CN114235339B - 一种水下航行器模块吊放试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下航行器模块吊放试验系统，包括水下航行器模型和吊放机构；水下航行器模型包括外主梁框架和副梁框架，副梁框架安装于外主梁框架上并能沿X方向移动；外主梁框架上设有第一位移传感器、水下推进器和控制箱，控制箱内置工控机和水下通信模块；吊放机构包括吊放架和吊放模块，吊放架安装于副梁框架上并能沿Y方向移动；副梁框架上设有第二位移传感器；吊放架上设有水下吊放电机、力传感器和电磁铁，通过水下吊放电机调节吊放模块Z方向位置，力传感器安装于电磁铁上部，吊放模块可调节重量用于不同重量的吊放试验。本发明可在无须人接触的情况下，实现水中精确控制重物位置，并实现快速装载重物，高效模拟吊放作业，提高试验效率。

Description

一种水下航行器模块吊放试验系统

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，具体涉及一种水下航行器模块吊放试验系统。

背景技术

对于大型水下航行器而言，在进行深海救援和深海侦查时，一般会需要进行模块吊放，重物释放后会瞬间改变航行器的重力与浮力平衡，引起航行器多自由度运动，为进行相应稳定性控制，要进行大量水下航行器模型试验，以验证控制算法的有效性。现有水下航行器在进行吊放控制试验时，重物进行吊放试验后，一般会脱离航行器，进行下一次试验时，需要航行器靠岸后，人为调整重物重量和位置重新挂载，效率极低，且重物容易丢失，不利于试验的顺利进行。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种水下航行器模块吊放试验系统，可在水中精确控制重物位置，并实现快速装载重物，极大提高试验效率。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种水下航行器模块吊放试验系统，包括水下航行器模型和吊放机构；

所述水下航行器模型包括外主梁框架和副梁框架，所述副梁框架整体活动安装于所述外主梁框架上，并能相对所述外主梁框架沿X方向移动；所述外主梁框架上设有第一位移传感器，用于测定所述副梁框架的位置信息；所述外主梁框架上还设有水下推进器，能实现航行器六自由度控制；所述外主梁框架上还设有控制箱，控制箱内置工控机和水下通信模块，所述工控机通过所述水下通信模块接收岸机发送的命令，并发出控制命令以实现对水下航行器模块吊放试验系统的电动控制；

所述吊放机构包括吊放架和吊放模块，所述吊放架整体活动安装于所述副梁框架上，并能相对副梁框架沿Y方向移动；所述副梁框架上设有第二位移传感器，用于测定所述吊放架的位置信息；所述吊放架上设有水下吊放电机、力传感器和电磁铁，所述吊放模块通过缆绳与所述水下吊放电机连接，并悬挂于电磁铁下方，通过水下吊放电机调节所述吊放模块Z方向的位置，所述力传感器安装于所述电磁铁上部，用于测量吊放模块对电磁铁的压力信号；通过调节所述吊放模块的自身重量用于不同重量的吊放试验；

所述第一位移传感器、第二位移传感器、水下吊放电机、力传感器和电磁铁分别与所述工控机信号连接。

上述方案中，所述控制箱内还设置有电源、水下定位模块、深度计和惯导，所述电源用于为试验系统的各部件供电，所述水下定位模块用于探测航行器水下三维位置信息，所述深度计用于测量航行器水下深度信息，所述惯导用于测量航行器横摇角、纵摇角、艏向角信息。

上述方案中，所述外主梁框架为扁平状，包括主纵梁、主横梁和立柱；所述主纵梁上设有X方向齿条，所述副梁框架上安装有第一水下伺服电机，所述第一水下伺服电机的输出轴与所述X方向齿条垂直，且输出轴上安装有第一齿轮，所述第一齿轮与所述X方向齿条啮合，第一水下伺服电机驱动所述第一齿轮在X方向齿条上移动，从而带动所述副梁框架整体相对所述外主梁框架沿X方向移动；所述第一水下伺服电机通过所述水下通信模块与所述工控机信号连接。

