CN108007642B - 一种不规则水下航行器浮心测量装置及方法 - Google Patents

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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Abstract

本发明提出一种不规则水下航行器浮心测量装置及方法，将不规则水下航行器置于水下，航行器在自身浮力、自身重力、固连工装重力、传感器作用力的共同作用下平衡，以浮心测量装置某一点为原点建立基准坐标系，采用三点测量法，通过采集称重传感器的输出信号，根据静力平衡原理和静力矩平衡原理进行计算得出航行器的浮力和浮心参数。

Description

一种不规则水下航行器浮心测量装置及方法
技术领域
本发明涉及无人水下航行器领域，具体为一种不规则水下航行器浮心测量装置及方法。
背景技术
水下航行器航行器已广泛应用于情报搜集、勘测战场、反潜作战、海洋勘测等任务，目前已成为世界各国国防建设和海洋开发的重要研究方向之一。对于高速航行的水下航行器，当其重、浮心位置处理不当时，将很难调整其航行方向和姿态，容易造成航行器偏离轨道或无法命中目标。因此准确测量浮心位置至关重要。
通常无人水下航行器呈不规则形状且质量分布不均匀，普通方法不能准确、便捷地测量无人水下航行器的浮心位置。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，实现测量水下无人航行器的浮力及浮心等相关参数的目的，本发明提出一种不规则水下航行器浮心测量装置及方法，将不规则水下航行器置于水下，航行器在自身浮力、自身重力、固连工装重力、传感器作用力的共同作用下平衡，以浮心测量装置某一点为原点建立基准坐标系，采用三点测量法，通过采集称重传感器的输出信号，根据静力平衡原理和静力矩平衡原理进行计算得出航行器的浮力和浮心参数。
本发明的技术方案为：
所述一种不规则水下航行器浮心测量装置，其特征在于：包括测量平台、调平装置、升降装置、称重组件、测控及数据采集系统；
所述测量平台包括底座和安装基座；所述底座上装有旋转机构和推杆机构；所述安装基座上表面与旋转机构连接，安装基座边缘与推杆机构连接，推杆机构能够推动安装基座绕旋转机构摆动；安装基座下表面连接被测水下航行器；
所述调平装置、升降装置和称重组件成套配合使用，且数量为三；所述升降装置和称重组件安装在调平装置上，调平装置放置在水池台面上，通过各套设备中的调平装置配合使用，使各套设备中的称重组件能够同时受力且受力均匀；
所述升降装置包括电机和顶块，电机能够带动顶块在Z方向运动，且各套设备中的升降装置同步运动能够同步支撑底座；所述Z方向为竖直方向，所述称重组件包括Z方向布置的称重传感器，当电机带动顶块在Z方向向下运动，顶块脱离底座后，由称重传感器支撑底座并测力；
所述测控及数据采集系统能够采集称重传感器的输出信号。
进一步的优选方案，所述一种不规则水下航行器浮心测量装置，其特征在于：在顶块的运动行程内安装有行程开关；当电机带动顶块在Z方向向上运动并触发上行程开关时，电机停止，顶块支撑底座；当电机带动顶块在Z方向向下运动并触发下行程开关时，电机停止，顶块脱离底座，称重传感器支撑底座。
进一步的优选方案，所述一种不规则水下航行器浮心测量装置，其特征在于：底座上安装有限位开关；当推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动并触发限位开关时，推杆机构停止。
进一步的优选方案，所述一种不规则水下航行器浮心测量装置，其特征在于：所述调平装置由机座与螺杆组成，升降装置和称重组件安装在机座上；通过旋转螺杆对机座进行调平。
进一步的优选方案，所述一种不规则水下航行器浮心测量装置，其特征在于：推杆机构上安装有锁紧机构，当推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度后，锁紧机构能够将推杆机构锁定。
进一步的优选方案，所述一种不规则水下航行器浮心测量装置，其特征在于：所述测控及数据采集系统能够控制各套设备中的电机同步运动，控制推杆机构运动，并采集行程开关以及限位开关信号，并根据行程开关以及限位开关信号分别控制电机和推杆机构。
利用上述装置进行不规则水下航行器浮心测量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将水下航行器连接在安装基座下表面；将底座吊放到升降装置上，并由顶块支撑；水池处于空水状态；控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_1
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；
步骤2：控制推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度α，α为摆动方向与竖直方向的夹角；然后控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_2
Figure SMS_3
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；并控制推杆机构带动安装基座绕旋转机构摆动至初始状态；
步骤3：在水池内注水，使水面淹没水下航行器；控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_4
