專利名稱：中性浮力鴨式布局潛水艇及其航行深度與懸停控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下航行器及其控制方法，具體地說是一種具有中性浮力且升降舵為鴨式布局的潛水艇及其航行深度與水中懸?？刂品椒?。
背景技術(shù)：
眾所周知，潛水艇是通過抽水/排水法實(shí)現(xiàn)下潛與上浮的，但這種傳統(tǒng)方法所采用的機(jī)構(gòu)體積比較龐大、結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，在深水區(qū)排水時(shí)要克服高水壓做功，能耗比較大，相對(duì)來說艇的機(jī)動(dòng)性也較差?，F(xiàn)有的專利中，申請(qǐng)?zhí)枮?3123553.0的發(fā)明專利提出了一種潛水艇下潛與上浮的輔助機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)是一個(gè)設(shè)置于艇身下方的切水翼板，其缺點(diǎn)是在艇下潛和上浮的時(shí)候，由于切水翼板與艇身之間的間隙前后相差懸殊，水會(huì)擠出或涌入此間隙，流場(chǎng)變得復(fù)雜，艇的水動(dòng)力性能變差，因而通過改變切水翼板傾角輔助艇進(jìn)行下潛和上浮，控制效能不高。此發(fā)明專利的另一個(gè)不足是沒有指出水在切水翼板上產(chǎn)生的升降作用力與艇的重心之間應(yīng)有的關(guān)系，因而不能保證艇在下潛和上浮時(shí)保持姿態(tài)水平。申請(qǐng)?zhí)枮?2130748.2的發(fā)明專利在艇的前部?jī)蓚?cè)有升降舵，專利號(hào)為02290693.2的實(shí)用新型專利在艇的前端連接了控制上下的舵板，這兩項(xiàng)專利的共同缺點(diǎn)是沒有采用鴨式布局，因而在潛水艇下潛和上浮時(shí)不能保持姿態(tài)水平。另前兩項(xiàng)專利是和抽水/排水法結(jié)合使用，不適用于無人潛水艇和玩具潛水艇。此外，現(xiàn)有的采用非抽水/排水法的潛水艇相關(guān)專利中，沒有明確提出潛水艇的浮力與重力之間應(yīng)具有的關(guān)系，因而不能保證潛水艇潛浮時(shí)所需升降作用力最小，能耗最低，也沒有專利基于該艇的水動(dòng)力學(xué)特性，提出航行深度與水下懸?？刂品椒ā?br>
發(fā)明內(nèi)容
為了簡(jiǎn)化潛水艇的升降機(jī)構(gòu)、減小體積、改善艇的機(jī)動(dòng)能力、提高升降控制效能、降低能耗，并在下潛與上浮時(shí)保持姿態(tài)水平、使艇具有定深與定位作業(yè)能力，本發(fā)明提出一種具有中性浮力鴨式布局的潛水艇及其航行深度與懸?？刂品椒?。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是在潛水艇艇身(1)兩側(cè)前后裝置了四個(gè)聯(lián)動(dòng)的升降舵(4)，在艇前進(jìn)或后退時(shí)，通過改變升降舵偏角，來改變水作用于舵面上豎直方向分力的大小和方向，從而對(duì)艇形成升降作用力。艇的結(jié)構(gòu)使艇在水中的總浮力接近并略大于艇的重量，使在艇下潛時(shí)所需升降作用力小，靜止時(shí)艇能漂浮在水面上。艇的配重使艇在水平狀態(tài)下的浮力作用線與重力線近似重合，且重心位于浮力作用中心點(diǎn)的下方，以保證艇的靜穩(wěn)定性。四個(gè)升降舵為鴨式布局，舵的大小、形狀和位置使水在舵面上產(chǎn)生的升降作用力之合力作用線與艇的重力線近似重合，以使艇在下潛和上浮時(shí)不會(huì)產(chǎn)生俯仰及滾轉(zhuǎn)力矩，能保持水平姿態(tài)。推進(jìn)裝置采用可反向旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及螺旋槳槳型，使艇在前進(jìn)和后退時(shí)均能下潛和上浮。艇的航行深度控制由航行深度自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)是由航行深度傳感器、航行深度控制器、升降舵機(jī)、升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和升降舵組成的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，其反饋回路為以航行深度傳感器為主的檢測(cè)通道，系統(tǒng)輸入為給定航行深度，輸出為實(shí)際航行深度。航行深度自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程為航行深度控制器根據(jù)航行深度傳感器測(cè)量得到的實(shí)際航行深度，與給定航行深度比較后，按一定的控制規(guī)律通過升降舵機(jī)和升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)升降舵偏角，以調(diào)整艇的航行深度，使實(shí)際航行深度與給定航行深度保持一致。