一种水下航行器浮心测量方法技术

本发明专利技术涉及水下航行器领域，具体地说是一种水下航行器浮心测量方法。具体是以水下航行器某一点设为原点，建立三维立体模型，设长度方向X轴、宽度方向Y轴、竖直方向Z轴，测量包括X轴方向的重心测量、Z轴方向的重心测量、X轴方向的浮心测量和Z轴方向的浮心测量。本发明专利技术原理简单，对测量数据基于力矩平衡原理进行科学计算，适用范围较广，不受物体质量分布的影响。本发明专利技术测量精度高，可以通过该方法准确测量水下航行器浮心位置，其检测方便，大大提高了工作人员的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种水下航行器浮心测量方法
本专利技术涉及水下航行器领域，具体地说是一种水下航行器浮心测量方法。
技术介绍
水下航行器是一种航行于水下的航行体，它能够完成水下勘探、水下侦测甚至是水下军事任务。在海洋开发日益重要的今天，水下航行器越来越受到各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。浮心与重心位置的设计是提高水下航行器安全系数的一个重要方式。对于任何一种水下航行器来说，水下航行的稳定性是至关重要的，它决定着航行器航行的安全性。浮心与重心的位置决定着水下航行器的稳定性，位置距离过大或过小都会导致航行器失稳，造成严重后果。因此准确测量浮心与重心的位置是非常关键的。通常，规则而密度均匀物体的浮心能够通过一些常规方法得到。但绝大部分水下航行器是呈不规则形状或质量分布不均的，普通的测量方法不再适用。针对这个问题，有些测量方法通过实验仪器或装置进行测量，这种测量方法成本高，操作复杂，且易受外界条件限制。有些测量方法虽然简单，但测量结果不精确，测量误差大。所以如何才能准确、便捷地测量水下航行器浮心位置已成为急需解决的重要问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是如何克服现有技术的不足，对于圆柱形水下航行器，提出一种准确而简便的方法用来测量航行器浮心位置，该方法操作简单，测量成本低，且适用范围较广，为航行器的稳定性分析提供依据。本专利技术为实现上述目的采用的技术方案是：以水下航行器前端头设为原点，建立三维立体模型，设长度方向X轴、宽度方向Y轴、竖直方向Z轴，测量包括X轴方向的重心测量、Z轴方向的重心测量、X轴方向的浮心测量和Z轴方向的浮心测量。作为优选，上述中测重心X轴方向的距离包括以下步骤：用两根绳分别在前后两处悬挂起水下航行器，悬挂点位于航行器宽度方向的中间位置，将两根绳分别挂在钩秤上，钩秤固定在合适的支撑物上，通过调整两根绳的长度使航行器处于水平状态，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：X3即重心在长度方向上的距离；其中：F1、F2分别为两悬挂钩秤的示数；G为水下航行器的重力，可通过G＝F1+F2得到；X1、X4分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)；作为优选，上述中测重心Z轴方向的距离包括以下步骤：将水下航行器前后处分别放置在两根相同的光滑杆上，航行器处于水平状态；在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂重力为g1的重物，使航行器产生角度为α的偏转角，根据力矩平衡方程g1×R×cosα＝G×h1×sinα得到重心Z轴方向的距离：其中：g1为悬挂重物在空气中的重力；R为航行器的半径；G为航行器的重力；α为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。作为优选，上述中测浮心X轴方向的距离包括以下步骤：在测量长度方向重心的基础上，将航行器全部浸没在水中，使航行器处于水平状态，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：F3X4+F4X1+FX2＝GX3推出：X2即为浮心在X轴方向的距离；其中：F3、F4分别为两悬挂钩秤的示数；G为水下航行器的重力；F为水下航行器的浮力，通过F＝G-F3-F4得到；X3为重心在X轴方向的距离；X1、X4分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)。作为优选，Z轴方向的浮心测量包括以下步骤：将水下航行器全部浸没在水中，前后处放置在两根相同的光滑杆上，保持航行器处于水平状态，在水下航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂净重力为g2的重物，使航行器产生偏转角β；根据力矩平衡方程g2×R×cosβ＝G×h1×sinβ+F×h2×sinβ所求的浮心在竖直方向Z轴距离为：其中：g2为悬挂重物在水中的净重力；R为航行器的半径；G、F分别为航行器的重力与浮力；h1为重心竖直(Z轴)方向距离；β为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。本专利技术原理简单，对测量数据基于力矩平衡原理进行科学计算，适用范围较广，不受物体质量分布的影响。本专利技术测量精度高，可以通过该方法准确测量水下航行器的浮心位置，其检测方便，大大提高了工作人员的效率。附图说明图1为本专利技术坐标系图。图2为本专利技术重心长度方向(X轴)的距离示意图。图3为本专利技术航行器沿X轴方向的平面图。