CN113419510A - 一种适用于水下航行器控制装置的试验设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于水下航行器控制装置的试验设备及方法，设备包括航行体和侧支撑，航行体包括航行器头部、航行器锥段、航行器柱段、航行器尾部、电机、转轴、舵片，航行器头部、航行器锥段、航行器柱段、航行器尾部串联连接，电机固定在航行器尾端内，舵片通过连接转轴与电机转轴连接；侧支撑一端固定于水洞侧面，另一端与航行器柱段连接，被测控制装置安装在航行器柱段内腔中，航行器柱段内腔与外部密封；被测水下航行器控制装置的连接电缆为一分为二电缆，一路与与电机连接，用于为电机供电和与电机进行通信控制，另一路通过侧支撑与水洞外电源连接。本发明能够保证水下航行器控制装置能够安全调试并且结构简单易于拆装。

Description

一种适用于水下航行器控制装置的试验设备及方法

技术领域

本发明涉及一种适用于水下航行器控制装置的试验设备及方法，属于水下航行器技术领域。

背景技术

随着科技的发展，海洋资源越来越多的被探索，其中，作为水下航行器的探索设备越来越受到广大的重视，如何使水下航行器更好地应对不同环境，满足不同作业需求已经引起了世界各地相关科研人员的兴趣。控制装置作为水下航行器中操控系统的重要组成部分，控制装置的准确性、可靠性及稳定性对水下航行正常工作显得尤为重要。实际水下航器中，由于航行器航行水动力参数难以获知，控制装置在研制过程主要通过经验公式、理论模型和数值仿真进行评估，但是在产品研制过程中较快的实现结构、原理和算法的仿真验证，一方面控制装置硬件部分没有开展仿真测试，另一方面存在环境模拟参数不可靠的问题，最终产品硬件精度难以保证使用要求，最终导致产品研制周期和成本增加，甚至由于环境条件无法真实的模拟而导致产品可靠性和稳定性无法保证。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中水下航行器控制装置测试周期长，无法准确模拟环境因素对被测控制装置带来的精度的问题，提出一种适用于水下航行器控制装置的试验设备及方法，能够保证水下航行器控制装置能够安全调试并且结构简单易于拆装，保证水下航行器控制装置安全调试和充分模拟实际环境的基础上有效的缩短控制装置的调试周期。

本发明解决技术的方案是：一种适用于水下航行器控制装置的试验设备，该实验设备包括航行体和侧支撑，航行体又包括航行器头部、航行器锥段、航行器柱段、航行器尾部、电机、转轴、舵片，航行器头部、航行器锥段、航行器柱段、航行器尾部依次串联连接，电机固定在航行器尾端内，舵片通过连接转轴与电机转轴连接；侧支撑一端固定于水洞侧面，另一端与航行器柱段连接，被测控制装置安装在航行器柱段内腔中，航行器柱段内腔与外部密封；

被测水下航行器控制装置的连接电缆为一分为二电缆，一路与与电机连接，用于为电机供电和与电机进行通信控制，另一路通过侧支撑与水洞外电源连接。

优选地，所述航行器头部、航行器锥段、航行器柱段、航行器尾部为被测控制装置所应用的水下航行器根据尺寸大小按照原型或者按照一定比例缩比制成。

优选地，所述侧支撑与航行体通过转轴固定，航行体能够绕转轴自由旋转摆动或者固定在预设俯仰角状态。

优选地，所述转轴过航行体浮心位置。

基于上述设备，本发明还提供了一种适用于水下航行器控制装置的试验方法，该方法包括如下步骤：

S1、向水洞注水，直至水位超过水洞工作段上端面并达到试验设计水位值；

S2、启动被测控制装置及电机电源，通过被测控制装置调整舵角归零，之后将被测控制装置设置为初始化状态；

S3、启动水洞后水流开始在水洞中循环流动，观测水洞中水流速度及压力，调整水流速度和压力直至达到试验需要的水流速度和压力，待水流速度和压力稳定后试验水洞环境准备完毕，进入步骤S4；

S4、设定水下航行器运动规律，使得被测控制装置根据设定的水下航行器运动规律，向电机传输控制信号，控制舵片偏转形成俯仰力和俯仰力矩；

S5、观察水下航行器舵片偏转角度变化是否与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致，如果一致，则遍历试验需要的水流速度、压力或者航行器运动规律，重复步骤S4～S5，如果不符合，则调整被测控制装置内控制参数，直至在设定的水流速度、压力下水下，航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致。

所述水下航行器运动规律为水下航行器处于固定俯仰角状态、水下航行器绕旋转轴周期摆动或者水下航行器绕旋转轴随机摆动三种之一。

所述航行器运动规律采用数学函数表达。

航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致的判断标准为：

航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化偏差在预设门限内。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明改变了水下航行器控制器传统仿真测试的开发方法，满足模拟环境测试与调试的前提，充分验证产品环境适应性和可靠性；

