本發(fā)明涉及水下航行器領(lǐng)域，具體地說是一種水下航行器浮心測量方法。

背景技術(shù)：

水下航行器是一種航行于水下的航行體，它能夠完成水下勘探、水下偵測甚至是水下軍事任務(wù)。在海洋開發(fā)日益重要的今天，水下航行器越來越受到各個國家的重視，無論是在民用還是在軍用上，都扮演著重要的角色。

浮心與重心位置的設(shè)計是提高水下航行器安全系數(shù)的一個重要方式。對于任何一種水下航行器來說，水下航行的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，它決定著航行器航行的安全性。浮心與重心的位置決定著水下航行器的穩(wěn)定性，位置距離過大或過小都會導(dǎo)致航行器失穩(wěn)，造成嚴重后果。因此準確測量浮心與重心的位置是非常關(guān)鍵的。

通常，規(guī)則而密度均勻物體的浮心能夠通過一些常規(guī)方法得到。但絕大部分水下航行器是呈不規(guī)則形狀或質(zhì)量分布不均的，普通的測量方法不再適用。針對這個問題，有些測量方法通過實驗儀器或裝置進行測量，這種測量方法成本高，操作復(fù)雜，且易受外界條件限制。有些測量方法雖然簡單，但測量結(jié)果不精確，測量誤差大。所以如何才能準確、便捷地測量水下航行器浮心位置已成為急需解決的重要問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，對于圓柱形水下航行器，提出一種準確而簡便的方法用來測量航行器浮心位置，該方法操作簡單，測量成本低，且適用范圍較廣，為航行器的穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是：以水下航行器前端頭設(shè)為原點，建立三維立體模型，設(shè)長度方向X軸、寬度方向Y軸、豎直方向Z軸，測量包括X軸方向的重心測量、Z軸方向的重心測量、X軸方向的浮心測量和Z軸方向的浮心測量。

作為優(yōu)選，上述中測重心X軸方向的距離包括以下步驟：

用兩根繩分別在前后兩處懸掛起水下航行器，懸掛點位于航行器寬度方向的中間位置，將兩根繩分別掛在鉤秤上，鉤秤固定在合適的支撐物上，通過調(diào)整兩根繩的長度使航行器處于水平狀態(tài)，

以原點為力矩參考點，列力矩平衡方程：

X₃即重心在長度方向上的距離；

其中：F₁、F₂分別為兩懸掛鉤秤的示數(shù)；

G為水下航行器的重力，可通過G＝F₁+F₂得到；

X₁、X₄分別為兩根繩距參考點的水平距離(沿長度方向距離)；

作為優(yōu)選，上述中測重心Z軸方向的距離包括以下步驟：

將水下航行器前后處分別放置在兩根相同的光滑桿上，航行器處于水平狀態(tài)；

在航行器機身旁豎直方向的中間位置懸掛重力為g₁的重物，使航行器產(chǎn)生角度為α的偏轉(zhuǎn)角，

根據(jù)力矩平衡方程

g₁×R×cosα＝G×h₁×sinα

得到重心Z軸方向的距離：

其中：g₁為懸掛重物在空氣中的重力；

R為航行器的半徑；

G為航行器的重力；

α為懸掛重物后航行器的偏轉(zhuǎn)角度，可通過角度測量計或航行器自帶姿態(tài)傳感器獲得。

作為優(yōu)選，上述中測浮心X軸方向的距離包括以下步驟：

在測量長度方向重心的基礎(chǔ)上，將航行器全部浸沒在水中，使航行器處于水平狀態(tài)，以原點為力矩參考點，列力矩平衡方程：

F₃X₄+F₄X₁+FX₂＝GX₃

推出：

X₂即為浮心在X軸方向的距離；

其中：F₃、F₄分別為兩懸掛鉤秤的示數(shù)；

G為水下航行器的重力；

F為水下航行器的浮力，通過F＝G-F₃-F₄得到；

X₃為重心在X軸方向的距離；

X₁、X₄分別為兩根繩距參考點的水平距離(沿長度方向距離)。

作為優(yōu)選，Z軸方向的浮心測量包括以下步驟：

將水下航行器全部浸沒在水中，前后處放置在兩根相同的光滑桿上，保持航行器處于水平狀態(tài)，在水下航行器機身旁豎直方向的中間位置懸掛凈重力為g₂的重物，使航行器產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角β；

根據(jù)力矩平衡方程

g₂×R×cosβ＝G×h₁×sinβ+F×h₂×sinβ

所求的浮心在豎直方向Z軸距離為：

其中：g₂為懸掛重物在水中的凈重力；

R為航行器的半徑；

G、F分別為航行器的重力與浮力；

h₁為重心豎直(Z軸)方向距離；

β為懸掛重物后航行器的偏轉(zhuǎn)角度，可通過角度測量計或航行器自帶姿態(tài)傳感器獲得。

本發(fā)明原理簡單，對測量數(shù)據(jù)基于力矩平衡原理進行科學(xué)計算，適用范圍較廣，不受物體質(zhì)量分布的影響。本發(fā)明測量精度高，可以通過該方法準確測量水下航行器的浮心位置，其檢測方便，大大提高了工作人員的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明坐標系圖。

