CN108507774A - 一种应用于水池实验室的auv水下对接螺旋桨性能测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，包括水池、水下对接基站、AUV螺旋桨安装与移动系统、数据显示与保存系统；水下对接基站通过第三刚性连接杆和悬臂梁安装在水池内壁；环形六分量力学传感器与螺旋桨和空心传动轴连接，空心传动轴内部穿过第二刚性连接杆，并将AUV尾部结构与齿轮密封舱刚性连接，并通过第一刚性连接杆与横跨在水池两侧的横梁固连在一起；横梁通过行车轮驱动，可改变螺旋桨与水下对接装置的相对距离；第一刚性连接杆可轴向伸缩，改变螺旋桨的垂向位置；第一刚性连接杆与横梁的连接处可侧向移动；横梁内部旋转轴与第一刚性连接杆可旋转，控制螺旋桨在水下对接过程中的姿态角，实现螺旋桨对接过程中的力学性能的测试。

Description

一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验 装置

技术领域

本发明涉及AUV水下性能测试技术领域，具体为一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)目前在军用跟民用领域都发挥着非常重要的作用，人们对AUV的要求也越来越高，大航程、大航速、机动性强、可靠性高成为AUV的重要技术指标。然而，由于AUV所能携带能源的限制，AUV水下作业时间受到极大的影响，因此目前各国都在研究AUV水下对接技术来提高AUV的作业时间和使用效率。

AUV在水下对接过程中涉及出管、进管及管内运动三种运动状态，在这三种运动状态中，AUV螺旋桨与管壁之间存在狭小间隙，且在不同位置间隙大小也有所不同。申请人发现在AUV水下对接过程中，螺旋桨处于极限流域运动，目前对AUV在水下对接过程的研究并没有考虑螺旋桨在极限流域不同间隙力学特性所受到的影响。申请人通过研究发现这种影响对AUV水下对接会产生很多不利因素，对AUV在极限流域控制以及安全性都造成极大地隐患。因而，设计一种可用于AUV水下对接螺旋桨性能测试实验的装置将对AUV水下对接技术的发展与进步起着极其重要的作用。

发明内容

为解决现有技术中尚没有针对AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置的问题，本发明针对AUV水下对接过程中螺旋桨性能的测试实验，基于水池实验室设计了一种可用于AUV螺旋桨性能测试实验的水下对接基站实验装置。

本发明实验装置的水下对接基站采用四根第三刚性连接杆(17)固定在水池内壁两侧的悬臂梁上，实现水下对接基站的安装与固定，安装在水池内壁的悬臂梁则通过紧固连接装置固定在水池内壁两侧；本发明实验装置的环形六分量力学传感器通过两端的法兰结构分别与螺旋桨和螺旋桨空心传动轴相连接，螺旋桨空心传动轴内部穿过第二刚性连接杆(11)，并将整个AUV的尾部结构与齿轮密封舱刚性连接在一起，并通过第一刚性连接杆(13)与横跨在水池两侧的横梁固连在一起；螺旋桨的电机安装在电机密封舱内部并通过齿轮传动带动螺旋桨空心传动轴转动，从而带动螺旋桨转动；横梁横跨在水池两侧壁面，通过行车轮驱动，从而可改变螺旋桨与水下对接装置的相对距离；第一刚性连接杆可沿轴向伸缩，用于改变螺旋桨的垂向位置；第一刚性连接杆与横梁的连接处可沿横梁轴线方向移动，改变螺旋桨的侧向位置；同时横梁内部的旋转轴与第一刚性连接杆可绕自身轴线方向进行旋转，从而控制螺旋桨在水下对接过程中的姿态角，实现螺旋桨不同姿态角下进行对接过程中的力学性能的测试；通过六分量力学传感器测量得到的螺旋桨性能等实验数据，通过数据采集线保存在电脑中，供实验人员使用，实现基于水池实验室对AUV水下对接过程中的螺旋桨性能等相关实验数据准确测量的目的。

基于上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：包括水池(3)、水下对接基站(7)、AUV螺旋桨安装与移动系统、数据显示与保存系统(1)；

所述水下对接基站(7)通过多根第三刚性连接杆(17)固连在悬臂梁(4)上，两个悬臂梁(4)通过水池(3)上的锁紧机构固定在水池(3)的内壁上；水下对接基站(7)平行于水池(3)侧壁面；