(2)、本发明通过水下航行器控制器试验方法，实现了模拟环境下开展试验测试，相比传统理论、仿真方法减小因理论和仿真输入环境偏差导致产品的精度设计，并为环境条件理论建模提供更改数据；

(3)、本发明通过水下航行器控制器试验方法，实现了模拟环境重复使用，反复拆装，有效减小被测控制装置的开发周期并降低开发过程中的成本；

(4)、本发明可用于水下航行器不同姿态及运动规律下水动力测试；

(5)、本发明调试拆装便捷，易于内部程序修改和电子元器件更换。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明实施例适用于水下航行器控制器的试验设备示意图。图中1为航行器头部；2为航行器锥段；3为第一连接块；4为密封圈；5为螺钉；6为被测控制装置；7为电缆；8为侧支撑；9为航行器柱段；10为第二连接块；11为电机；12为舵片；13为航行器尾部；14为转轴；15为水洞。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种适用于水下航行器控制装置的试验设备，该设备包括航行体和侧支撑8，该试验设备位于试验水洞中，试验水洞内通过侧支撑可安装航行体，且具备水流速度调节、工作环境压力调节等功能。航行体包括航行器头部1、航行器锥段2、航行器柱段9、航行器尾部13、电机11、转轴14、舵片12，航行器头部1、航行器锥段2、航行器柱段9、航行器尾部13串联连接，电机固定在航行器尾端内，舵片通过连接转轴与电机转轴连接；侧支撑8一端固定于水洞侧面，另一端与航行器柱段9连接，被测控制装置安装在航行器柱段9内腔中，航行器柱段9内腔与外部密封。

被测水下航行器控制装置6的连接电缆7为一分为二电缆，一路与与电机11连接，用于为电机供电和与电机进行通信控制，另一路通过侧支撑8与水洞外电源连接。

优选地，所述航行器头部1、航行器锥段2、航行器柱段9、航行器尾部13为被测控制装置所应用的水下航行器根据尺寸大小按照原型或者按照一定比例缩比制成。

优选地，所述侧支撑8与航行体通过转轴固定，航行体能够绕转轴自由旋转摆动或者固定在预设俯仰角状态。

优选地，所述转轴过航行体浮心位置。

基于上述设备，本发明还提供了一种适用于水下航行器控制装置的试验方法，该方法包括如下步骤：

S1、启动水洞电源，相关控制及测量设备完成通电，打开水洞上水泵向水洞注水，观察水位线，直至水位超过水洞工作段上端面并达到试验设计水位值；

S2、启动被测控制装置及电机电源，通过被测控制装置调整舵角归零，之后将被测控制装置设置为初始化状态；

S3、启动水洞后水流开始在水洞中循环流动，观测水洞中水流速度及压力，调整水流速度和压力直至达到试验需要的水流速度和压力，待压力和速度稳定后试验水洞环境准备完毕，进入步骤S4；

S4、设定航行器运动规律，使得被测控制装置根据设定的水下航行器运动规律，向电机传输控制信号，控制舵片偏转形成俯仰力和俯仰力矩，航行体在俯仰力和俯仰力矩的驱动下绕轴旋转；

水下航行器处于固定俯仰角状态、水下航行器绕旋转轴周期摆动或者水下航行器绕旋转轴随机摆动三种之一。

所述水下航行器运动规律可以采用数学函数表达，用来表示航行器目标俯仰角度随时间的变化情况，把函数的参数注入被测控制装置即可还原出航行器运动规律曲线。当水下航行器运动规律为固定俯仰角时，可以直接输入航行器目标俯仰角度。

S5、观察水下航行器舵片偏转角度变化是否与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致，如果一致，则遍历试验需要的水流速度、压力或者航行器运动规律，重复步骤S4～S5，如果不符合，则调整被测控制装置内控制参数，直至在设定的水流速度、压力下水下，航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致。

航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致的判断标准是：

在水洞环境下，实时观察航行体实际的俯仰角曲线，通过查看与设定的目标俯仰角变化曲线的差别，航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化偏差在预设门限内，而且通过调整控制参数提升控制精度。

实施例1：

如图1所示，一种适用于水下航行器动态控制试验方法，该试验方法使用装置主要包括：包括水洞、航行器头部1、航行器锥段2、密封圈4、前连接块3、电缆7、侧支撑8、电机11、转轴14、后连接块10、舵片12；等，所述电机11、转轴14、舵片12与被测控制装置所应用的水下航行器上的电机11、转轴14、舵片12应根据水下航行器制作比例，选择型号和规格。

航行器头部1通过螺纹与航行器锥段2连接，密封圈4安装于前连接块3密封槽内，将安装有密封圈4的前连接块3装入到航行器锥段2内，通过螺钉5与前连接块3固连并压实密封，防止水中工作时候水进入航行器内部，导致电子元器件损坏。