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；
步骤4：控制推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度α；然后控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_5
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；并控制推杆机构带动安装基座绕旋转机构摆动至初始状态；
步骤5：根据公式
Figure SMS_6
Figure SMS_7
Figure SMS_8
得到水下航行器在X方向、Y方向和Z方向的质心位置xf，yf和zf；其中XY平面为水平面，坐标系原点取旋转机构中心；
Figure SMS_9
f＝w1+w2+w3，/>
Figure SMS_10
L1,L2,L3为1,2,3号三个称重传感器与OY轴的垂直距离，H1,H2为2,3号称重传感器与OX轴的垂直距离。
有益效果
本发明专利技术测量精度高，适用范围广，可以通过该方法精确测量无人水下航行器浮力及浮心。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明的浮心测量装置水平位置示意图；
图2是本发明的浮心测量装置倾斜位置示意图；
图3是本发明的软件测试界面；
图4是本发明的测浮心俯视原理图；
图5是本发明的测浮心正视原理图；
图6是本发明的测浮心倾斜正视原理图；
图7是本发明的测试系统示意图。
其中：1调平装置；2、机座；3、电机；4、顶块；5、行程开关；6、称重传感器；7、限位开关；8、连接工装；9、固定工装；10、安装基座；11、旋转机构；12、电动推杆；13、底座。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例中的主要功能是测量不规则水下航行器的浮力、浮心，测量内容包括浮力、X向浮心，Y向浮心，Z向浮心。测试项目包括两种状态的测量，其中有X空载和加载测量，Y空载和加载测量，Z空载和加载测量。
结合图1，本实施例中的一种不规则水下航行器浮心测量装置，包括测量平台、调平装置、升降装置、称重组件、测控及数据采集系统。
所述测量平台包括底座和安装基座；所述底座上装有旋转机构和推杆机构；所述安装基座上表面与旋转机构连接，安装基座边缘与推杆机构连接，推杆机构能够推动安装基座绕旋转机构摆动；安装基座下表面连接被测水下航行器。
所述调平装置、升降装置和称重组件成套配合使用，且数量为三；所述升降装置和称重组件安装在调平装置上，调平装置放置在水池台面上，通过各套设备中的调平装置配合使用，使各套设备中的称重组件能够同时受力且受力均匀；所述调平装置由机座与螺杆组成，升降装置和称重组件安装在机座上；通过旋转螺杆对机座进行调平。
所述升降装置包括电机和顶块，电机能够带动顶块在Z方向运动，且各套设备中的升降装置同步运动能够同步支撑底座；所述Z方向为竖直方向，所述称重组件包括Z方向布置的称重传感器，当电机带动顶块在Z方向向下运动，顶块脱离底座后，由称重传感器支撑底座并测力。
称重传感器的测量过程为：当称重传感器受到底座的重力作用后，发生弹性变形，使贴在称重传感器表面的电阻应变片(转换元件)同时变形，电阻应变片变形后其阻值也相应变化，再经过接线盒将电阻变化转换为电信号，通过A/D转换器将电信号转换为数字信号，最终反应出该位置的力值大小，并输出给测控及数据采集系统。
另外，在顶块的运动行程内安装有行程开关；当电机带动顶块在Z方向向上运动并触发上行程开关时，电机停止，相应的行程开关指示灯亮，顶块支撑底座受力，传感器卸载；当电机带动顶块在Z方向向下运动并触发下行程开关时，电机停止，相应的行程开关指示灯亮，顶块脱离底座，称重传感器支撑底座受力。
在底座上也安装有限位开关；当推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动并触发限位开关时，推杆机构停止。
推杆机构上安装有锁紧机构，当推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度后，锁紧机构能够将推杆机构锁定，确保在航行器浮心测量过程中每次摆动角度一致。
测控及数据采集系统能够控制各套设备中的电机同步运动，控制推杆机构运动，并采集行程开关以及限位开关信号，并根据行程开关以及限位开关信号分别控制电机和推杆机构。测控及数据采集系统包括工控机、测试仪，工控机主要实现计算机控制箱信号的输出和各种数字信号的输入以及周期测量的功能。测试仪中主要实现手动控制面板的连接，外部测控元器件的连接，计算机控制信号的连接和实现各种控制逻辑，输入信号的处理，各种信号的转接。控制系统软件界面具备人性化的人机交互界面；数据采集分析系统操作方便，能够满足数据处理精度要求；数据采集系统具备良好的兼容性和开放性；数据采集系统具备存储、分析、汇总、统计、查询，打印等输入输出功能。
利用上述装置进行不规则水下航行器浮心测量的方法，包括以下步骤：
步骤1：结合图1和图3，测量X向空载、Y向空载：
