CN116256108A - 一种水下机器人重浮心量化配平方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下机器人重浮心量化配平方法，涉及水下机器人结构设计技术领域，解决了现有精细化测算配平方法需要将装配好的水下机器人重新按部件拆开单独称重，造成配平过程繁琐，而且容易导致最终理论与实际的水下机器人重浮心不可避免地存在较大误差的问题，其技术方案要点是：测算前的准备，测算水下机器人质心，测算负浮力载体质心，对水下机器人进行配平，求解目标重浮心的相对位置，测算第四载体浮心和水下机器人浮心；本方案全程均采用单点悬吊，本方案不需额外的测量设备，实验条件更简单，测算过程亦相对简单，测算及配平成本低，能对绝大多数的水下机器人进行测量，且不受水下机器人质量分布的影响。

Description

一种水下机器人重浮心量化配平方法

技术领域

本发明涉及水下机器人结构设计技术领域，特别涉及一种水下机器人重浮心量化配平方法。

背景技术

为了保证水下机器人稳定运行，应保有一定的稳心高度。为此，工程师在水下机器人结构设计过程中，会制定详细的重浮心计算表，借助三维设计软件的测量，初步得到水下机器人的重浮心位置。进一步，在水下机器人水池配平过程中，基于设计参数，再将水下机器人吊放入水中，通过简单力矩平衡计算和反复试错的方法，确定最终配重铅块或者浮力块的质量和位置参数，使水下机器人浮心在重心的上方。配平后水下机器人在水中处于零纵倾角，换言之水下机器人上平面与水面保持平行。配平后水下机器人浮力状态处于一般为零浮力或者微正浮力状态。

由于水下机器人结构设计阶段，不可能完全将所有的线缆、管路以及其它柔性体的细节表现在设计图纸里，而这些细节所占的重浮力比重又不可忽略，会造成设计计算得到的重浮心参数与实物存在较大误差。若以设计参数为基础确定配重参数，则会增加零纵倾角配平过程中的试错次数。上述操作方式，仅能够满足部分对重浮心位置要求不严格水下机器人的基础配平需求，对于配置成稳心高为零等高要求的场景就无能为力。

因此对重浮心要求严格的水下机器人配平需要更加精细化的测算试验方法。现有对水下机器人进行精细化测算配平的方法为：水下机器人装配完成后，重新单独测量每一个水密零部件、透水零部件、以及线缆、水密接插件等的质量，并逐一吊入水后测量其浮力质量，然后将这些参数赋值到三维设计软件对应的每个零部件上，再经软件内部求解得到水下机器人整体的质心和浮心；进而经过力矩平衡计算，得到配重参数，再经实际水池配平调整后完成水下机器人的量化配平，以实现水下机器人的零稳心高配平。

但是该方法的缺点是需要将装配好的水下机器人重新按部件拆开单独称重，由于水下机器人的部件数量众多、拆卸及起吊操作的步骤繁琐，因此容易导致最终理论与实际的水下机器人重浮心不可避免地存在较大误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下机器人重浮心量化配平方法，本方案全程均采用单点悬吊，相比现有常规的双吊点或者多点称重测量方法，本方案不需额外的测量设备，实验条件更简单，测算过程亦相对简单，本方案的测算及配平成本低，操作简单，适用范围广，能对绝大多数的水下机器人进行测量，且不受水下机器人质量分布的影响。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种水下机器人重浮心量化配平方法，包括：