上述方案中，所述第一位移传感器安装于所述主横梁上，所述第一位移传感器为拉线位移传感器，传感器拉线一端固定于主横梁上，另一端固定于副梁框架上。

上述方案中，所述副梁框架包括副纵梁和副横梁；所述副横梁上设有Y方向齿条，所述吊放架上安装有第二水下伺服电机，所述第二水下伺服电机的输出轴与所述Y方向齿条垂直，且输出轴上安装有第二齿轮，所述第二齿轮与所述Y方向齿条啮合，第二水下伺服电机驱动所述第二齿轮在Y方向齿条上移动，从而带动所述吊放架整体相对所述副梁框架沿Y方向移动；所述第二水下伺服电机通过所述水下通信模块与所述工控机信号连接。

上述方案中，所述第二位移传感器安装于所述副纵梁上，所述第二位移传感器为拉线位移传感器，传感器拉线一端固定于副纵梁上，另一端固定于吊放架上。

上述方案中，所述吊放架包括吊放主梁，所述水下吊放电机安装于所述吊放主梁的上部，所述力传感器和电磁铁依次安装于所述吊放主梁的下部；所述水下吊放电机的两侧安装有上导向滑轮，所述力传感器和电磁铁的两侧安装有下导向滑轮，所述下导向滑轮下方设有配重滑块，所述缆绳依次绕过水下吊放电机、上导向滑轮、下导向滑轮、配重滑块后与所述吊放模块相连。

上述方案中，所述吊放模块包括铝合金材质的箱体，所述箱体上部固定安装有可与所述电磁铁连接的铁板，所述箱体一侧设有可打开的调重舱口，通过所述调重舱口向箱体内装载不同重量的配重体；箱体顶部两侧设有斜向挂板，用于连接所述缆绳。

上述方案中，所述水下推进器包括布置于所述外主梁框架尾部的主推进器和尾部侧向推进器，布置于所述外主梁框架中部的垂向推进器，布置于所述外主梁框架首部的首部侧向推进器。

上述方案中，所述水下航行器模块吊放试验系统包括以下工作模式：

(1)匀速吊放测试：工控机发出命令，电磁铁关闭，水下吊放电机匀速转动，吊放模块匀速下降，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集匀速吊放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，匀速吊放试验结束；

(2)减速/加速吊放测试：工控机发出命令，电磁铁关闭，水下吊放电机减速/加速转动，吊放模块减速/加速下降，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集减速/加速吊放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，减速/加速吊放试验结束；

(3)瞬间释放测试：首先在吊放模块上方配置配重滑块，工控机发出命令，电磁铁不关闭，水下吊放电机匀速转动，配重滑块匀速下降，当配重滑块与航行器的距离大于试验水池池底与航行器的距离时，电磁铁关闭，吊放模块在重力作用下瞬间脱离，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集瞬间释放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，瞬间释放试验结束；

(4)匀速回收测试：吊放测试完成后进行重物回收，水下吊放电机匀速转动，吊放模块匀速上升，直到吊放模块接触电磁铁，力传感器出现压力信号，达到一定阈值后，工控机根据力传感器信号，控制水下吊放电机停止转动，电磁铁启动吸附住吊放模块；

(5)减速/加速回收测试：吊放测试完成后进行重物回收，水下吊放电机减速/加速转动，吊放模块减速/加速上升，直到吊放模块接触电磁铁，力传感器出现压力信号，达到一定阈值后，工控机接收到力传感器信号后控制水下吊放电机停止转动，电磁铁启动吸附住吊放模块。

