本發(fā)明涉及水下航行器領(lǐng)域，具體地說(shuō)是水下航行器浮心測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

水下航行器是一種航行于水下的自主式航行體，可在水下承擔(dān)情報(bào)收集、海洋勘探、危險(xiǎn)條件下作業(yè)等任務(wù)，可重復(fù)使用。目前已成為世界各國(guó)海洋開(kāi)發(fā)和國(guó)防建設(shè)的重要研究方向之一。

浮心與重心位置的設(shè)計(jì)是提高水下航行器安全系數(shù)的一個(gè)重要方式。對(duì)于任何一種水下航行器來(lái)說(shuō)，水下航行的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，其決定著航行時(shí)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，若兩者所處位置不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致航行器失穩(wěn)，造成嚴(yán)重后果。因此準(zhǔn)確測(cè)量浮心與重心的位置非常關(guān)鍵。

通常，規(guī)則而密度均勻物體的浮心與重心能夠通過(guò)一些常規(guī)方法得到。但絕大多數(shù)的水下航行器是呈不規(guī)則形狀或質(zhì)量分布不均，普通的測(cè)量方法不再適用。因此如何準(zhǔn)確、便捷地測(cè)量水下航行器浮心與重心的位置面臨著重要挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是如何克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供水下航行器浮心測(cè)量方法。本發(fā)明所述的測(cè)量方法不需要特定的測(cè)量?jī)x器，只通過(guò)少量簡(jiǎn)單的測(cè)量工具如鉤秤、卷尺、角度測(cè)量計(jì)等，便可實(shí)現(xiàn)測(cè)量，操作方便，成本低。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案是：水下航行器浮心測(cè)量方法，以水下航行器前端頭設(shè)為原點(diǎn)，建立三維立體模型，設(shè)長(zhǎng)度方向X軸、寬度方向Y軸、豎直方向Z軸，測(cè)量包括X軸方向的重心測(cè)量、Z軸方向的重心測(cè)量、X軸方向的浮心測(cè)量以及Z軸方向的浮心測(cè)量。

進(jìn)一步的，所述X軸方向的重心測(cè)量包括以下步驟：

用兩根繩分別在前后兩處懸掛起水下航行器，懸掛點(diǎn)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(guò)調(diào)整兩根繩的長(zhǎng)度使航行器處于水平狀態(tài)，

以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₁′X₁+F₂′X₄＝GX₃

得到：

X₃即重心在長(zhǎng)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(guò)G＝F₁′+F₂′得到；

X₁、X₄分別為兩根繩距參考點(diǎn)的水平距離。

進(jìn)一步的，所述Z軸方向的重心測(cè)量包括以下步驟：

通過(guò)調(diào)整繩的長(zhǎng)度將航行器的前端下降，航行器與水平面有夾角α，夾角α測(cè)量得到，鉤秤示數(shù)發(fā)生變化，分別變?yōu)镕₃′、F₄′，

以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₃′L₁′+F₄′L₃′＝GL₂′

其中：L₁′＝X₁cosα-Rsinα，

L₂′＝X₃cosα+Z₂sinα，

L₃′＝X₄cosα-Rsinα，

X₃為重心在長(zhǎng)度方向上的距離；

R為航行器中性線到航行器機(jī)身的距離；

Z₂是重心在Z軸方向的距離；

進(jìn)一步的，所述X軸方向的浮心測(cè)量包括以下步驟：

在測(cè)量X軸方向重心的基礎(chǔ)上，將航行器全部浸沒(méi)在水中，使航行器處于水平狀態(tài)，以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₁X₁+FX₂+F₂X₄＝GX₃

得到：

F₁、F₂分別為水中懸掛航行器時(shí)兩個(gè)鉤秤的示數(shù)，X₁、X₄分別為兩根繩距參考點(diǎn)的距離，X₃為重心在長(zhǎng)度方向上的距離，X₂為浮心在X軸方向的位置坐標(biāo)；F為航行器的浮力：F＝G-F₁-F₂。

進(jìn)一步的，所述Z軸方向的浮心測(cè)量包括以下步驟：

通過(guò)調(diào)整繩的長(zhǎng)度將浸沒(méi)在水中的航行器前端上升，航行器與水平面有夾角β，夾角β測(cè)量得到，鉤秤示數(shù)分別變?yōu)镕₃、F₄，以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₃L₁+FL₂+F₄L₄＝GL₃

其中：L₁＝X₁cosβ+Rsinβ，

L₂＝X₂cosβ+Z₁sinβ，

L₃＝X₃cosβ-Z₂sinβ，

L₄＝X₄cosβ+Rsinβ，

R為航行器中性線到航行器機(jī)身的距離，

Z₁是浮心在Z軸方向的距離：

其中X₃、Z₂、X₂分別根據(jù)式[1]、[2]、[3]求得。

本發(fā)明提出一種準(zhǔn)確而簡(jiǎn)便的方法用來(lái)測(cè)量航行器浮心與重心的位置，不需要特定的測(cè)量?jī)x器，只通過(guò)少量簡(jiǎn)單的測(cè)量工具便可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。本發(fā)明成本低，操作簡(jiǎn)單，適用范圍較廣，能對(duì)絕大多數(shù)航行器進(jìn)行測(cè)量，且不受航行器質(zhì)量分布的影響。本發(fā)明測(cè)量精度高，測(cè)量誤差小，大大提高了工作人員的效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明坐標(biāo)系圖。