用行吊将底座13吊起，通过连接工装8和固定工装9将水下航行器连接在安装基座下表面；用行吊将底座吊放到升降装置上，并由顶块支撑；水池处于空水状态；控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当底座下降到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_11
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，当底座上升到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座。
步骤2：结合图2和图3，测量Z向空载：
控制推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度α，α为摆动方向与竖直方向的夹角；然后控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当底座下降到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_12
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，当底座上升到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；并控制推杆机构带动安装基座绕旋转机构摆动至初始状态。
步骤3：结合图1和图3，测量X向加载、Y向加载：
在水池内注水，使水面淹没水下航行器；控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当底座下降到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_13
Figure SMS_14
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，当底座上升到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座。
步骤4：结合图2和图3，测量Z向加载：
控制推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度α；然后控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当底座下降到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure SMS_15
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，当底座上升到限位位置，相应的行程开关指示灯亮，电机自动停止，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；并控制推杆机构带动安装基座绕旋转机构摆动至初始状态。
步骤5：根据公式
Figure SMS_16
Figure SMS_17
Figure SMS_18
得到水下航行器在X方向、Y方向和Z方向的质心位置xf，yf和zf；其中XY平面为水平面，坐标系原点取旋转机构中心；
Figure SMS_19
f＝w1+w2+w3，/>
Figure SMS_20
L1,L2,L3为1,2,3号三个称重传感器与OY轴的垂直距离，H1,H2为2,3号称重传感器与OX轴的垂直距离。
上述公式的推导过程为：
结合图1和图4以整个系统为参考对象，系统受到航行器自身重力G,台面、连接工装、旋转机构、、电动推杆的重力G台，三个传感器对台面的支撑力
Figure SMS_21
注水后三个传感器对台面的支撑力/>
Figure SMS_22
注水后航行器的浮力f。设空载和加载后1号称重传感器的变化值为w1，空载和加载后2号称重传感器的变化值为w2，空载和加载后3号称重传感器的变化值为w3
Figure SMS_23
Figure SMS_24
Figure SMS_25
结合图4浮力和浮心测量是通过三个称重传感器共同完成的。称重传感器在上平台上的垂直投影如图4所示。其中点1,2,3分别表示三个称重传感器和底座的接触点，OX、OY为参考坐标轴，原点O为装置的定位中心，H1,H2,L1,L2,L3分别为三个称重传感器和参考轴OX、OY的垂直距离，点C为物体在oxy平面的浮心位置，有
f＝w1+w2+w3 (4)
结合图4和图5，根据力和力矩平衡原理在平面OXY内对OX取矩可得
w2H1＝yff+w3H2 (5)
对OY取矩可得
xff+w1L3＝w2L1+w3L2 (6)
结合图2和图6以整个系统为参考对象，旋转且未注水系统受到航行器自身重力G，台面、连接工装、旋转机构、电动推杆的重力G台，三个传感器对台面的支撑力
Figure SMS_26
Figure SMS_27
旋转且注水后三个传感器对台面的支撑力/>
Figure SMS_28
设旋转且未注水和旋转且注水的1号称重传感器的变化值为w4，旋转且未注水和旋转且注水的2号称重传感器的变化值为w5，旋转且未注水和旋转且注水后的3号称重传感器的变化值为w6
Figure SMS_29
Figure SMS_30
Figure SMS_31
根据力和力矩平衡原理在平面YOZ内取矩可得
Figure SMS_32
结合(1)～(10)得：
Figure SMS_33
Figure SMS_34
Figure SMS_35