本发明的有益效果在于：

本发明试验系统可在无须人接触的情况下，通过岸机系统对航行器发送命令，航行器内工控机根据接收的命令，控制电机使吊放模块在一定范围内移动，到达目标位置后，吊放模块再根据命令高效模拟多种吊放和回收作业，整个过程无需航行器靠岸人为进行吊放物的装载，吊放物的位置和装载信息可实时反馈给岸机操纵人员，极大提高试验效率。同时由于减少了人员下水的次数，还可在一定程度上保障试验人员的安全，也减少了航行器频繁靠岸装卸可能造成的损坏。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明水下航行器模块吊放试验系统的整体结构示意图；

图2是图1所示试验系统的外主梁框架的结构示意图；

图3是图1所示试验系统的副梁框架的结构示意图；

图4是图1所示试验系统的吊放架的结构示意图；

图5是图1所示试验系统的导轨滑块的结构示意图；

图6是图1所示试验系统的吊放模块的结构示意图。

图中：10、外主梁框架；11、主纵梁；111、纵梁槽道；12、主横梁；13、立柱；14、X方向齿条；15、第一位移传感器；151、拉线；16、控制箱；171、主推进器；172、垂向推进器；173、首部侧向推进器；174、尾部侧向推进器；

20、副梁框架；21、副纵梁；22、副横梁；23、Y方向齿条；24、第一导轨滑块；241、轴承滚轮；25、第一水下伺服电机；251、第一齿轮；26、第二位移传感器；

30、吊放架；31、吊放主梁；32、第二导轨滑块；33、第二水下伺服电机；331、第二齿轮；34、水下吊放电机；35、上导向滑轮；36、下导向滑轮；37、配重滑块；38、电磁铁；39、力传感器；

40、吊放模块；41、箱体；411、调重舱口；412、锁紧螺栓；42、铁板；43、斜向挂板。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种水下航行器模块吊放试验系统，包括水下航行器模型和吊放机构。水下航行器模型包括外主梁框架10和副梁框架20，副梁框架20整体活动安装于外主梁框架10上，并能相对外主梁框架10沿X方向移动；外主梁框架10上设有第一位移传感器15，用于测定副梁框架20的位置信息；外主梁框架10上还设有水下推进器，可实现航行器六自由度控制；外主梁框架10上还设有控制箱16，控制箱16内置工控机和水下通信模块，工控机通过水下通信模块接收岸机发送的命令，并发出控制命令以实现对水下航行器模块吊放试验系统的电动控制。吊放机构包括吊放架30和吊放模块40，吊放架30整体活动安装于副梁框架20上，并能相对副梁框架20沿Y方向移动；副梁框架20上设有第二位移传感器26，用于测定吊放架30的位置信息；吊放架30上设有水下吊放电机34、力传感器39和电磁铁38，吊放模块40通过缆绳与水下吊放电机34连接，并悬挂于电磁铁38下方，可以通过水下吊放电机34调节吊放模块40在Z方向的位置，力传感器39安装于电磁铁38上部，用于测量吊放模块40对电磁铁38的压力信号；吊放模块40可以调节自身重量用于不同重量的吊放试验。第一位移传感器15、第二位移传感器26、水下吊放电机34、力传感器39和电磁铁38分别通过防水线缆与工控机信号连接。

参见图1、图2，由于扁平状航行器更适用于进行水下吊放作业，因此本实施例将水下航行器模型的外壳和外主梁框架10设计为扁平状，外主梁框架10安装于扁平外壳内。外主梁框架10包括主纵梁11、主横梁12和立柱13各四根，由铝合金型材制成。底部两根主纵梁11上设有X方向齿条14，并在X方向齿条14下方设置纵梁槽道111，供副梁框架20移动。底部前端主横梁12上设置第一位移传感器15，第一位移传感器15为拉线位移传感器，传感器拉线151一端固定于主横梁12上，另一端固定于副梁框架20上。底部后端主横梁12上设置控制箱16，控制箱16内还设置有锂电池电源、水下定位模块、深度计和惯导，电源用于为试验系统的各部件供电，水下定位模块用于探测航行器水下三维位置信息，深度计用于测量航行器水下深度信息，惯导用于测量航行器横摇角、纵摇角、艏向角等信息。水下推进器包括布置于外主梁框架10尾部的两个主推进器171和两个对称的尾部侧向推进器174，布置于外主梁框架10中部的四个垂向推进器172，布置于外主梁框架10首部的一个首部侧向推进器173，可实现水下航行器六自由度控制。