被测水下航行器控制装置6通过螺钉5与前连接块3连接，电缆7为一分二电缆，一路与电机11连接，用于为被测水下航行器控制装置6供电和信号传输，，一路通过侧支撑8与水洞外电源及相关设备连接。航行器柱段9通过螺钉5与前连接块3固连并压实密封。电缆7穿过后连接块10与电机连接，并利用密封胶将电缆穿过孔进行密封，防止水进入。密封圈4安装在连接块10的密封槽内，将安装有密封圈4的后连接块10装入到航行器柱段9内，通过螺钉5与后连接块10通过螺钉5固连并压实密封。

将转轴安装于航行器尾段13上并在转轴14上安装舵片12，将航行器尾端13与后连接块10通过螺钉5连接。将航行器柱段9与侧支撑8安装。最后完成水洞工作段盖板、电源、测试设备等相关设备安装。

所述水洞为循环水洞，主要包括储水罐、收缩段、工作段、进水口、出水口等，工作段上盖板安装有压力传感器，用于测量工作段压力。航行器柱段9与侧支撑8通过销轴连接，可以根据试验要求进行航行体固定俯仰角调节。电机11、转轴14、舵片12应根据水下航行器制作比例，选择型号和规格。航行器头部1、航行器锥段2、航行器柱段9与为被测控制装置所应用的水下航行器根据尺寸大小按照原型或者一定比例缩比制成。

本发明更好的解决了水下航行器控制装置研制过程的调试方法，在控制装置研制初期阶段就可以通过该试验方法引入真实的航行环境条件做技术保障，并贯穿于控制装置整个研制过程中，满足控制装置精确、快速、高效的设计要求，从而最大限度减少产品试验周期，提高产品的设计和开发效率。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种适用于水下航行器控制装置的试验设备，其特征在于包括航行体和侧支撑(8)，航行体又包括航行器头部(1)、航行器锥段(2)、航行器柱段(9)、航行器尾部(13)、电机(11)、转轴(14)、舵片(12)，航行器头部(1)、航行器锥段(2)、航行器柱段(9)、航行器尾部(13)依次串联连接，电机(11)固定在航行器尾端内，舵片(12)通过连接转轴与电机转轴连接；侧支撑(8)一端固定于水洞侧面，另一端与航行器柱段(9)连接，被测控制装置安装在航行器柱段(9)内腔中，航行器柱段(9)内腔与外部密封；

被测水下航行器控制装置(6)的连接电缆(7)为一分为二电缆，一路与与电机(11)连接，用于为电机供电和与电机进行通信控制，另一路通过侧支撑(8)与水洞外电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于水下航行器控制装置的试验设备，其特征在于所述航行器头部(1)、航行器锥段(2)、航行器柱段(9)、航行器尾部(13)为被测控制装置所应用的水下航行器根据尺寸大小按照原型或者按照一定比例缩比制成。

3.根据权利要求1所述的一种适用于水下航行器控制装置的试验设备，其特征在于所述侧支撑(8)与航行体通过转轴固定，航行体能够绕转轴自由旋转摆动或者固定在预设俯仰角状态。

4.根据权利要求3所述的一种适用于水下航行器控制装置的试验设备，其特征在于所述转轴过航行体浮心位置。

5.基于权利要求1所述设备的一种适用于水下航行器控制装置的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

S1、向水洞注水，直至水位超过水洞工作段上端面并达到试验设计水位值；

S2、启动被测控制装置及电机电源，通过被测控制装置调整舵角归零，之后将被测控制装置设置为初始化状态；

S3、启动水洞后水流开始在水洞中循环流动，观测水洞中水流速度及压力，调整水流速度和压力直至达到试验需要的水流速度和压力，待水流速度和压力稳定后试验水洞环境准备完毕，进入步骤S4；

S4、设定水下航行器运动规律，使得被测控制装置根据设定的水下航行器运动规律，向电机传输控制信号，控制舵片偏转形成俯仰力和俯仰力矩；

S5、观察水下航行器舵片偏转角度变化是否与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致，如果一致，则遍历试验需要的水流速度、压力或者航行器运动规律，重复步骤S4～S5，如果不符合，则调整被测控制装置内控制参数，直至在设定的水流速度、压力下水下，航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致。

6.根据权利要求5所述的一种适用于水下航行器控制装置的试验方法，其特征在于所述水下航行器运动规律为水下航行器处于固定俯仰角状态、水下航行器绕旋转轴周期摆动或者水下航行器绕旋转轴随机摆动三种之一。

7.根据权利要求6所述的一种适用于水下航行器控制装置的试验方法，其特征在于所述航行器运动规律采用数学函数表达。

8.根据权利要求6所述的一种适用于水下航行器控制装置的试验方法，其特征在于所述步骤S5航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化一致的判断标准为：

航行器舵片偏转角度变化与符合水下航行器运动规律所对应的目标俯仰角角度变化偏差在预设门限内。

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