所述AUV螺旋桨安装与移动系统包括AUV尾部结构(8)、螺旋桨(6)、环形六分量力学传感器(9)、空心传动轴(10)、第二刚性连接杆(11)、齿轮密封舱(15)、电机密封舱(14)、第一刚性连接杆(13)和横梁(5)；

所述横梁(5)横跨水池(3)，且横梁(5)两端通过行车轮(16)放置在水池两侧的导轨上，横梁(5)能够沿水池两侧导轨移动；第一刚性连接杆(13)一端连接在横梁(5)上，另一端固定连接电机密封舱(14)，电机密封舱(14)前部固定齿轮密封舱(15)；螺旋桨电机安装在电机密封舱(14)内部，并通过安装在齿轮密封舱(15)内的齿轮结构(12)带动空心传动轴(10)转动，空心传动轴(10)外端通过环形六分量力学传感器(9)与螺旋桨(6)连接；空心传动轴(10)、螺旋桨(6)以及环形六分量力学传感器(9)均套在第二刚性连接杆(11)上，第二刚性连接杆(11)两端分别与在齿轮密封舱(15)和AUV尾部结构(8)刚性连接；

所述数据显示与保存系统(1)通过数据传输线(2)与环形六分量力学传感器(9)实现信号传输。

进一步的优选方案，所述一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：所述第一刚性连接杆(13)通过轴承垂直连接在横梁(5)内部的滑块上，第一刚性连接杆(13)能够相对横梁(5)绕自身轴线转动；所述第一刚性连接杆(13)自身为长度可调杆结构；在横梁(5)内部有垂直于水池侧壁方向的滑道，滑道内安装有旋转轴，横梁(5)内部的滑块安装在旋转轴上，且滑块上还安装有锁定装置，当锁定装置打开时，滑块能够在旋转轴上沿旋转轴轴向移动，当锁定装置锁紧时，滑块能够连同旋转轴共同转动。

进一步的优选方案，所述一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：所述水池(3)为长条形水池。

进一步的优选方案，所述一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：横梁(5)内部滑块与旋转轴之间的锁定装置采用锁紧螺钉结构。

有益效果

本发明基于水池实验室，通过第一刚性连接杆(13)、第二刚性连接杆(11)、四根第三刚性连接杆(17)以及空心传动轴(10)将螺旋桨(6)、环形六分量力学传感器(9)、AUV尾部模型(8)及水下对接基站(7)分别与横梁(5)与悬臂梁(4)进行固定与安装，安装方式牢固可靠，不会影响实验数据的准确测量；横跨水池两侧的横梁(5)可通过行车轮(16)沿导轨方向运动，用来改变螺旋桨(6)与水下对接基站(7)的相对位置，使得实验测量范围更广；第一刚性连接杆(13)与横梁(5)的使用，使得螺旋桨(6)的位置与姿态可进行调整，从而可实现螺旋桨(6)与水下对接基站(7)在不同间隙及不同姿态下进行实验测量的目的，使得本发明实验装置的应用范围更为广泛。

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：

附图1是AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置示意图；

附图2是AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置主视图；

附图3是环形六分量力学传感器的连接与固定示意图；

附图4是螺旋桨连接与固定示意图；

附图5是水下对接基站连接与固定示意图。

图中：1-数据显示与保存系统，2-数据传输线，3-水池，4-悬臂梁，5-横梁，6-螺旋桨，7-水下对接基站，8-AUV尾部模型，9-环形六分量力学传感器，10-空心传动轴，11-第二刚性连接杆，12-齿轮结构，13-第一刚性连接杆，14-电机密封舱，15-齿轮结构密封舱，16-横梁行车轮，17-第三刚性连接杆。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明的结构原理如下：

参照附图1～5，本发明的主要组成部分有：数据显示与保存系统，数据传输线，水池，悬臂梁，横梁，螺旋桨，水下对接基站，AUV尾部模型，环形六分量力学传感器，空心传动轴，第二刚性连接杆，齿轮结构，第一刚性连接杆，电机密封舱，齿轮结构密封舱，横梁行车轮，第三刚性连接杆。可以看出，整个基于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置结构简单，稳定可靠。

参照附图1～3，本发明采用环形六分量力学传感器，并通过法兰结构将螺旋桨与空心传动轴相连接，并通过齿轮结构进行传动，实现对螺旋桨的安装与驱动；水下对接基站则根据水池壁面的结构通过四根第三刚性连接杆固定在水池内壁的悬臂梁上，整体结构简单，安装方便牢固；安装在螺旋桨尾部的环形六分量力学传感器用于采集实验数据，通过数据传输线将采集到的实验数据保存到数据显示与保存系统中，使得数据的处理更为方便简洁。