参见图1、图3，副梁框架20包括副纵梁21和副横梁22各两根，由铝合金型材制成。前端副横梁22两端安装有第一水下伺服电机25，第一水下伺服电机25的输出轴与X方向齿条14垂直，且输出轴上安装有第一齿轮251，第一齿轮251与X方向齿条14啮合，第一水下伺服电机25通过水下通信模块与工控机信号连接，第一水下伺服电机25接收驱动命令后驱动第一齿轮251沿着X方向齿条14上移动，从而带动副梁框架20整体相对外主梁框架10沿X方向移动。副横梁22两端还设有第一导轨滑块24，参见图5，第一导轨滑块24上设有两组轴承滚轮241，可嵌入外主梁框架10的纵梁槽道111内。副横梁22上设有Y方向齿条23，并在Y方向齿条23下方设置横梁槽道，供吊放架30移动。副纵梁21上安装第二位移传感器26，第二位移传感器26为拉线位移传感器，传感器拉线一端固定于副纵梁21上，另一端固定于吊放架30上。

参见图1、图4，吊放架30包括吊放主梁31，吊放主梁31的两端安装有第二水下伺服电机33，第二水下伺服电机33的输出轴与Y方向齿条23垂直，且输出轴上安装有第二齿轮331，第二齿轮331与Y方向齿条23啮合，第二水下伺服电机33通过水下通信模块与工控机信号连接，第二水下伺服电机33接收驱动命令后驱动第二齿轮331沿Y方向齿条23上移动，从而带动吊放架30整体相对副梁框架20沿Y方向移动。吊放主梁31两端还设有第二导轨滑块32，第二导轨滑块32上设有两组轴承滚轮，可嵌入副梁框架20的横梁槽道内。水下吊放电机34安装于吊放主梁31的上部，力传感器39和电磁铁38依次安装于吊放主梁31的下部；水下吊放电机34的两侧安装有上导向滑轮35，力传感器39和电磁铁38的两侧安装有下导向滑轮36，下导向滑轮36下方设有配重滑块37，缆绳依次绕过水下吊放电机34、上导向滑轮35、下导向滑轮36、配重滑块37后与吊放模块40相连。

参见图6，吊放模块40包括铝合金材质的箱体41，箱体41上部固定安装有可与电磁铁38吸附连接的铁板42，箱体41一侧设有可打开的调重舱口411，通过调重舱口411向箱体41内装载不同重量的配重体(如不锈钢珠等)以调整吊放模块40的重量，调重舱口411通过锁紧螺栓412与箱体41固定连接。箱体41顶部两侧设有斜向挂板43，用于连接缆绳。

本发明水下航行器模块吊放试验系统的使用方法：

首先由岸机发送命令，航行器由水下通信模块接收命令，控制箱16内工控机再发出控制命令，第一水下伺服电机25启动，调整副梁框架20纵向位置到目标位置，位置信息由第一位移传感器15获取；再调整横向位置，工控机发出命令，第二水下伺服电机33启动，调整吊放架30到目标位置，此时吊放模块40在电磁铁38作用下吸附于吊放架30下，试验开始阶段，航行器在程序控制下在水中处于悬停状态，包括以下几种工作模式：

(1)匀速吊放测试：工控机发出命令，电磁铁38关闭，水下吊放电机34匀速转动，吊放模块40匀速下降，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集匀速吊放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，匀速吊放试验结束；