测算前的准备：

于水下机器人上建立位置坐标系，确定水下机器人吊点位置A；

测算水下机器人质心：

为水下机器人配置第一配重块以组成第一载体，通过计算获得水下机器人重心、第一载体重心；

测算负浮力载体质心：

将水下机器人配置成负浮力载体，将负浮力载体通过吊点位置A悬吊于大气环境中，为负浮力载体配置第二配重块以组成第二载体，通过计算获得第二载体重心、第二配重块重心；

为第二载体配置第三配重块以组成第三载体，通过计算获得第三载体重心；

测算第四载体浮心和水下机器人浮心：

将第四载体吊放沉没于水中，为第二载体配置第四配重块以组成第四载体，通过计算获得第四载体浮心，根据第四载体浮心计算后获得水下机器人的浮心位置；

求解目标重浮心的相对位置：

根据水下机器人的重力、负浮力载体的浮力以及水下机器人的浮心、最终配重块的水中质量，通过计算后获得最终等效配重的配平位置；

对水下机器人进行配平：

根据配平位置，将最终配重块配置于水下机器人。

由此，相对于现有技术中需要多个吊点进行水下机器人悬吊的方案，本方案能通过简单的单点悬吊(吊点位置A)测算步骤，以实现水下机器人上配平位置的计算，最后将最终配重块准确地配置于配平位置上，进而实现水下机器人配平后达到目标重浮心相对位置的要求(比如稳心高、重浮心重合、浮心在中心上方5mm前方2mm等类似的要求)；本方案的配平过程清晰明了，配平及测算操作过程简洁，配平测算要求的实验条件简单，能够避免传统繁琐重复的经验试错式配平，由此可见，本方案是一种低成本高效配平方案。

而且由于本方案全程均采用单点悬吊，因此只需要一个吊钩配合吊秤来对水下机器人上的单个吊点进行称重即可，相比现有常规的双吊点或者多点称重测量方法，本方案不需额外的测量设备，即不需要特定的测量仪器，只通过少量简单的测量工具便可进行测算，实验条件更简单，测算过程亦相对简单。综上所述，本方案的测算及配平成本低，操作简单，适用范围广，能对绝大多数的水下机器人进行测量，且不受水下机器人质量分布的影响。

在一些具体实施方式中，在测算水下机器人质心的步骤中，将水下机器人通过吊点位置A悬吊于大气环境中，此时采集水下机器人的质量为m，水下机器人的纵倾角θ₁；当为水下机器人配置第一配重块以组成第一载体后，采集第一配重块的质量为m_q1，第一载体的纵倾角θ₂；

设水下机器人重心G＝[x_G,z_G]，第一载体重心G_a1＝[x_Ga1,z_Ga1]，

公式(1)：

其中第一载体的质量m_a1＝m+m_q1；/>

公式(2)：

联立公式(1)、(2)，可计算获得水下机器人重心G＝[x_G,z_G]、第一载体重心G_a1＝[x_Ga1,z_Ga1]。

由此，本方案提供了一种根据单吊点的测算方法，以用于计算水下机器人重心以及配重有第一配重块后的第一载体重心。

在一些具体实施方式中，

于所述测算水下机器人质心的步骤中，将水下机器人配置成负浮力载体，将负浮力载体通过吊点位置A悬吊于大气环境中，采集负浮力载体的倾角θ₂，第二配重块的为m_q2，第二载体的质量为m_a2，第二载体的纵倾角为θ₃；

设第二载体重心G_a2＝[x_Ga2,z_Ga2]，第二配重块重心G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]，

公式(3)：

其中第二载体的质量m_a2＝m+m_q2；

设第三载体的重心G_a3＝[x_Ga3,z_Ga3]，

公式(4)：

其中第三载体的质量m_a3＝m+m_q2+m_q3；

第三配重块的质量为m_q3，第三载体的纵倾角为θ₃；

公式(5)：

联立公式(3)-(5)后可计算获得第二载体重心G_a2＝[x_Ga2,z_Ga2]，第二配重块重心G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]，第三载体的重心G_a3＝[x_Ga3,z_Ga3]。

由此，本方案提供了一种基于单吊点进行水下机器人质心测算的具体操作及测算步骤，其具有操作简单的特点。

在一些具体实施方式中，于所述测算负浮力载体质心的步骤中，将第二配重块、水下机器人分别吊放沉没于水中，此时采集水下机器人的浮力质量m_b、第二配重块的水中质量m_q2w，水下机器人与第二配重块与第二载体满足公式(6)：m>m_b-m_q2w时，第二配重块浮心等于第二配重块重心，即B_q2＝[x_Bq2,z_Bq2]＝G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]。

由此，本方案通过利用水下机器人分别在大气中所采集的质量数据以及水中时所采集的质量数据两者与第二配重块在水中时所采集的质量数据的关系，以简单地推算出第二配重块浮心等于第二配重块重心的特点，以便于进一步简化测算流程。

在一些具体实施方式中，于所述测算第四载体浮心和水下机器人浮心的步骤中，将第二载体吊放沉没于水中，采集此时第二载体的水中质量m_a2w和纵倾角θ_w1；第四配重块的质量为m_q4，采集第四载体的纵倾角θ_w2，

公式(7)：

m_a2((x_Ga1-x_A)cosθ_w1-(z_Ga1-z_A)sinθ_w1)-m_a2b((x_Ba1-x_A)cosθ_w1-(z_Ba1-z_A)sinθ_w1)＝0，其中第二载体浮力质量m_a2b＝m_a2-m_a2w；