参照附图4，本发明可通过行车轮驱动横梁实现螺旋桨的运动，进而可改变螺旋桨与水下对接基站的相对位置，同时第一刚性连接杆可沿轴向伸缩，用于改变螺旋桨的垂向位置，第一刚性连接杆与横梁的连接处可沿横梁轴线方向移动，改变螺旋桨的侧向位置；另外，横梁内部的旋转轴与第一刚性连接杆可绕自身轴线方向进行旋转，从而控制螺旋桨在水下对接过程中的姿态角，实现螺旋桨与水下对接基站内壁在不同间隙及不同姿态(不同攻角与不同侧滑角)下进行实验测量的目的，增加了AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置的适用范围。

参照附图4～5，本发明实验装置的安装牢固可靠，螺旋桨与水下对接基站的在水中的姿态稳定，在实验过程中实验测量数据不会受到其他因素的影响，准确可靠。

本发明的安装过程如下：

第一步：将环形六分量力学传感器(9)通过法兰结构分别与空心连接轴(10)和螺旋桨(6)连接在一起，同时第二刚性连接杆(11)穿过空心传动轴(10)，并与AUV尾部结构(8)刚性连接，螺旋桨电机安装在电机密封舱(14)内部，同时在齿轮密封舱(15)内安装齿轮结构(12)，并将第二刚性连接杆(11)的另一端与齿轮密封舱(15)相连接，此时水下部分即安装完毕；通过第一刚性连接杆(13)分别与横梁(5)及电机密封舱(14)连接在一起，并根据实验要求调整第一刚性连接杆(13)的长度及第一刚性连接杆(13)与横梁(5)的连接位置。

本实施例中，第一刚性连接杆(13)通过轴承垂直连接在横梁(5)内部的滑块上，第一刚性连接杆(13)能够相对横梁(5)绕自身轴线转动；第一刚性连接杆(13)自身为长度可调杆结构；在横梁(5)内部有垂直于水池侧壁方向的滑道，滑道内安装有旋转轴，横梁(5)内部的滑块安装在旋转轴上，且滑块上还安装有锁紧螺钉，当锁紧螺钉松开时，滑块能够在旋转轴上沿旋转轴轴向移动，当锁紧螺钉锁紧时，滑块能够连同旋转轴共同转动。

第二步：采用起吊装置将安装有螺旋桨(6)的横梁(5)放置在水池两侧导轨的行车轮(16)上，将环形六分量力学传感器测量线路通过数据传输线(2)与数据采集系统(1)连接，实现对数据的保存与处理。

第三步：将水下对接基站(7)与四根第三刚性连接杆(17)进行固连，之后将悬臂梁(4)与四根第三刚性连接杆(17)的另一端进行固连，通过起吊装置将安装好的水下对接基站(7)吊放入水池(3)中，通过水池两侧内壁上的安装固定结构对悬臂梁(4)进行固定安装，实现对水下对接基站(7)的固定，至此完成了水下对接基站(7)的安装与固定。

第四步：打开数据显示与保存系统(1)，检查实验数据是否安装正确，如果有错误，重新安装螺旋桨(6)与环形六分量力学传感器等装置，如果没有错误，即可进行水下对接实验的数据测量。

本发明的使用过程如下：

第一步：根据实验要求，以实验工况所需要的螺旋桨与水下对接基站的间隙及姿态安装螺旋桨，检查数据采集系统是否正确使用，如出现问题，需重新安装螺旋桨与六分量力学传感器，并检查横梁是否能按照实验所需正常移动；

第二步：在所有部件和实验装置正常工作的情况下，打开数据采集系统的开关，按照实验所需的位置驱动横梁移动，进行螺旋桨水下对接过程实验数据的采集；

第三步：重复该工况的实验过程，保存多组数据，提高实验的准确性与可靠性，在做完实验后，关闭行车轮电源与数据采集系统电源，通过吊放装置对螺旋桨的姿态进行调整，可重新开始螺旋桨水下对接实验。

