CN106768635A - 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，具体地说是水下航行器浮心测量方法。具体是以水下航行器任一点设为原点,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轴方向的浮心测量以及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的位置，其检测方便，大大提高了工作人员的效率。

Description

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自主式航行体，可在水下承担情报收集、海洋勘探、危险条件下作业等任务，可重复使用。目前已成为世界各国海洋开发和国防建设的重要研究方向之一。

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，其决定着航行时的安全性。浮心与重心的位置决定着水下航行器的稳定性，若两者所处位置不当，将会导致航行器失稳，造成严重后果。因此准确测量浮心与重心的位置非常关键。

通常，规则而密度均匀物体的浮心与重心能够通过一些常规方法得到。但绝大多数的水下航行器是呈不规则形状或质量分布不均，普通的测量方法不再适用。因此如何准确、便捷地测量水下航行器浮心与重心的位置面临着重要挑战。

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，提供水下航行器浮心测量方法。本发明所述的测量方法不需要特定的测量仪器，只通过少量简单的测量工具如钩秤、卷尺、角度测量计等，便可实现测量，操作方便，成本低。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：水下航行器浮心测量方法，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轴方向的浮心测量以及Z轴方向的浮心测量。

进一步的，所述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：

F₁′X₁+F₂′X₄＝GX₃

得到：

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。

进一步的，所述Z轴方向的重心测量包括以下步骤：

通过调整绳的长度将航行器的前端下降，航行器与水平面有夹角α，夹角α测量得到，钩秤示数发生变化，分别变为F₃′、F₄′，

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃′L₁′+F₄′L₃′＝GL₂′

其中：L₁′＝X₁cosα-Rsinα，

L₂′＝X₃cosα+Z₂sinα，

L₃′＝X₄cosα-Rsinα，

X₃为重心在长度方向上的距离；

R为航行器中性线到航行器机身的距离；

Z₂是重心在Z轴方向的距离；

进一步的，所述X轴方向的浮心测量包括以下步骤：

在测量X轴方向重心的基础上，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：

F₁X₁+FX₂+F₂X₄＝GX₃

得到：

F₁、F₂分别为水中悬挂航行器时两个钩秤的示数，X₁、X₄分别为两根绳距参考点的距离，X₃为重心在长度方向上的距离，X₂为浮心在X轴方向的位置坐标；F为航行器的浮力：F＝G-F₁-F₂。

进一步的，所述Z轴方向的浮心测量包括以下步骤：

通过调整绳的长度将浸没在水中的航行器前端上升，航行器与水平面有夹角β，夹角β测量得到，钩秤示数分别变为F₃、F₄，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃L₁+FL₂+F₄L₄＝GL₃

其中：L₁＝X₁cosβ+Rsinβ，

L₂＝X₂cosβ+Z₁sinβ，

L₃＝X₃cosβ-Z₂sinβ，

L₄＝X₄cosβ+Rsinβ，

R为航行器中性线到航行器机身的距离，

Z₁是浮心在Z轴方向的距离：

其中X₃、Z₂、X₂分别根据式[1]、[2]、[3]求得。

本发明提出一种准确而简便的方法用来测量航行器浮心与重心的位置，不需要特定的测量仪器，只通过少量简单的测量工具便可实现测量。本发明成本低，操作简单，适用范围较广，能对绝大多数航行器进行测量，且不受航行器质量分布的影响。本发明测量精度高，测量误差小，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为测量水下航行器X轴方向重心位置示意图。

图3为测量水下航行器Z轴方向重心位置示意图。

图4为测量水下航行器X轴方向浮心位置示意图。

图5为测量水下航行器Z轴方向浮心位置示意图。

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)X轴方向的重心测量：

在图2中，F₁′、F₂′分别为空气中水平悬挂航行器时两个钩秤的示数，航行器的重力为G，则可近似认为G＝F₁′+F₂′。X₁、X₄分别为前后两绳到原点的水平距离，可通过测量工具直接获得，比如通过卷尺测量。X₃为重心在X轴方向的位置坐标，即为所求。

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₁′X₁+F₂′X₄＝GX₃

得到：

由此可知，通过式[1]可计算获得航行器X轴方向的重心距离。

以上计算过程中，也可以以航行器上任一点为参考点获得力矩平衡方程式，但要注意正确测量相应的力与力矩，不同参考点的计算结果应是相同的。

(2)Z轴方向的重心测量

如图3所示，通过调整绳的长度将航行器一端上升或下降任意高度，这里以下降的情况为例进行说明。前端下降后，航行器与水平面有夹角α，角度的测量可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。此时，钩秤示数也发生变化，分别变为F₃′、F₄′。