圖2為測(cè)量水下航行器X軸方向重心位置示意圖。

圖3為測(cè)量水下航行器Z軸方向重心位置示意圖。

圖4為測(cè)量水下航行器X軸方向浮心位置示意圖。

圖5為測(cè)量水下航行器Z軸方向浮心位置示意圖。

具體實(shí)施方式

一、下面結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。

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

(1)X軸方向的重心測(cè)量：

在圖2中，F(xiàn)₁′、F₂′分別為空氣中水平懸掛航行器時(shí)兩個(gè)鉤秤的示數(shù)，航行器的重力為G，則可近似認(rèn)為G＝F₁′+F₂′。X₁、X₄分別為前后兩繩到原點(diǎn)的水平距離，可通過(guò)測(cè)量工具直接獲得，比如通過(guò)卷尺測(cè)量。X₃為重心在X軸方向的位置坐標(biāo)，即為所求。

以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₁′X₁+F₂′X₄＝GX₃

得到：

由此可知，通過(guò)式[1]可計(jì)算獲得航行器X軸方向的重心距離。

以上計(jì)算過(guò)程中，也可以以航行器上任一點(diǎn)為參考點(diǎn)獲得力矩平衡方程式，但要注意正確測(cè)量相應(yīng)的力與力矩，不同參考點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果應(yīng)是相同的。

(2)Z軸方向的重心測(cè)量

如圖3所示，通過(guò)調(diào)整繩的長(zhǎng)度將航行器一端上升或下降任意高度，這里以下降的情況為例進(jìn)行說(shuō)明。前端下降后，航行器與水平面有夾角α，角度的測(cè)量可通過(guò)角度測(cè)量計(jì)或航行器自帶姿態(tài)傳感器獲得。此時(shí)，鉤秤示數(shù)也發(fā)生變化，分別變?yōu)镕₃′、F₄′。

以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₃′L₁′+F₄′L₃′＝GL₂′

其中：L₁′＝X₁cosα-Rsinα，

L₂′＝X₃cosα+Z₂sinα，

L₃′＝X₄cosα-Rsinα，

R為航行器中性線到航行器機(jī)身的距離，特殊情況下如航行器為圓柱形，則R為航行器的半徑。Z₂是重心在Z軸方向的位置坐標(biāo)：

其中X₃根據(jù)式[1]已經(jīng)求得。由此可知，通過(guò)式[2]可計(jì)算獲得航行器Z軸方向的重心位置。

(3)X軸方向的浮心測(cè)量

在測(cè)量X軸重心位置的基礎(chǔ)上，將航行器全部浸沒(méi)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(méi)在水中，但要注意在記錄繩的拉力(鉤秤示數(shù))時(shí)要減去配重在水中的凈重力。

在圖4中，F(xiàn)₁、F₂分別為水中水平懸掛航行器時(shí)兩個(gè)鉤秤的示數(shù)，航行器的浮力為F，則可近似認(rèn)為F＝G-F₁-F₂。X₁、X₄保持不變，X₂為浮心在X軸方向的位置坐標(biāo)，公式[1]已所求。

以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₁X₁+FX₂+F₂X₄＝GX₃

得到：

由此可知，通過(guò)式[3]可計(jì)算獲得航行器在X軸的浮心位置。

(4)Z軸方向的浮心測(cè)量

通過(guò)調(diào)整繩的長(zhǎng)度將浸沒(méi)在水中的航行器一端上升或下降任意高度，這里以上升的情況為例進(jìn)行說(shuō)明。前端上升后，航行器與水平面有夾角β，角度的測(cè)量可通過(guò)角度測(cè)量計(jì)或航行器自帶的姿態(tài)傳感器獲得。此時(shí)，鉤秤示數(shù)也發(fā)生變化，分別變?yōu)镕₃、F₄。

如圖5所示，以原點(diǎn)為力矩參考點(diǎn)，列力矩平衡方程：

F₃L₁+FL₂+F₄L₄＝GL₃

其中：L₁＝X₁cosβ+Rsinβ，

L₂＝X₂cosβ+Z₁sinβ，

L₃＝X₃cosβ-Z₂sinβ，

L₄＝X₄cosβ+R sinβ，

R為航行器中性線到航行器機(jī)身的距離，特殊情況下如航行器為圓柱形，則R為航行器的半徑。Z₁是浮心在Z軸方向的位置坐標(biāo)：

其中X₃、Z₂、X₂分別根據(jù)式[1]、[2]、[3]求得。由此可知，通過(guò)式[4]可計(jì)算獲得航行器Z軸方向的浮心位置。

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)式[3]、[4]，可以獲得浮心位置相對(duì)于原點(diǎn)沿X軸與Z軸方向的距離，故能夠確定水下航行器的浮心位置。而對(duì)于左右對(duì)稱設(shè)計(jì)的水下航行器，通過(guò)方程式[1]、[2]、[3]、[4]，便可確定航行器浮心與重心的位置坐標(biāo)。

需要說(shuō)明的是，對(duì)于某些左右方向不對(duì)稱的航行器來(lái)說(shuō)，如需測(cè)量浮心與重心在Y軸方向上的位置坐標(biāo)，可以使用測(cè)量在X軸方向上位置的方法，測(cè)量原理與測(cè)量過(guò)程是相同的。所以，對(duì)于任意形狀的水下航行器，都可以準(zhǔn)確測(cè)量出其浮心與重心的所在位置。

盡管上面對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，上述的具體實(shí)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(hù)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(hù)范圍之內(nèi)。