CN1746077A

CN1746077A - 中性浮力鸭式布局潜水艇及其航行深度与悬停控制方法

Info

Publication number: CN1746077A
Application number: CN 200410073053
Authority: CN
Inventors: 刘歌群
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-06
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2006-03-15

Abstract

一种潜水艇及其航行深度与水中悬停控制方法。艇的浮力F₀与重力G接近并略大与重力，浮力作用线通过重心O_G，作用中心点O_F位于重心上方。艇的前后两侧共有四个鸭式布局的联动升降舵(4)，水对舵面作用力在竖直方向上分力Fy之合力FY作用线与艇的重力线重合，该合力使潜艇以水平姿态下潜或上浮。航行深度自动控制系统为闭环负反馈控制系统，通过调节升降舵偏角能使艇按照给定深度航行。悬停自动控制系统为具有航程与航行深度至少两个负反馈回路的闭环控制系统，通过调节螺旋桨的转向转速及升降舵偏角，能使艇悬停在给定的位置。本发明机动性强、能耗低、水动力学性能好，能够实现水下定深与定点作业，较适用于无人潜水艇及玩具。

Description

中性浮力鸭式布局潜水艇及其航行深度与悬停控制方法

技术领域

本发明涉及一种水下航行器及其控制方法，具体地说是一种具有中性浮力且升降舵为鸭式布局的潜水艇及其航行深度与水中悬停控制方法。

背景技术

众所周知，潜水艇是通过抽水/排水法实现下潜与上浮的，但这种传统方法所采用的机构体积比较庞大、结构也比较复杂，在深水区排水时要克服高水压做功，能耗比较大，相对来说艇的机动性也较差。现有的专利中，申请号为03123553.0的发明专利提出了一种潜水艇下潜与上浮的辅助机构，该机构是一个设置于艇身下方的切水翼板，其缺点是在艇下潜和上浮的时候，由于切水翼板与艇身之间的间隙前后相差悬殊，水会挤出或涌入此间隙，流场变得复杂，艇的水动力性能变差，因而通过改变切水翼板倾角辅助艇进行下潜和上浮，控制效能不高。此发明专利的另一个不足是没有指出水在切水翼板上产生的升降作用力与艇的重心之间应有的关系，因而不能保证艇在下潜和上浮时保持姿态水平。申请号为02130748.2的发明专利在艇的前部两侧有升降舵，专利号为02290693.2的实用新型专利在艇的前端连接了控制上下的舵板，这两项专利的共同缺点是没有采用鸭式布局，因而在潜水艇下潜和上浮时不能保持姿态水平。另前两项专利是和抽水/排水法结合使用，不适用于无人潜水艇和玩具潜水艇。此外，现有的采用非抽水/排水法的潜水艇相关专利中，没有明确提出潜水艇的浮力与重力之间应具有的关系，因而不能保证潜水艇潜浮时所需升降作用力最小，能耗最低，也没有专利基于该艇的水动力学特性，提出航行深度与水下悬停控制方法。

发明内容

为了简化潜水艇的升降机构、减小体积、改善艇的机动能力、提高升降控制效能、降低能耗，并在下潜与上浮时保持姿态水平、使艇具有定深与定位作业能力，本发明提出一种具有中性浮力鸭式布局的潜水艇及其航行深度与悬停控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在潜水艇艇身(1)两侧前后装置了四个联动的升降舵(4)，在艇前进或后退时，通过改变升降舵偏角，来改变水作用于舵面上竖直方向分力的大小和方向，从而对艇形成升降作用力。艇的结构使艇在水中的总浮力接近并略大于艇的重量，使在艇下潜时所需升降作用力小，静止时艇能漂浮在水面上。艇的配重使艇在水平状态下的浮力作用线与重力线近似重合，且重心位于浮力作用中心点的下方，以保证艇的静稳定性。四个升降舵为鸭式布局，舵的大小、形状和位置使水在舵面上产生的升降作用力之合力作用线与艇的重力线近似重合，以使艇在下潜和上浮时不会产生俯仰及滚转力矩，能保持水平姿态。推进装置采用可反向旋转的驱动机构及螺旋桨桨型，使艇在前进和后退时均能下潜和上浮。艇的航行深度控制由航行深度自动控制系统实现，该系统是由航行深度传感器、航行深度控制器、升降舵机、升降传动机构和升降舵组成的闭环负反馈控制系统，其反馈回路为以航行深度传感器为主的检测通道，系统输入为给定航行深度，输出为实际航行深度。航行深度自动控制系统的工作过程为：航行深度控制器根据航行深度传感器测量得到的实际航行深度，与给定航行深度比较后，按一定的控制规律通过升降舵机和升降传动机构调节升降舵偏角，以调整艇的航行深度，使实际航行深度与给定航行深度保持一致。艇的悬停控制由悬停自动控制系统实现，该系统为由航行深度传感器、航程传感器、悬停控制器、升降舵机、升降传动机构、升降舵、螺旋桨驱动机构和螺旋桨构成的两输入两输出的控制系统，系统的输入为给定航行深度和给定航程，输出为实际航行深度和实际航程。悬停自动控制系统有两个负反馈回路，一是航行深度负反馈回路，另一个是航程负反馈回路。悬停自动控制系统的工作过程为：悬停控制器根据航行深度传感器检测到的航行深度和航程传感器检测到的航程，与给定航行深度及给定航程比较后，按一定的控制规律，通过螺旋桨驱动机构调节螺旋桨的转向和转速，通过升降舵机和升降传动机构调节升降舵偏角，从而调节艇的前后位置和深浅，以达到在给定位置保持悬停不动的目的。