(2)减速/加速吊放测试：工控机发出命令，电磁铁38关闭，水下吊放电机34减速/加速转动，吊放模块40减速/加速下降，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集减速/加速吊放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，减速/加速吊放试验结束；

(3)瞬间释放测试：工控机发出命令，电磁铁38不关闭，水下吊放电机34匀速转动，配重滑块37匀速下降，当配重滑块37与航行器的距离大于试验水池池底与航行器的距离时(可保证整个过程中吊放模块的冲击力不会作用到航行器上面)，电磁铁38关闭，吊放模块40在重力作用下瞬间脱离，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集瞬间释放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，瞬间释放试验结束；

(4)匀速回收测试：吊放测试完成后进行重物回收，水下吊放电机34匀速转动，吊放模块40匀速上升，直到吊放模块40上面的铁块接触电磁铁38，力传感器39出现压力信号，达到一定阈值后，工控机根据力传感器39信号，控制水下吊放电机34停止转动，电磁铁38启动吸附住吊放模块40；

(5)减速/加速回收测试：吊放测试完成后进行重物回收，水下吊放电机34减速/加速转动，吊放模块40减速/加速上升，直到吊放模块40上面的铁块接触电磁铁38，力传感器39出现压力信号，达到一定阈值后，工控机接收到力传感器39信号后控制水下吊放电机34停止转动，电磁铁38启动吸附住吊放模块40。

本发明水下航行器模块吊放试验系统，吊放重物可在无须人接触的情况下，进行重物定位与复位，可高效模拟吊放作业，提高试验效率。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，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，而不是限制性的，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，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，包括水下航行器模型和吊放机构；

所述水下航行器模型包括外主梁框架和副梁框架，所述副梁框架整体活动安装于所述外主梁框架上，并能相对所述外主梁框架沿X方向移动；所述外主梁框架上设有第一位移传感器，用于测定所述副梁框架的位置信息；所述外主梁框架上还设有水下推进器，能实现航行器六自由度控制；所述外主梁框架上还设有控制箱，控制箱内置工控机和水下通信模块，所述工控机通过所述水下通信模块接收岸机发送的命令，并发出控制命令以实现对水下航行器模块吊放试验系统的电动控制；

所述吊放机构包括吊放架和吊放模块，所述吊放架整体活动安装于所述副梁框架上，并能相对副梁框架沿Y方向移动；所述副梁框架上设有第二位移传感器，用于测定所述吊放架的位置信息；所述吊放架上设有水下吊放电机、力传感器和电磁铁，所述吊放模块通过缆绳与所述水下吊放电机连接，并悬挂于电磁铁下方，通过水下吊放电机调节所述吊放模块Z方向的位置，所述力传感器安装于所述电磁铁上部，用于测量吊放模块对电磁铁的压力信号；通过调节所述吊放模块的自身重量用于不同重量的吊放试验；所述吊放架包括吊放主梁，所述水下吊放电机安装于所述吊放主梁的上部，所述力传感器和电磁铁依次安装于所述吊放主梁的下部；所述水下吊放电机的两侧安装有上导向滑轮，所述力传感器和电磁铁的两侧安装有下导向滑轮，所述下导向滑轮下方设有配重滑块，所述缆绳依次绕过水下吊放电机、上导向滑轮、下导向滑轮、配重滑块后与所述吊放模块相连；

所述第一位移传感器、第二位移传感器、水下吊放电机、力传感器和电磁铁分别与所述工控机信号连接；

所述水下航行器模块吊放试验系统包括以下工作模式：

（1）匀速吊放测试：工控机发出命令，电磁铁关闭，水下吊放电机匀速转动，吊放模块匀速下降，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集匀速吊放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，匀速吊放试验结束；

（2）减速/加速吊放测试：工控机发出命令，电磁铁关闭，水下吊放电机减速/加速转动，吊放模块减速/加速下降，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集减速/加速吊放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，减速/加速吊放试验结束；

