+FX₂＝GX₃

推出：

X₂即为浮心在长度方向X轴的距离。

其中：F₃、F₄分别为两悬挂钩秤的示数；

G为水下航行器的重力；

F为水下航行器的浮力，通过F＝G-F₃-F₄得到；

X₃为重心在长度方向的距离，上述已求得；

X₁、X₄分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)，已测得。

(4)测浮心在竖直方向Z轴的距离

将水下航行器全部浸没在水中，前后处放置在两根相同的光滑杆上。初始状态下，航行器处于水平状态，如图6所示，在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂净重力为g₂的重物，使航行器产生角度为β的偏转角。如图7所示，根据力矩平衡方程

g₂×R×cosβ＝G×h₁×sinβ+F×h₂×sinβ

所求的浮心在竖直方向Z轴的距离为：

其中：g₂为悬挂重物在水中的净重力；

R为航行器的半径；

G、F分别为航行器的重力与浮力，已求得；

h₁为重心在竖直方向Z轴的距离，上述已求得；

β为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。

综上，对于宽度方向对称的圆柱形水下航行器，通过上述实验步骤，可以测得浮心与重心在长度方向和竖直方向的坐标，这样就可以完全确定水下航行器浮心与重心的位置。为航行器的稳定性分析提供依据，实现航行器稳定快速地航行。

需要说明的是，对于某些宽度方向不对称的航行器来说，如需测量浮心与重心在宽度方向(Y轴)的位置坐标，可以使用测量长度方向(X轴)位置坐标的方法，测量原理与测量过程是相同的。所以，对于水下航行器来说，可以准确测量出浮心与重心的位置。

尽管上面对本发明的优选实例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：以水下航行器前端头设为原点，建立三维立体模型，设长度方向X轴、宽度方向Y轴、竖直方向Z轴，测量包括X轴方向的重心测量、Z轴方向的重心测量、X轴方向的浮心测量和Z轴方向的浮心测量。

2.根据权利要求1所述的一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：X轴方向的重心测量包括以下步骤：

用两根绳分别在前后两处悬挂起水下航行器，悬挂点位于航行器宽度方向的中间位置，将两根绳分别挂在钩秤上，钩秤固定在合适的支撑物上，通过调整两根绳的长度使航行器处于水平状态，

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

$F_1\×X_4+F_2\×X_1=G\×X_3\→X_3=\frac{F_1\×X_4+F_2\×X_1}{G},$

X₃即重心在X轴方向上的距离；

其中：F₁、F₂分别为两悬挂钩秤的示数；

G为水下航行器的重力，可通过G＝F₁+F₂得到；

X₁、X₄分别为两根绳距参考点的水平距离。

3.根据权利要求1所述的一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：Z轴方向的重心测量包括以下步骤：

将水下航行器放置在两根相同的光滑杆上，两根光滑杆分别位于航行器前后处的下方，航行器处于水平状态；

在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂重力为g₁的重物，使航行器产生角度为α的偏转角，

根据力矩平衡方程

g₁×R×cosα＝G×h₁×sinα

得到重心在Z轴方向的距离：

$h_1=\frac{g_1\×R\×cos\mathrm{\α}}{G\×\sin \mathrm{\α}}=\frac{g_1\×R\×\cot \mathrm{\α}}{G}$

其中：g₁为悬挂重物在空气中的重力；

R为航行器的半径；

G为航行器的重力；

α为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。

4.根据权利要求1所述的一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：X轴方向的浮心测量包括以下步骤：

在测量长度方向重心的基础上，将航行器全部浸没在水中，使航行器处于水平状态，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃X₄+F₄X₁+FX₂＝GX₃

推出：

X₂即为浮心在X轴方向的距离；

其中：F₃、F₄分别为两悬挂钩秤的示数；

G为水下航行器的重力；

F为水下航行器的浮力，通过F＝G-F₃-F₄得到；

X₃为重心在X轴方向的距离；

X₁、X₄分别为两根绳距参考点的水平距离。

5.根据权利要求1所述的一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：Z轴方向的浮心测量包括以下步骤：

将水下航行器全部浸没在水中，前后处放置在两根相同的光滑杆上，保持航行器处于水平状态，在水下航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂净重力为g₂的重物，使航行器产生偏转角β；

根据力矩平衡方程：

g₂×R×cosβ＝G×h₁×sinβ+F×h₂×sinβ

所求的浮心竖直方向Z轴距离为：

$h_2=\frac{g_2\×R\×cos\mathrm{\β}-G\×h_1\×\sin \mathrm{\β}}{F\×\sin \mathrm{\β}}=\frac{g_2\×R\×\cot \mathrm{\β}-G\×h_1}{F}$

其中：g₂为悬挂重物在水中的净重力；

R为航行器的半径；

G、F分别为航行器的重力与浮力；

h₁为重心在Z轴方向的距离；

β为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。