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃′L₁′+F₄′L₃′＝GL₂′

其中：L₁′＝X₁cosα-Rsinα，

L₂′＝X₃cosα+Z₂sinα，

L₃′＝X₄cosα-Rsinα，

R为航行器中性线到航行器机身的距离，特殊情况下如航行器为圆柱形，则R为航行器的半径。Z₂是重心在Z轴方向的位置坐标：

其中X₃根据式[1]已经求得。由此可知，通过式[2]可计算获得航行器Z轴方向的重心位置。

(3)X轴方向的浮心测量

在测量X轴重心位置的基础上，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。

在图4中，F₁、F₂分别为水中水平悬挂航行器时两个钩秤的示数，航行器的浮力为F，则可近似认为F＝G-F₁-F₂。X₁、X₄保持不变，X₂为浮心在X轴方向的位置坐标，公式[1]已所求。

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₁X₁+FX₂+F₂X₄＝GX₃

得到：

由此可知，通过式[3]可计算获得航行器在X轴的浮心位置。

(4)Z轴方向的浮心测量

通过调整绳的长度将浸没在水中的航行器一端上升或下降任意高度，这里以上升的情况为例进行说明。前端上升后，航行器与水平面有夹角β，角度的测量可通过角度测量计或航行器自带的姿态传感器获得。此时，钩秤示数也发生变化，分别变为F₃、F₄。

如图5所示，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃L₁+FL₂+F₄L₄＝GL₃

其中：L₁＝X₁cosβ+Rsinβ，

L₂＝X₂cosβ+Z₁sinβ，

L₃＝X₃cosβ-Z₂sinβ，

L₄＝X₄cosβ+R sinβ，

R为航行器中性线到航行器机身的距离，特殊情况下如航行器为圆柱形，则R为航行器的半径。Z₁是浮心在Z轴方向的位置坐标：

其中X₃、Z₂、X₂分别根据式[1]、[2]、[3]求得。由此可知，通过式[4]可计算获得航行器Z轴方向的浮心位置。

总体来说，通过式[3]、[4]，可以获得浮心位置相对于原点沿X轴与Z轴方向的距离，故能够确定水下航行器的浮心位置。而对于左右对称设计的水下航行器，通过方程式[1]、[2]、[3]、[4]，便可确定航行器浮心与重心的位置坐标。

需要说明的是，对于某些左右方向不对称的航行器来说，如需测量浮心与重心在Y轴方向上的位置坐标，可以使用测量在X轴方向上位置的方法，测量原理与测量过程是相同的。所以，对于任意形状的水下航行器，都可以准确测量出其浮心与重心的所在位置。

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.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轴方向的浮心测量以及Z轴方向的浮心测量。

2.根据权利要求1所述的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′₁X₁+F′₂X₄＝GX₃

得到：

X₃即重心在X轴方向上的距离；

其中：F′₁、F′₂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＝F′₁+F′₂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：

通过调整绳的长度将航行器的前端下降，航行器与水平面有夹角α，夹角α测量得到，钩秤示数发生变化，分别变为F′₃、F′₄，

以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F′₃L′₁+F′₄L′₃＝GL′₂

其中：L′₁＝X₁ cosα-R sinα，

L′₂＝X₃ cosα+Z₂ sinα，

L′₃＝X₄ cosα-R sinα，

X₃为重心在X轴方向上的距离；

R为航行器中性线到航行器机身的距离；

Z₂是重心在Z轴方向的距离；

得出

4.根据权利要求1所述的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X轴方向重心的基础上，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：

F₁X₁+FX₂+F₂X₄＝GX₃

得到：

F₁、F₂分别为水中悬挂航行器时两个钩秤的示数，X₁、X₄分别为两根绳距参考点的水平距离，X₃为重心在X轴方向上的距离，X₂为浮心在X轴方向的位置坐标；F为航行器的浮力：F＝G-F₁-F₂。

5.根据权利要求1所述的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：

通过调整绳的长度将浸没在水中的航行器前端上升，航行器与水平面有夹角β，夹角β测量得到，钩秤示数分别变为F₃、F₄，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：

F₃L₁+FL₂+F₄L₄＝GL₃

其中：L₁＝X₁cosβ+Rsinβ，

L₂＝X₂cosβ+Z₁sinβ，

L₃＝X₃cosβ-Z₂sinβ，

L₄＝X₄cosβ+Rsinβ，

R为航行器中性线到航行器机身的距离，

Z₁是浮心在Z轴方向的距离：

$\begin{array}{c}{Z}_1=\frac{{\mathrm{GX}}_3\cot \mathrm{\β}-{\mathrm{GZ}}_2-F_3{X}_1\cot \mathrm{\β}-(F_3+F_4)R-{\mathrm{FX}}_2\cot \mathrm{\β}-F_4{X}_4\cot \mathrm{\β}}{F}\\ =\frac{({\mathrm{GX}}_3-F_3{X}_1-{\mathrm{FX}}_2-F_4{X}_4)\cot \mathrm{\β}-{\mathrm{GZ}}_2-(F_3+F_4)R}{F}\end{array}---\[4\]$

其中X₃、Z₂、X₂分别根据式[1]、[2]、[3]求得。