（3）瞬间释放测试：首先在吊放模块上方配置配重滑块，工控机发出命令，电磁铁不关闭，水下吊放电机匀速转动，配重滑块匀速下降，当配重滑块与航行器的距离大于试验水池池底与航行器的距离时，电磁铁关闭，吊放模块在重力作用下瞬间脱离，航行器控制程序启动，进行相应测试，收集瞬间释放过程中航行器的位置信息和姿态信息，航行器在程序控制下再次稳定处于悬停阶段，瞬间释放试验结束；

（4）匀速回收测试：吊放测试完成后进行重物回收，水下吊放电机匀速转动，吊放模块匀速上升，直到吊放模块接触电磁铁，力传感器出现压力信号，达到一定阈值后，工控机根据力传感器信号，控制水下吊放电机停止转动，电磁铁启动吸附住吊放模块；

（5）减速/加速回收测试：吊放测试完成后进行重物回收，水下吊放电机减速/加速转动，吊放模块减速/加速上升，直到吊放模块接触电磁铁，力传感器出现压力信号，达到一定阈值后，工控机接收到力传感器信号后控制水下吊放电机停止转动，电磁铁启动吸附住吊放模块。

2.根据权利要求1所述的水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，所述控制箱内还设置有电源、水下定位模块、深度计和惯导，所述电源用于为试验系统的各部件供电，所述水下定位模块用于探测航行器水下三维位置信息，所述深度计用于测量航行器水下深度信息，所述惯导用于测量航行器横摇角、纵摇角、艏向角信息。

3.根据权利要求1所述的水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，所述外主梁框架为扁平状，包括主纵梁、主横梁和立柱；所述主纵梁上设有X方向齿条，所述副梁框架上安装有第一水下伺服电机，所述第一水下伺服电机的输出轴与所述X方向齿条垂直，且输出轴上安装有第一齿轮，所述第一齿轮与所述X方向齿条啮合，第一水下伺服电机驱动所述第一齿轮在X方向齿条上移动，从而带动所述副梁框架整体相对所述外主梁框架沿X方向移动；所述第一水下伺服电机通过所述水下通信模块与所述工控机信号连接。

4.根据权利要求3所述的水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，所述第一位移传感器安装于所述主横梁上，所述第一位移传感器为拉线位移传感器，传感器拉线一端固定于主横梁上，另一端固定于副梁框架上。

5.根据权利要求3所述的水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，所述副梁框架包括副纵梁和副横梁；所述副横梁上设有Y方向齿条，所述吊放架上安装有第二水下伺服电机，所述第二水下伺服电机的输出轴与所述Y方向齿条垂直，且输出轴上安装有第二齿轮，所述第二齿轮与所述Y方向齿条啮合，第二水下伺服电机驱动所述第二齿轮在Y方向齿条上移动，从而带动所述吊放架整体相对所述副梁框架沿Y方向移动；所述第二水下伺服电机通过所述水下通信模块与所述工控机信号连接。

6.根据权利要求5所述的水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，所述第二位移传感器安装于所述副纵梁上，所述第二位移传感器为拉线位移传感器，传感器拉线一端固定于副纵梁上，另一端固定于吊放架上。

7.根据权利要求1所述的水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，所述吊放模块包括铝合金材质的箱体，所述箱体上部固定安装有可与所述电磁铁连接的铁板，所述箱体一侧设有可打开的调重舱口，通过所述调重舱口向箱体内装载不同重量的配重体；箱体顶部两侧设有斜向挂板，用于连接所述缆绳。

8.根据权利要求1所述的水下航行器模块吊放试验系统，其特征在于，所述水下推进器包括布置于所述外主梁框架尾部的主推进器和尾部侧向推进器，布置于所述外主梁框架中部的垂向推进器，布置于所述外主梁框架首部的首部侧向推进器。