设第四载体重心G_a4＝[x_Ga4,z_Ga4]，公式(8)：

其中第四载体质量m_a4＝m_a2+m_q4；

设定第四载体浮心B_a2＝[x_Ba4,z_Ba4]，公式(9)：

其中第四载体质量m_a4b＝m_a2b+m_q4b，第四配重块浮力质量m_q4b＝m_q4-m_q4w；

公式(10)：

m_a4((x_Ga4-x_A)cosθ_w2-(z_Ga4-z_A)sinθ_w2)-m_a4b((x_Ba4-x_A)cosθ_w2-(z_Ba4-z_A)sinθ_w2)＝0；

联立公式(7)至公式(10)后，计算获得第四载体浮心B_a2＝[x_Ba2,z_Ba2]；

公式(11)：

将第四载体浮心B_a2＝[x_Ba2,z_Ba2]代入公式(11)后，计算获得水下机器人的浮心B＝[x_B,z_B]。

由此，本方案提供了一种基于单吊点的水下机器人浮心测算方式，其具有操作简单的特点。

在一些具体实施方式中，于所述求解目标重浮心的相对位置的步骤中，根据最终配重块沉没于水中的称重为m_qw、水下机器人的浮力质量m_b、最终配重块的浮力m_qb＝m_q-m_qw，重复所述测算水下机器人质心的步骤，计算获得最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀＝[x_G0,z_G0]以及浮心B₀＝[x_B0,z_B0]；

设定最终配重块的最终期望重浮心相对位置e_GB＝[x_eGB,z_eGB]，最终配重块的配平位置G_q＝[x_Gq,z_Gq]、浮心位置B_q＝[x_Bq,z_Bq]；

公式(12)：

根据最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀＝[x_G0,z_G0]以及浮心B₀＝[x_B0,z_B0]，进一步求解公式(12)，计算获得最终配重块的配平位置G_q。

由此，本方案提供了一种计算获得最终配重块配平位置的具体测算方式。

在一些具体实施方式中，所述最终配重块被构造为实心，使最终配重块的配平位置G_q等于浮心位置B_q。

由此，通过对最终配重块的限定，以便于进一步简化测算的步骤。

在一些具体实施方式中，在所述求解目标重浮心的相对位置与对水下机器人进行配平的步骤之间还设有配平布局分配步骤，所述配平布局分配步骤：

在水下机器人上预设有若干个等效配重位置P_x，每个等效配重位置P_x上配置有质量为m_Px的等效配重块，其中等效配重块满足公式(13)，

其中公式(13)：

由此，考虑到在实际配平过程中，由于最终配重块的体积过大时，在配平位置无法进行配重固定，则需要进行配重布局分配，在本方案中，等效配重位置P_X中的X为若干个，具体地，本方案的数量为四个，分别为P₁-P₄，在坐标系中的位置坐标描述分别对应为[x_P1,z_P1]、[x_P2,z_P2]、[x_P3,z_P3]、[x_P4,z_P4]；由此可见，每个等效配重位置P_X满足等效配重位置的选择即可，可以根据水下机器人的零部件布局作为基础，在水下机器人结构设计时预留空间，使得最终配重块能够灵活地将零部件间隙作为配重区域。

在一些具体实施方式中，于所述配平布局分配步骤中还包括微正浮力配平，在最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀处配置浮力块，使水下机器人配置成微正浮力载体。

由此，本方案提供了一种能够使水下机器人配置成正浮力状态的具体实施方式。

在一些具体实施方式中，于所述配平布局分配步骤中，当所述配平位置超出水下机器人的最大高度尺寸时，在最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀在X轴的两侧分别配置浮力材料、等效配重块。

由此，本方案考虑到如果最终配重后的水下机器人稳心高的要求较小时，可能会出现配平位置超出水下机器人最大高度尺寸的情况，本方案提供了一种能够解决这种情况的技术方案，以此来最大限度地减少目标稳心高的问题。

综上所述，本方案全程均采用单点悬吊，相比现有常规的双吊点或者多点称重测量方法，本方案不需额外的测量设备，实验条件更简单，测算过程亦相对简单，本方案的测算及配平成本低，操作简单，适用范围广，能对绝大多数的水下机器人进行测量，且不受水下机器人质量分布的影响。