艇的懸停控制由懸停自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)為由航行深度傳感器、航程傳感器、懸?？刂破?、升降舵機(jī)、升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降舵、螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和螺旋槳構(gòu)成的兩輸入兩輸出的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸入為給定航行深度和給定航程，輸出為實(shí)際航行深度和實(shí)際航程。懸停自動(dòng)控制系統(tǒng)有兩個(gè)負(fù)反饋回路，一是航行深度負(fù)反饋回路，另一個(gè)是航程負(fù)反饋回路。懸停自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作過程為懸?？刂破鞲鶕?jù)航行深度傳感器檢測(cè)到的航行深度和航程傳感器檢測(cè)到的航程，與給定航行深度及給定航程比較后，按一定的控制規(guī)律，通過螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，通過升降舵機(jī)和升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)升降舵偏角，從而調(diào)節(jié)艇的前后位置和深淺，以達(dá)到在給定位置保持懸停不動(dòng)的目的。
本發(fā)明的有益效果是(1)利用升降舵控制潛水艇的沉浮，和傳統(tǒng)的排水/抽水法相比，艇的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，沉浮控制機(jī)構(gòu)的體積小，在深水域時(shí)不用克服較大的水壓排水做功，能耗低；(2)潛水艇具有略大于重力的中性浮力，既能保證靜止時(shí)漂浮在水面上，又能保證較小的升降作用力就可使艇下潛或上浮，動(dòng)力系統(tǒng)能耗??；(3)升降舵分布于艇身兩側(cè)，水動(dòng)力學(xué)性能好，控制效能高；(4)升降舵采用鴨式布局，升降力作用線與重力作用線重合，使?jié)撍г诔粮∵\(yùn)動(dòng)時(shí)能保持水平姿態(tài)，有利于艇的水下作業(yè)，對(duì)艇內(nèi)設(shè)備影響??；(5)螺旋槳可以正反轉(zhuǎn)，使艇在前進(jìn)和后退時(shí)均能下潛和上浮，機(jī)動(dòng)性佳，并使艇在水中懸停成為可能；(6)閉環(huán)負(fù)反饋的航行深度控制系統(tǒng)，能使艇在水下定深巡航，能夠完成水下定深作業(yè)；(7)利用懸?？刂葡到y(tǒng)，通過控制螺旋槳的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速及升降舵偏角，實(shí)現(xiàn)艇在水中的懸停，能夠完成水中定點(diǎn)作業(yè)；(8)本發(fā)明較適用于無人潛水艇和玩具，有良好的應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)、軍事意義。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明所述潛水艇實(shí)施例的外部結(jié)構(gòu)及重力、浮力、水對(duì)升降舵的升降作用力示意圖。
圖2為潛水艇前進(jìn)時(shí)前沿低于后沿，或后退時(shí)前沿高于后沿的舵面受力示意圖。此時(shí)，水在舵面上的正壓力Fw可以按水平和豎直兩個(gè)正交方向分解，水平方向的分力Fx形成對(duì)潛艇水平運(yùn)動(dòng)的阻力，豎直方向上的分力Fy形成使?jié)撏聺摰淖饔昧Α?br> 圖3為潛水艇前進(jìn)時(shí)前沿高于后沿，或后退時(shí)前沿低于后沿的舵面受力示意圖。此時(shí)，水在舵面上的正壓力Fw可以按水平和豎直兩個(gè)正交方向分解，水平方向的分力Fx形成對(duì)潛艇水平運(yùn)動(dòng)的阻力，豎直方向上的分力Fy形成使?jié)撏细〉淖饔昧Α?br> 圖4是本發(fā)明所述潛水艇航行深度控制系統(tǒng)實(shí)施例的組成方框圖。
圖5是本發(fā)明所述潛水艇水中懸?？刂葡到y(tǒng)實(shí)施例的組成方框圖。
以上各圖中1艇身；2螺旋槳；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。
以上各圖中符號(hào)定義為OG潛水艇重心；G潛水艇重力；OF浮力作用中心點(diǎn)；F0水對(duì)潛水艇的浮力；FY水在四個(gè)升降舵上產(chǎn)生的豎直方向分力的合力；Dm潛水艇帶動(dòng)升降舵與水產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向；Fw水對(duì)升降舵的正壓力；Fx水對(duì)升降舵的作用力在水平方向上的分力；Fy水對(duì)升降舵的作用力在豎直方向上的分力；HR給定航行深度；HC實(shí)際航行深度；LR給定航程；LC實(shí)際航程。