本发明的有益效果是：

(1)利用升降舵控制潜水艇的沉浮，和传统的排水/抽水法相比，艇的机动性强，沉浮控制机构的体积小，在深水域时不用克服较大的水压排水做功，能耗低；

(2)潜水艇具有略大于重力的中性浮力，既能保证静止时漂浮在水面上，又能保证较小的升降作用力就可使艇下潜或上浮，动力系统能耗小；

(3)升降舵分布于艇身两侧，水动力学性能好，控制效能高；

(4)升降舵采用鸭式布局，升降力作用线与重力作用线重合，使潜水艇在沉浮运动时能保持水平姿态，有利于艇的水下作业，对艇内设备影响小；

(5)螺旋桨可以正反转，使艇在前进和后退时均能下潜和上浮，机动性佳，并使艇在水中悬停成为可能；

(6)闭环负反馈的航行深度控制系统，能使艇在水下定深巡航，能够完成水下定深作业；

(7)利用悬停控制系统，通过控制螺旋桨的转向、转速及升降舵偏角，实现艇在水中的悬停，能够完成水中定点作业；

(8)本发明较适用于无人潜水艇和玩具，有良好的应用前景及经济、军事意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述潜水艇实施例的外部结构及重力、浮力、水对升降舵的升降作用力示意图。

图2为潜水艇前进时前沿低于后沿，或后退时前沿高于后沿的舵面受力示意图。此时，水在舵面上的正压力F_w可以按水平和竖直两个正交方向分解，水平方向的分力F_x形成对潜艇水平运动的阻力，竖直方向上的分力Fy形成使潜艇下潜的作用力。

图3为潜水艇前进时前沿高于后沿，或后退时前沿低于后沿的舵面受力示意图。此时，水在舵面上的正压力F_w可以按水平和竖直两个正交方向分解，水平方向的分力F_x形成对潜艇水平运动的阻力，竖直方向上的分力Fy形成使潜艇上浮的作用力。

图4是本发明所述潜水艇航行深度控制系统实施例的组成方框图。

图5是本发明所述潜水艇水中悬停控制系统实施例的组成方框图。

以上各图中：1：艇身；2：螺旋桨；3：方向舵；4：升降舵；5：升降舵前沿；6：升降舵后沿；7；航行深度控制器。

以上各图中符号定义为：O_G：潜水艇重心；G：潜水艇重力；O_F：浮力作用中心点；F₀：水对潜水艇的浮力；F_Y：水在四个升降舵上产生的竖直方向分力的合力；D_m：潜水艇带动升降舵与水产生相对运动的方向；F_w：水对升降舵的正压力；F_x：水对升降舵的作用力在水平方向上的分力；Fy：水对升降舵的作用力在竖直方向上的分力；H_R：给定航行深度；H_C：实际航行深度；L_R：给定航程；L_C：实际航程。

具体实施方式

图1所示实施例的外部结构图中，方向舵在艇的后部下方，螺旋桨位于艇身尾部。升降舵为矩型，平行联动。艇的重心位于O_G点，浮力作用中心位于O_F点，O_F点在O_G点上方。浮力为F₀，重力为G，两力作用线近似重合，满足F₀≈G且F₀＞G的关系。水在四个升降舵上产生的竖直方向分力的合力F_Y近似穿过重心点O_G。