附图说明

图1是本发明通过吊点位置A使水下机器人悬吊于大气中的示意图；

图2是本发明通过吊点位置A使水下机器人悬吊于大气中稳定后的示意图；

图3是第一载体悬吊于大气中且稳定后的示意图；

图4是第二载体悬吊于大气中且稳定后的示意图；

图5是第三载体悬吊于大气中且稳定后的示意图；

图6是第二载体悬吊于水中且稳定后的示意图；

图7是第四载体悬吊于水中且稳定后的示意图；

图8是在水下机器人上预设有四个等效配重位置的示意图；

图9是本发明的步骤流程图。

附图标记：A、吊点位置；11、第一载体；12、第二载体；13、第三载体；14、第四载体；21、第一配重块；22、第二配重块；23、第三配重块；24、第四配重块；25、配平位置；4、水下机器人；40、负浮力载体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一

一种水下机器人4重浮心量化配平方法，如图1至图9所示，包括如下步骤：

S1、测算前的准备：

如图1所示，于水下机器人4上建立位置坐标系，确定水下机器人4吊点位置A；

具体地，以水下机器人4在纵向垂直对称面上的任一点作为坐标原点，优选有明显几何特征中心的位置；优选地本实施例在水下机器人4的中部设定坐标原点，自定义建立关于水下机器人4的位置坐标系{O}，其中+X轴往图中左侧方向延伸，-Z轴往图中竖直方向向下延伸。本实施例的位置坐标系优选与位姿传感器的坐标系对齐，以方便后续水下机器人4纵倾角的计算。因水下机器人4通配的位姿传感器，姿态角精度一般都可达0.01°甚至更高，主要的长度测量误差均可控制在毫米级，测量误差小，所以本方案测算精度高，避免配平工程人员试错，提高配平效率。本实施例优选的水下机器人4具有几何纵垂对称面，且重浮心位置基本与该对称面重合，在本实施例中，水下机器人4已设计中部吊点。

关于水下机器人4吊点位置A的选择，优选在水下机器人4的中部设定吊点位置A＝[x_A,z_A]；

S2、测算水下机器人4质心：

如图2所示，将水下机器人4通过吊点位置A悬吊于大气环境中，待水下机器人4悬吊状态平稳后，此时通过吊秤采集水下机器人4的质量为m，通过位姿传感器采集水下机器人4的纵倾角θ₁；

如图3所示，将重量为m_q1的第一配重块21系固于水下机器人4在纵向垂直对称面上的任一位置(该位置优选以是否容易测量相对于位置坐标系原点为原则)，记录下此时第一配重块21的质心G_q1＝[x_Gq1,z_Gq1]，以使第一配重块21与水下机器人4组成第一载体11。

具体地，为水下机器人4配置第一配重块21以组成第一载体11后，此时所采集第一配重块21的质量为m_q1，待第一载体11悬吊状态稳定后，通过位姿传感器采集第一载体11的纵倾角θ₂；

关于通过计算获得水下机器人4重心、第一载体11重心，计算步骤如下：

设水下机器人4重心G＝[x_G,z_G]，第一载体11重心G_a1＝[x_Ga1,z_Ga1]，其中，水下机器人4与第一载体11两者的重心参数满足公式(1)，在本实施例的位置坐标系下，以数学形式描述GA、G_a1A的斜率，可建立如公式(2)所示的方程组；

公式(1)：

其中第一载体11的质量m_a1＝m+m_q1；

公式(2)：

联立公式(1)、(2)，可计算获得水下机器人4重心G＝[x_G,z_G]、第一载体11重心G_a1＝[x_Ga1,z_Ga1]。由此，本方案提供了一种根据单吊点的测算方法，以用于计算水下机器人4重心以及配重有第一配重块21后的第一载体11重心。

S3、测算负浮力载体40质心：

将水下机器人4配置成负浮力载体40，将负浮力载体40通过吊点位置A悬吊于大气环境中，为负浮力载体40配置质量为m_q2的第二配重块22以组成第二载体12，将S1计算步骤中的第一载体11替换为第二载体12，并重复上述S2中关于通过计算水下机器人4重心、第一载体11重心的计算步骤，以通过下面后续计算步骤来计算获得第二载体12重心、第二配重块22重心，具体如下：

如图4所示，将第二载体12通过吊点位置A悬吊于大气环境中，待第二载体12状态平稳后，采集第二载体12的质量为m_a2，通过位姿传感器采集第二载体12的纵倾角θ₃；