圖2為本發(fā)明重心長度方向(X軸)的距離示意圖。

圖3為本發(fā)明航行器沿X軸方向的平面圖。

圖4為本發(fā)明重心偏轉(zhuǎn)示意圖。

圖5為本發(fā)明浮心長度方向(X軸)的距離示意圖。

圖6為本發(fā)明航行器水中沿X軸方向的平面圖。

圖7為本發(fā)明浮心偏轉(zhuǎn)示意圖。

具體實施方式

一、下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明。

如圖1所示，由于水下航行器在設(shè)計過程中寬度方向(Y軸)一般按完全對稱設(shè)計，因此只需測量出沿長度方向(X軸)和豎直方向(Z軸)的浮心與重心位置即可。坐標系如圖1所示。

(1)測重心在X軸方向的距離

用兩根繩分別在前后兩處懸掛起水下航行器，將兩根繩分別掛在鉤秤上，鉤秤在量程滿足的情況下要求測量精度盡可能高，這樣能使最終的計算結(jié)果精確。然后將鉤秤固定在合適的支撐物上，通過調(diào)整兩根繩的長度使航行器處于水平狀態(tài)，如圖2所示。將航行器最前端的中心點設(shè)為坐標系的原點。以原點為力矩參考點，列力矩平衡方程：

F₁×X₄+F₂×X₁＝G×X₃

推出：即重心在長度方向上的距離。

其中：F₁、F₂分別為兩懸掛鉤秤的示數(shù)；

G為水下航行器的重力，可通過G＝F₁+F₂得到；

X₁、X₄分別為兩根繩距參考點的水平距離(沿長度方向距離)，可通過測量工具直接獲得，比如通過卷尺測量。

(2)測Z軸方向的重心距離包括以下步驟：

如圖3所示，將水下航行器放置在兩根相同的光滑桿上，桿要盡可能光滑，減小摩擦力對實驗的影響，兩根桿分別位于航行器前后處的下方。初始狀態(tài)下，航行器處于水平狀態(tài)。如圖4所示。在航行器機身旁豎直方向的中間位置懸掛一重力為g₁的重物，使航行器產(chǎn)生角度為α的偏轉(zhuǎn)角。

根據(jù)力矩平衡方程

g₁×R×cosα＝G×h₁×sinα

得到重心在豎直方向Z軸的距離：

其中：g₁為懸掛重物在空氣中的重力；

R為航行器的半徑；

G為航行器的重力，已求得；

α為懸掛重物后航行器的偏轉(zhuǎn)角度，可通過角度測量計或航行器自帶姿態(tài)傳感器獲得。

(3)測浮心長度方向X軸的距離

在測重心在長度方向X軸距離的基礎(chǔ)上，將航行器全部浸沒在水中。如果航行器在水中的浮力大于重力，可在兩根懸掛繩的正下方添加配重，保證航行器能全部浸沒在水中，但要注意在記錄繩的拉力(鉤秤示數(shù))時要減去配重在水中的凈重力。通過調(diào)整兩根繩的長度，使航行器處于水平狀態(tài)。如圖5所示，將航行器最前端的中心點設(shè)為坐標系的原點。

以原點為力矩參考點，列力矩平衡方程：

F₃X₄+F₄X₁+FX₂＝GX₃

推出：

X₂即為浮心在長度方向X軸的距離。

其中：F₃、F₄分別為兩懸掛鉤秤的示數(shù)；

G為水下航行器的重力；

F為水下航行器的浮力，通過F＝G-F₃-F₄得到；

X₃為重心在長度方向的距離，上述已求得；

X₁、X₄分別為兩根繩距參考點的水平距離(沿長度方向距離)，已測得。

(4)測浮心在豎直方向Z軸的距離

將水下航行器全部浸沒在水中，前后處放置在兩根相同的光滑桿上。初始狀態(tài)下，航行器處于水平狀態(tài)，如圖6所示，在航行器機身旁豎直方向的中間位置懸掛凈重力為g₂的重物，使航行器產(chǎn)生角度為β的偏轉(zhuǎn)角。如圖7所示，根據(jù)力矩平衡方程

g₂×R×cosβ＝G×h₁×sinβ+F×h₂×sinβ

所求的浮心在豎直方向Z軸的距離為：

其中：g₂為懸掛重物在水中的凈重力；

R為航行器的半徑；

G、F分別為航行器的重力與浮力，已求得；

h₁為重心在豎直方向Z軸的距離，上述已求得；

β為懸掛重物后航行器的偏轉(zhuǎn)角度，可通過角度測量計或航行器自帶姿態(tài)傳感器獲得。

綜上，對于寬度方向?qū)ΨQ的圓柱形水下航行器，通過上述實驗步驟，可以測得浮心與重心在長度方向和豎直方向的坐標，這樣就可以完全確定水下航行器浮心與重心的位置。為航行器的穩(wěn)定性分析提供依據(jù)，實現(xiàn)航行器穩(wěn)定快速地航行。

需要說明的是，對于某些寬度方向不對稱的航行器來說，如需測量浮心與重心在寬度方向(Y軸)的位置坐標，可以使用測量長度方向(X軸)位置坐標的方法，測量原理與測量過程是相同的。所以，對于水下航行器來說，可以準確測量出浮心與重心的位置。

盡管上面對本發(fā)明的優(yōu)選實例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。