图4所示潜水艇航行深度控制系统实施例的方框图中，航行深度传感器为压力传感器，航行深度控制器为计算机，升降舵机为电动舵机，控制律由计算机软件实现。因为潜水艇在前进和后退时的动力学特性和运动学特性不同，所以在控制软件中采用了不同的控制规律。两种控制规律均为PID控制规律，控制规律之间的切换根据艇的运动状态由软件进行。

图5所示潜水艇水中悬停控制系统实施例的方框图中，航行深度传感器为压力传感器，航程传感器为惯性陀螺，悬停控制器为计算机，升降舵机为电动舵机，螺旋桨驱动机构为电动机及减速器，控制律由计算机软件实现，此处的控制规律为多变量模糊控制规律。

Claims

1.一种潜水艇，由艇身(1)、螺旋桨(2)、方向舵(3)和升降舵(4)构成，其特征是：

A.潜水艇的结构使得潜水艇具有中性略偏正的浮力，即潜水艇在水中的浮力与潜水艇重力接近并略大于重力，且浮力与重力足够接近，使得通过控制升降舵(4)可以使潜水艇在航行时下潜；

B.潜水艇的结构使得潜水艇处于水平姿态时，水对潜水艇的浮力与潜水艇重力两力作用线基本重合，浮力作用中心点位于潜水艇重心上方；

C.在潜水艇的两侧前后共有四个联动的升降舵(4)，其布局为鸭式布局，当潜水艇前进或者后退时，水在四个升降舵上产生作用力，该作用力在竖直方向上分力的合力作用线与潜水艇重力线基本重合。

2.根据权利要求1所述的潜水艇，其特征是：螺旋桨(2)位于艇的头部、中部或尾部，既可以正转也可以反转，正转时潜水艇前进，反转时潜水艇后退。

3.一种如权利要求1或2所述潜水艇的下潜和上浮实现方法，其特征是：D、E或F、G。

D.潜水艇前进时，四个升降舵(4)前沿(5)低于后沿(6)，水对升降舵的作用力在竖直方向上的分力使潜水艇下潜；

E.潜水艇前进时，四个升降舵(4)前沿(5)高于后沿(6)，水对升降舵的作用力在竖直方向上的分力使潜水艇上浮；

F.潜水艇后退时，四个升降舵(4)前沿(5)低于后沿(6)，水对升降舵的作用力在竖直方向上的分力使潜水艇上浮；

G.潜水艇后退时，四个升降舵(4)前沿(5)高于后沿(6)，水对升降舵的作用力在竖直方向上的分力使潜水艇下潜。

4.根据权利要求1或2所述的潜水艇，其特征是具有航行深度自动控制系统，航行深度自动控制系统由包括航行深度传感器、航行深度控制器(7)、升降舵机、升降传动机构和升降舵(4)在内的控制系统元部件组成。

5.一种如权利要求4所述潜水艇的航行深度自动控制方法，其特征是：航行深度自动控制系统的元部件构成闭环负反馈控制系统，系统输入为给定航行深度，输出为实际航行深度，其控制规律为包括PID控制、串级控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家控制、仿人智能控制、鲁棒控制及其组合在内的智能或非智能控制方法。

6.根据权利要求4所述的航行深度控制器(7)，其特征是航行深度控制器为包括模拟电路、数字电路、数模混合电路及计算机在内的运算部件。

7.根据权利要求1或2所述的潜水艇，其特征是具有水中悬停自动控制系统，悬停自动控制系统由包括航行深度传感器、航程传感器、悬停控制器、升降舵机、升降传动机构、升降舵(4)、螺旋桨驱动机构和螺旋桨(2)在内的控制系统元部件组成。

8.一种如权利要求7所述潜水艇的水中悬停自动控制方法，其特征是：悬停自动控制系统元部件构成两输入两输出的闭环控制系统，输入为给定航行深度和给定航程，输出为实际航行深度和实际航程，控制系统至少包括两个负反馈回路，一个是航行深度负反馈回路，另一个是航程负反馈回路，其控制规律为包括PID控制、解耦控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家控制、仿人智能控制、鲁棒控制及其组合在内的智能或非智能控制方法。

9.根据权利要求7所述的悬停控制器，其特征是控制器为包括模拟电路、数字电路、数模混合电路及计算机在内的运算部件。