如图5所示，维持第二载体12在吊点位置A的悬吊状态，第二载体12配置质量为m_q3的第三配重块23以组成第三载体13；具体地，第三配重块23系固于水下机器人4在纵向垂直对称面上的任一位置(该位置优选以是否容易测量相对于位置坐标系原点为原则)，记下第三配重块23质心位置G_q3＝[x_Gq3,z_Gq3]。

待第三载体13悬吊状态平稳后，通过位姿传感器采集第三载体13的纵倾角θ₄；

其中，关于通过计算获得第三载体13重心的计算步骤，计算步骤如下：

将水下机器人4配置成负浮力载体40，将负浮力载体40通过吊点位置A悬吊于大气环境中，采集负浮力载体40的倾角θ₂，第二配重块22的为m_q2，第二载体12的质量为m_a2；

设第二载体12重心G_a2＝[x_Ga2,z_Ga2]，第二配重块22重心G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]，那么

公式(3)：

其中第二载体12的质量m_a2＝m+m_q2；

设第三载体13的重心G_a3＝[x_Ga3,z_Ga3]，则第二载体12重心G_a2和第三载体13重心G_a3参数满足公式(4)；

公式(4)：

其中第三载体13的质量m_a3＝m+m_q2+m_q3；

在本实施例的位置坐标系下，以数学形式描述G_a2A、G_a3A的斜率，可建立如下方程组：

公式(5)：

联立公式(3)-(5)后可计算获得第二载体12重心G_a2＝[x_Ga2,z_Ga2]，第二配重块22重心G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]，第三载体13的重心G_a3＝[x_Ga3,z_Ga3]。

将第二配重块22、水下机器人4分别吊放沉没于水中，此时采集水下机器人4的浮力质量m_b、第二配重块22的水中质量m_q2w，考虑到第二载体12为负浮力状态，能够自然吊放沉没于水中，水下机器人4与第二配重块22与第二载体12满足公式(6)：m>m_b-m_q2w时，因为第二配重块22为实心，第二配重块22的重心与浮心位置重合，第二配重块22浮心等于第二配重块22重心，即B_q2＝[x_Bq2,z_Bq2]＝G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]。

为方便计算，本实施例将浮力除以重力加速度g换算成的量则成为浮力质量，具体地，浸在流体内的物体受到流体竖直向上的作用力叫作浮力，浮力的反向与重力的方向相反。计算可用浮力的推导公式F_浮＝G_排＝ρ_液gV_排(ρ液为流体的密度，单位为kg/m³；g为常数，是重力与质量的比值，取g＝9.8N/kg，粗略计算时可取10N/kg；V_排表示排开流体的体积，单位为m³)

由此，本方案通过利用水下机器人4分别在大气中所采集的质量数据以及水中时所采集的质量数据两者与第二配重块22在水中时所采集的质量数据的关系，以简单地推算出第二配重块22浮心等于第二配重块22重心的特点，以便于进一步简化测算流程。

考虑到水下机器人4在结构设计过程中一般会留有一定的浮力以及配重余量，以用于搭载额外设备。为了测算水下机器人4作为载体本体的浮心，需要将水下机器人4沉没于水中，因此在本步骤中需要事先将水下机器人4配置成负浮力载体40的状态，以方便后续测算。由此，本方案提供了一种基于单吊点进行水下机器人4质心测算的具体操作及测算步骤，其具有操作简单的特点。

S4、测算第四载体浮心和水下机器人4浮心：

如图6所示，参考步骤S3，以配置成第二载体12，将第二载体12通过吊点位置A吊放沉没于水中，倾覆摇摆第二载体12，以避免第二载体12的内部残留空泡影响测试准确度，浸泡一段时间后，记录此时吊秤示数为第二载体12在水中的质量m_a2w和纵倾角θ_w1。

将质量为m_q4的且外形规则的第四配重块24吊放沉没于水中，吊秤示数m_q4w为第四配重块24的水中质量，如图7所示，然后将第四配重块24系固于水下机器人4在纵向垂直对称面上的任一位置(该位置优选以是否容易测量相对于位置坐标系原点为原则)，记下第四配重块24质心位置G_q4＝[x_Gq4,z_Gq4]，由于第四配重块24为实心，因此第四配重块24的重心与浮心重合；以实现为第二载体12配置第四配重块24以组成第四载体14，维持第四载体14在吊点位置A的悬吊状态，待第四载体14在水中的纵向倾斜稳定后，通过位姿传感器采集第四载体14的纵倾角θ_w2；