本发明基于水池实验室，提出一种螺旋桨水下对接基站实验装置，其安装和拆卸简便，结构稳定可靠，使用方便。水下对接基站采用四根水下对接基站连接杆与悬臂梁相连，使得结构强度和稳定性大大提高，测量数据更为准确；本发明实验装置的应用范围较广，螺旋桨(6)的位置可通过第一刚性连接杆(17)与横梁(5)进行改变。第一刚性连接杆(13)与横梁(5)的安装与固定可在一定范围内调整，第一刚性连接杆(13)的长度可沿自身轴线方向伸长或缩短，从而改变螺旋桨(6)垂向位置，横梁(5)与第一刚性连接杆(13)的连接位置可沿横梁方向移动，从而实现螺旋桨(6)侧向位置的改变，达到螺旋桨与水下对接基站(7)在不同间隙下进行测量实验的目的。第一刚性连接杆(13)与横梁(5)内部的旋转轴可沿自身轴线方向旋转，从而控制螺旋桨(6)的空间姿态，实现螺旋桨在不同攻角与不同侧滑角下进形水下对接回收过程中的力学特性实验的目的。

因此实现螺旋桨与水下对接基站内壁在不同间隙下进行测量实验的目的，仅仅需要调节第一刚性连接杆的垂向长度、与横梁连接点的侧向位置以及旋转角度即可模拟螺旋桨进行水下对接实验的不同状态，实验过程较为简便。

本发明首先通过设置第一刚性连接杆(13)的长度以及第一刚性连接杆与横梁(5)的连接位置改变螺旋桨(6)的相对位置，另外，设置第一刚性连接杆(13)的旋转角度以及横梁(5)内部旋转轴的角度，改变螺旋桨(6)的空间姿态，之后通过行车轮(16)驱动螺旋桨(6)以不同的速度进入水下对接基站(7)的不同位置，同时打开数据显示与保存系统(1)的开关，采集螺旋桨(6)在水下对接基站(7)的不同位置处的螺旋桨性能等相关实验数据，并通过数据传输线(2)保存在数据显示与保存系统(1)中，实现了对螺旋桨水下对接过程的螺旋桨性能等相关实验数据的准确测量。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：包括水池(3)、水下对接基站(7)、AUV螺旋桨安装与移动系统、数据显示与保存系统(1)；

所述水下对接基站(7)通过多根第三刚性连接杆(17)固连在悬臂梁(4)上，两个悬臂梁(4)通过水池(3)上的锁紧机构固定在水池(3)的内壁上；水下对接基站(7)平行于水池(3)侧壁面；

所述AUV螺旋桨安装与移动系统包括AUV尾部结构(8)、螺旋桨(6)、环形六分量力学传感器(9)、空心传动轴(10)、第二刚性连接杆(11)、齿轮密封舱(15)、电机密封舱(14)、第一刚性连接杆(13)和横梁(5)；

所述横梁(5)横跨水池(3)，且横梁(5)两端通过行车轮(16)放置在水池两侧的导轨上，横梁(5)能够沿水池两侧导轨移动；第一刚性连接杆(13)一端连接在横梁(5)上，另一端固定连接电机密封舱(14)，电机密封舱(14)前部固定齿轮密封舱(15)；螺旋桨电机安装在电机密封舱(14)内部，并通过安装在齿轮密封舱(15)内的齿轮结构(12)带动空心传动轴(10)转动，空心传动轴(10)外端通过环形六分量力学传感器(9)与螺旋桨(6)连接；空心传动轴(10)、螺旋桨(6)以及环形六分量力学传感器(9)均套在第二刚性连接杆(11)上，第二刚性连接杆(11)两端分别与在齿轮密封舱(15)和AUV尾部结构(8)刚性连接；

所述数据显示与保存系统(1)通过数据传输线(2)与环形六分量力学传感器(9)实现信号传输。

2.根据权利要求1所述一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：所述第一刚性连接杆(13)通过轴承垂直连接在横梁(5)内部的滑块上，第一刚性连接杆(13)能够相对横梁(5)绕自身轴线转动；所述第一刚性连接杆(13)自身为长度可调杆结构；在横梁(5)内部有垂直于水池侧壁方向的滑道，滑道内安装有旋转轴，横梁(5)内部的滑块安装在旋转轴上，且滑块上还安装有锁定装置，当锁定装置打开时，滑块能够在旋转轴上沿旋转轴轴向移动，当锁定装置锁紧时，滑块能够连同旋转轴共同转动。

3.根据权利要求2所述一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：所述水池(3)为长条形水池。

4.根据权利要求2或3所述一种应用于水池实验室的AUV水下对接螺旋桨性能测试实验装置，其特征在于：横梁(5)内部滑块与旋转轴之间的锁定装置采用锁紧螺钉结构。