图4为本专利技术重心偏转示意图。图5为本专利技术浮心长度方向(X轴)的距离示意图。图6为本专利技术航行器水中沿X轴方向的平面图。图7为本专利技术浮心偏转示意图。具体实施方式一、下面结合附图详细说明本专利技术。如图1所示，由于水下航行器在设计过程中宽度方向(Y轴)一般按完全对称设计，因此只需测量出沿长度方向(X轴)和竖直方向(Z轴)的浮心与重心位置即可。坐标系如图1所示。(1)测重心在X轴方向的距离用两根绳分别在前后两处悬挂起水下航行器，将两根绳分别挂在钩秤上，钩秤在量程满足的情况下要求测量精度尽可能高，这样能使最终的计算结果精确。然后将钩秤固定在合适的支撑物上，通过调整两根绳的长度使航行器处于水平状态，如图2所示。将航行器最前端的中心点设为坐标系的原点。以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：F1×X4+F2×X1＝G×X3推出：即重心在长度方向上的距离。其中：F1、F2分别为两悬挂钩秤的示数；G为水下航行器的重力，可通过G＝F1+F2得到；X1、X4分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)，可通过测量工具直接获得，比如通过卷尺测量。(2)测Z轴方向的重心距离包括以下步骤：如图3所示，将水下航行器放置在两根相同的光滑杆上，杆要尽可能光滑，减小摩擦力对实验的影响，两根杆分别位于航行器前后处的下方。初始状态下，航行器处于水平状态。如图4所示。在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂一重力为g1的重物，使航行器产生角度为α的偏转角。根据力矩平衡方程g1×R×cosα＝G×h1×sinα得到重心在竖直方向Z轴的距离：其中：g1为悬挂重物在空气中的重力；R为航行器的半径；G为航行器的重力，已求得；α为悬挂重物后航行器的偏转角度，可通过角度测量计或航行器自带姿态传感器获得。(3)测浮心长度方向X轴的距离在测重心在长度方向X轴距离的基础上，将航行器全部浸没在水中。如果航行器在水中的浮力大于重力，可在两根悬挂绳的正下方添加配重，保证航行器能全部浸没在水中，但要注意在记录绳的拉力(钩秤示数)时要减去配重在水中的净重力。通过调整两根绳的长度，使航行器处于水平状态。如图5所示，将航行器最前端的中心点设为坐标系的原点。以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：F3X4+F4X1+FX2＝GX3推出：X2即为浮心在长度方向X轴的距离。其中：F3、F4分别为两悬挂钩秤的示数；G为水下航行器的重力；F为水下航行器的浮力，通过F＝G-F3-F4得到；X3为重心在长度方向的距离，上述已求得；X1、X4分别为两根绳距参考点的水平距离(沿长度方向距离)，已测得。(4)测浮心在竖直方向Z轴的距离将水下航行器全部浸没在水中，前后处放置在两根相同的光滑杆上。初始状态下，航行器处于水平状态，如图6所示，在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂净重力为g2的重物，使航行器产生角度为β的偏转角。如图7所示，根据力矩平衡方程g2×R×cosβ＝G×h1×sinβ+F×h2×sinβ所求的浮心在竖直方向Z轴的距离为：其中：g2为悬挂重物在水中的净重力；R为航行器的半径；G、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：以水下航行器前端头设为原点，建立三维立体模型，设长度方向X轴、宽度方向Y轴、竖直方向Z轴，测量包括X轴方向的重心测量、Z轴方向的重心测量、X轴方向的浮心测量和Z轴方向的浮心测量。

【技术特征摘要】
1.一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：以水下航行器前端头设为原点，建立三维立体模型，设长度方向X轴、宽度方向Y轴、竖直方向Z轴，测量包括X轴方向的重心测量、Z轴方向的重心测量、X轴方向的浮心测量和Z轴方向的浮心测量。2.根据权利要求1所述的一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：X轴方向的重心测量包括以下步骤：用两根绳分别在前后两处悬挂起水下航行器，悬挂点位于航行器宽度方向的中间位置，将两根绳分别挂在钩秤上，钩秤固定在合适的支撑物上，通过调整两根绳的长度使航行器处于水平状态，以原点为力矩参考点，列力矩平衡方程：X3即重心在X轴方向上的距离；其中：F1、F2分别为两悬挂钩秤的示数；G为水下航行器的重力，可通过G＝F1+F2得到；X1、X4分别为两根绳距参考点的水平距离。3.根据权利要求1所述的一种水下航行器浮心测量方法，其特征在于：Z轴方向的重心测量包括以下步骤：将水下航行器放置在两根相同的光滑杆上，两根光滑杆分别位于航行器前后处的下方，航行器处于水平状态；在航行器机身旁竖直方向的中间位置悬挂重力为g1的重物，使航行器产生角度为α的偏转角，根据力矩平衡方程g1×R×cosα＝G×h1×sinα得到重心在Z轴方向的距离：其中：g1为...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋大雷，秦嗣通，孙伟成，臧文川，周丽芹，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37