关于通过计算获得第四载体14浮心、以及根据第四载体14浮心计算后获得水下机器人4的浮心位置的计算步骤：

设定第四载体14浮心B_a2＝[x_Ba4,z_Ba4]，由于吊秤吊绳拉力、第四载体14重力和浮力方向均沿着大地的重力方向，因此为了方便计算，建立大地坐标系{E}，其中Z轴的方向与重力方向相同，X轴方向在图中往左延伸，根据平面坐标旋转变换理论和力矩平衡理论，对吊点位置A列写重力矩和浮力矩平衡方程可得到公式(7)；

公式(7)：

m_a2((x_Ga1-x_A)cosθ_w1-(z_Ga1-z_A)sinθ_w1)-m_a2b((x_Ba1-x_A)cosθ_w1-(z_Ba1-z_A)sinθ_w1)＝0

其中第二载体12浮力质量m_a2b＝m_a2-m_a2w；

设第四载体14重心G_a4＝[x_Ga4,z_Ga4]，公式(8)：

其中第四载体14质量m_a4＝m_a2+m_q4；

设定第四载体14浮心B_a2＝[x_Ba4,z_Ba4]，公式(9)：

其中第四载体14质量m_a4b＝m_a2b+m_q4b，第四配重块24浮力质量m_q4b＝m_q4-m_q4w；

根据平面坐标旋转变换理论和力矩平衡理论，对第四载体14在吊点位置A列写重力矩和浮力矩平衡方程公式(10)：

m_a4((x_Ga4-x_A)cosθ_w2-(z_Ga4-z_A)sinθ_w2)-m_a4b((x_Ba4-x_A)cosθ_w2-(z_Ba4-z_A)sinθ_w2)＝0

联立公式(7)至公式(10)后，计算获得第四载体14浮心B_a2＝[x_Ba2,z_Ba2]；

公式(11)：

将第四载体14浮心B_a2＝[x_Ba2,z_Ba2]代入公式(11)后，计算获得水下机器人4的浮心B＝[x_B,z_B]。由此，本方案提供了一种基于单吊点的水下机器人4浮心测算方式，其具有操作简单的特点。

S5、求解目标重浮心的相对位置：

根据水下机器人4的重力、负浮力载体40的浮力以及水下机器人4的浮心、最终配重块的水中质量，通过计算后获得最终等效配重的配平位置25；

根据最终配重块沉没于水中的称重为m_qw、水下机器人4的浮力质量m_b、最终配重块的浮力m_qb＝m_q-m_qw，重复测算水下机器人4质心的步骤，计算获得最终配重块与水下机器人4组合后的重心G₀＝[x_G0,z_G0]以及浮心B₀＝[x_B0,z_B0]；

设定最终配重块的最终期望重浮心相对位置e_GB＝[x_eGB,z_eGB]，最终配重块的配平位置25G_q＝[x_Gq,z_Gq]、浮心位置B_q＝[x_Bq,z_Bq]；

公式(12)：

根据最终配重块与水下机器人4组合后的重心G₀＝[x_G0,z_G0]以及浮心B₀＝[x_B0,z_B0]，进一步求解公式(12)，计算获得最终配重块的配平位置25G_q。由此，本方案提供了一种计算获得最终配重块配平位置25的具体测算方式。

S6、配平布局分配步骤：

在水下机器人4上预设有若干个等效配重位置P_x，每个等效配重位置P_x上配置有质量为m_Px的等效配重块，其中等效配重块满足公式(13)，

其中公式(13)：

由此，考虑到在实际配平过程中，由于最终配重块的体积过大时，在配平位置25无法进行配重固定，则需要进行配重布局分配，如图8所示，在本方案中，等效配重位置P_X中的X为若干个，具体地，本方案的数量为四个，分别为P₁-P₄，在坐标系中的位置坐标描述分别对应为[x_P1,z_P1]、[x_P2,z_P2]、[x_P3,z_P3]、[x_P4,z_P4]；由此可见，每个等效配重位置P_X满足等效配重位置的选择即可，可以根据水下机器人4的零部件布局作为基础，在水下机器人4结构设计时预留空间，使得最终配重块能够灵活地将零部件间隙作为配重区域。

优选地，于配平布局分配步骤中还包括微正浮力配平，在最终配重块与水下机器人4组合后的重心G₀处配置浮力块，使水下机器人4配置成微正浮力载体。由此，本方案提供了一种能够使水下机器人4配置成正浮力状态的具体实施方式。