本发明可以作为一种适用于水下航行器浮心测量方法设计方案，满足对呈不规则形状且质量分布不均匀的水下航行器浮心位置测量的实际需求。本实施例没有详细叙述的部件、结构及软件方法属本行业的公知部件、常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (6)

1.一种不规则水下航行器浮心测量方法，其特征在于：利用浮心测量装置，通过以下步骤实现测量；
所述浮心测量装置包括测量平台、调平装置、升降装置、称重组件、测控及数据采集系统；
所述测量平台包括底座和安装基座；所述底座上装有旋转机构和推杆机构；所述安装基座上表面与旋转机构连接，安装基座边缘与推杆机构连接，推杆机构能够推动安装基座绕旋转机构摆动；安装基座下表面连接被测水下航行器；
所述调平装置、升降装置和称重组件成套配合使用，且数量为三；所述升降装置和称重组件安装在调平装置上，调平装置放置在水池台面上，通过各套设备中的调平装置配合使用，使各套设备中的称重组件能够同时受力且受力均匀；
所述升降装置包括电机和顶块，电机能够带动顶块在Z方向运动，且各套设备中的升降装置同步运动能够同步支撑底座；所述Z方向为竖直方向，所述称重组件包括Z方向布置的称重传感器，当电机带动顶块在Z方向向下运动，顶块脱离底座后，由称重传感器支撑底座并测力；
所述测控及数据采集系统能够采集称重传感器的输出信号；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：将水下航行器连接在安装基座下表面；将底座吊放到升降装置上，并由顶块支撑；水池处于空水状态；控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure FDA0004164834770000011
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；
步骤2：控制推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度α，α为摆动方向与竖直方向的夹角；然后控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure FDA0004164834770000012
Figure FDA0004164834770000013
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；并控制推杆机构带动安装基座绕旋转机构摆动至初始状态；
步骤3：在水池内注水，使水面淹没水下航行器；控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure FDA0004164834770000021
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；
步骤4：控制推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度α；然后控制3个电机同步转动带动顶块向下运动；当顶块与底座脱离，由3个称重传感器支撑底座后，依次得到1,2,3号三个称重传感器上的读数为
Figure FDA0004164834770000022
之后控制3个电机同步转动带动顶块向上运动，使称重传感器脱离底座，由顶块支撑底座；并控制推杆机构带动安装基座绕旋转机构摆动至初始状态；
步骤5：根据公式
Figure FDA0004164834770000023
/>
Figure FDA0004164834770000024
Figure FDA0004164834770000025
得到水下航行器在X方向、Y方向和Z方向的质心位置xf，yf和zf；其中XY平面为水平面，坐标系原点取旋转机构中心；
Figure FDA0004164834770000026
f＝w1+w2+w3，
Figure FDA0004164834770000027
L1,L2,L3为1,2,3号三个称重传感器与OY轴的垂直距离，H1,H2为2,3号称重传感器与OX轴的垂直距离。
2.根据权利要求1所述一种不规则水下航行器浮心测量方法，其特征在于：在顶块的运动行程内安装有行程开关；当电机带动顶块在Z方向向上运动并触发上行程开关时，电机停止，顶块支撑底座；当电机带动顶块在Z方向向下运动并触发下行程开关时，电机停止，顶块脱离底座，称重传感器支撑底座。
3.根据权利要求1或2所述一种不规则水下航行器浮心测量方法，其特征在于：底座上安装有限位开关；当推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动并触发限位开关时，推杆机构停止。
4.根据权利要求3所述一种不规则水下航行器浮心测量方法，其特征在于：所述调平装置由机座与螺杆组成，升降装置和称重组件安装在机座上；通过旋转螺杆对机座进行调平。
5.根据权利要求3所述一种不规则水下航行器浮心测量方法，其特征在于：推杆机构上安装有锁紧机构，当推杆机构推动安装基座绕旋转机构摆动至设定角度后，锁紧机构能够将推杆机构锁定。
6.根据权利要求1所述一种不规则水下航行器浮心测量方法，其特征在于：所述测控及数据采集系统能够控制各套设备中的电机同步运动，控制推杆机构运动，并采集行程开关以及限位开关信号，并根据行程开关以及限位开关信号分别控制电机和推杆机构。
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