优选地，在微正浮力配平步骤中还包括配平后横向滚动微调，在上述配平基础上，将最终配重块只沿位置坐标系的Y轴方向轻微移动，可实现水下机器人4的横向滚动微调。

优选地，在配平布局分配步骤中，当配平位置25超出水下机器人4的最大高度尺寸时，在最终配重块与水下机器人4组合后的重心G₀在X轴的两侧分别配置浮力材料、等效配重块。

由此，本方案考虑到如果最终配重后的水下机器人4稳心高的要求较小时，可能会出现配平位置25超出水下机器人4最大高度尺寸的情况，本方案提供了一种能够解决这种情况的技术方案，以此来最大限度地减少目标稳心高的问题。

S7、对水下机器人4进行配平：

根据配平位置25，将最终配重块配置于水下机器人4。

由此，相对于现有技术中需要多个吊点进行水下机器人4悬吊的方案，本方案能通过简单的单点悬吊(吊点位置A)测算步骤，以实现水下机器人4上配平位置25的计算，最后将最终配重块准确地配置于配平位置25上，本实施例的最终配重块为四个且分别配置于图8中的四个配平位置25上，进而实现水下机器人4配平后达到目标重浮心相对位置的要求(比如稳心高、重浮心重合、浮心在中心上方5mm前方2mm等类似的要求)；本方案的配平过程清晰明了，配平及测算操作过程简洁，配平测算要求的实验条件简单，能够避免传统繁琐重复的经验试错式配平，由此可见，本方案是一种低成本高效配平方案。

而且由于本方案全程均采用单点悬吊，因此只需要一个吊钩配合吊秤来对水下机器人4上的单个吊点进行称重即可，相比现有常规的双吊点或者多点称重测量方法，本方案不需额外的测量设备，即不需要特定的测量仪器，只通过少量简单的测量工具便可进行测算，实验条件更简单，测算过程亦相对简单。综上，本方案的测算及配平成本低，操作简单，适用范围广，能对绝大多数的水下机器人4进行测量，且不受水下机器人4质量分布的影响。

优选地，最终配重块被构造为实心，使最终配重块的配平位置25G_q等于浮心位置B_q。由此，通过对最终配重块的限定，以便于进一步简化测算的步骤。在本实施例中，第一配重块21、第二配重块22、第三配重块23、最终配重块的均为实心铅块。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，包括：

测算前的准备：

于水下机器人上建立位置坐标系，确定水下机器人吊点位置A；

测算水下机器人质心：

为水下机器人配置第一配重块以组成第一载体，通过计算获得水下机器人重心、第一载体重心；

测算负浮力载体质心：

将水下机器人配置成负浮力载体，将负浮力载体通过吊点位置A悬吊于大气环境中，为负浮力载体配置第二配重块以组成第二载体，通过计算获得第二载体重心、第二配重块重心；

为第二载体配置第三配重块以组成第三载体，通过计算获得第三载体重心；

测算第四载体浮心和水下机器人浮心：

将第二载体吊放沉没于水中，为第二载体配置第四配重块以组成第四载体，通过计算获得第四载体浮心，根据第四载体浮心计算后获得水下机器人的浮心位置；

求解目标重浮心的相对位置：

根据水下机器人的重力、负浮力载体的浮力以及水下机器人的浮心、最终配重块的水中质量，通过计算后获得最终等效配重的配平位置；

对水下机器人进行配平：

根据配平位置，将最终配重块配置于水下机器人。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，在测算水下机器人质心的步骤中，将水下机器人通过吊点位置A悬吊于大气环境中，此时采集水下机器人的质量为m，水下机器人的纵倾角θ₁；当为水下机器人配置第一配重块以组成第一载体后，采集第一配重块的质量为m_q1，第一载体的纵倾角θ₂；

设水下机器人重心G＝[x_G,z_G]，第一载体重心G_a1＝[x_Ga1,z_Ga1]，

公式(1)：

其中第一载体的质量m_a1＝m+m_q1；

公式(2)：

联立公式(1)、(2)，可计算获得水下机器人重心G＝[x_G,z_G]、第一载体重心G_a1＝[x_Ga1,z_Ga1]。

3.根据权利要求1所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，

于所述测算水下机器人质心的步骤中，将水下机器人配置成负浮力载体，将负浮力载体通过吊点位置A悬吊于大气环境中，采集负浮力载体的倾角θ₂，第二配重块的为m_q2，第二载体的质量为m_a2，第二载体的纵倾角为θ₃；

设第二载体重心G_a2＝[x_Ga2,z_Ga2]，第二配重块重心G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]，

公式(3)：

其中第二载体的质量m_a2＝m+m_q2；

设第三载体的重心G_a3＝[x_Ga3,z_Ga3]，

公式(4)：

其中第三载体的质量m_a3＝m+m_q2+m_q3；

第三配重块的质量为m_q3，第三载体的纵倾角为θ₃；

公式(5)：

联立公式(3)-(5)后可计算获得第二载体重心G_a2＝[x_Ga2,z_Ga2]，第二配重块重心G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]，第三载体的重心G_a3＝[x_Ga3,z_Ga3]。

4.根据权利要求3所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，于所述测算负浮力载体质心的步骤中，将第二配重块、水下机器人分别吊放沉没于水中，此时采集水下机器人的浮力质量m_b、第二配重块的水中质量m_q2w，水下机器人与第二配重块与第二载体满足公式(6)：m>m_b-m_q2w时，第二配重块浮心等于第二配重块重心，即B_q2＝[x_Bq2,z_Bq2]＝G_q2＝[x_Gq2,z_Gq2]。

5.根据权利要求1所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，

于所述测算第四载体浮心和水下机器人浮心的步骤中，将第二载体吊放沉没于水中，采集此时第二载体的水中质量m_a2w和纵倾角θ_w1；第四配重块的质量为m_q4，采集第四载体的纵倾角θ_w2，

公式(7)：

m_a2((x_Ga1-x_A)cosθ_w1-(z_Ga1-z_A)sinθ_w1)-m_a2b((x_Ba1-x_A)cosθ_w1-(z_Ba1-z_A)sinθ_w1)＝0，

其中第二载体浮力质量m_a2b＝m_a2-m_a2w；

设第四载体重心G_a4＝[x_Ga4，z_Ga4]，公式(8)：

其中第四载体质量m_a4＝m_a2+m_q4；/>

设定第四载体浮心B_a2＝[x_Ba4,z_Ba4]，公式(9)：

其中第四载体质量m_a4b＝m_a2b+m_q4b，第四配重块浮力质量m_q4b＝m_q4-m_q4w；

公式(10)：

m_a4((x_Ga4-x_A)cosθ_w2-(z_Ga4-z_A)sinθ_w2)-m_a4b((x_Ba4-x_A)cosθ_w2-(z_Ba4-z_A)sinθ_w2)＝0；

联立公式(7)至公式(10)后，计算获得第四载体浮心B_a2＝[x_Ba2,z_Ba2]；

公式(11)：

将第四载体浮心B_a2＝[x_Ba2,z_Ba2]代入公式(11)后，计算获得水下机器人的浮心B＝[x_B,z_B]。

6.根据权利要求1所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，于所述求解目标重浮心的相对位置的步骤中，根据最终配重块沉没于水中的称重为m_qw、水下机器人的浮力质量m_b、最终配重块的浮力m_qb＝m_q-m_qw，重复所述测算水下机器人质心的步骤，计算获得最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀＝[x_G0,z_G0]以及浮心B₀＝[x_B0,z_B0]；

设定最终配重块的最终期望重浮心相对位置e_GB＝[x_eGB,z_eGB]，最终配重块的配平位置G_q＝[x_Gq,z_Gq]、浮心位置B_q＝[x_Bq,z_Bq]；

公式(12)：

根据最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀＝[x_G0,z_G0]以及浮心B₀＝[x_B0,z_B0]，进一步求解公式(12)，计算获得最终配重块的配平位置G_q。

7.根据权利要求6所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，所述最终配重块被构造为实心，使最终配重块的配平位置G_q等于浮心位置B_q。

8.根据权利要求1所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，在所述求解目标重浮心的相对位置与对水下机器人进行配平的步骤之间还设有配平布局分配步骤，所述配平布局分配步骤：

在水下机器人上预设有若干个等效配重位置P_x，每个等效配重位置P_x上配置有质量为m_Px的等效配重块，其中等效配重块满足公式(13)，

其中公式(13)：

9.根据权利要求8所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，于所述配平布局分配步骤中还包括微正浮力配平，在最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀处配置浮力块，使水下机器人配置成微正浮力载体。

10.根据权利要求8所述的一种水下机器人重浮心量化配平方法，其特征在于，于所述配平布局分配步骤中，当所述配平位置超出水下机器人的最大高度尺寸时，在最终配重块与水下机器人组合后的重心G₀在X轴的两侧分别配置浮力材料、等效配重块。

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