具體實(shí)施例方式
圖1所示實(shí)施例的外部結(jié)構(gòu)圖中，方向舵在艇的后部下方，螺旋槳位于艇身尾部。升降舵為矩型，平行聯(lián)動(dòng)。艇的重心位于OG點(diǎn)，浮力作用中心位于OF點(diǎn)，OF點(diǎn)在OG點(diǎn)上方。浮力為F0，重力為G，兩力作用線近似重合，滿足F0≈G且F0＞G的關(guān)系。水在四個(gè)升降舵上產(chǎn)生的豎直方向分力的合力FY近似穿過重心點(diǎn)OG。
圖4所示潛水艇航行深度控制系統(tǒng)實(shí)施例的方框圖中，航行深度傳感器為壓力傳感器，航行深度控制器為計(jì)算機(jī)，升降舵機(jī)為電動(dòng)舵機(jī)，控制律由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。因?yàn)闈撍г谇斑M(jìn)和后退時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性不同，所以在控制軟件中采用了不同的控制規(guī)律。兩種控制規(guī)律均為PID控制規(guī)律，控制規(guī)律之間的切換根據(jù)艇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由軟件進(jìn)行。
圖5所示潛水艇水中懸?？刂葡到y(tǒng)實(shí)施例的方框圖中，航行深度傳感器為壓力傳感器，航程傳感器為慣性陀螺，懸?？刂破鳛橛?jì)算機(jī)，升降舵機(jī)為電動(dòng)舵機(jī)，螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為電動(dòng)機(jī)及減速器，控制律由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，此處的控制規(guī)律為多變量模糊控制規(guī)律。
權(quán)利要求
1.一種潛水艇，由艇身(1)、螺旋槳(2)、方向舵(3)和升降舵(4)構(gòu)成，其特征是A.潛水艇的結(jié)構(gòu)使得潛水艇具有中性略偏正的浮力，即潛水艇在水中的浮力與潛水艇重力接近并略大于重力，且浮力與重力足夠接近，使得通過控制升降舵(4)可以使?jié)撍г诤叫袝r(shí)下潛；B.潛水艇的結(jié)構(gòu)使得潛水艇處于水平姿態(tài)時(shí)，水對(duì)潛水艇的浮力與潛水艇重力兩力作用線基本重合，浮力作用中心點(diǎn)位于潛水艇重心上方；C.在潛水艇的兩側(cè)前后共有四個(gè)聯(lián)動(dòng)的升降舵(4)，其布局為鴨式布局，當(dāng)潛水艇前進(jìn)或者后退時(shí)，水在四個(gè)升降舵上產(chǎn)生作用力，該作用力在豎直方向上分力的合力作用線與潛水艇重力線基本重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潛水艇，其特征是螺旋槳(2)位于艇的頭部、中部或尾部，既可以正轉(zhuǎn)也可以反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時(shí)潛水艇前進(jìn)，反轉(zhuǎn)時(shí)潛水艇后退。
3.一種如權(quán)利要求1或2所述潛水艇的下潛和上浮實(shí)現(xiàn)方法，其特征是D、E或F、G。D.潛水艇前進(jìn)時(shí)，四個(gè)升降舵(4)前沿(5)低于后沿(6)，水對(duì)升降舵的作用力在豎直方向上的分力使?jié)撍聺?；E.潛水艇前進(jìn)時(shí)，四個(gè)升降舵(4)前沿(5)高于后沿(6)，水對(duì)升降舵的作用力在豎直方向上的分力使?jié)撍细。籉.潛水艇后退時(shí)，四個(gè)升降舵(4)前沿(5)低于后沿(6)，水對(duì)升降舵的作用力在豎直方向上的分力使?jié)撍细?；G.潛水艇后退時(shí)，四個(gè)升降舵(4)前沿(5)高于后沿(6)，水對(duì)升降舵的作用力在豎直方向上的分力使?jié)撍聺摗?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的潛水艇，其特征是具有航行深度自動(dòng)控制系統(tǒng)，航行深度自動(dòng)控制系統(tǒng)由包括航行深度傳感器、航行深度控制器(7)、升降舵機(jī)、升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和升降舵(4)在內(nèi)的控制系統(tǒng)元部件組成。
5.一種如權(quán)利要求4所述潛水艇的航行深度自動(dòng)控制方法，其特征是航行深度自動(dòng)控制系統(tǒng)的元部件構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入為給定航行深度，輸出為實(shí)際航行深度，其控制規(guī)律為包括PID控制、串級(jí)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、專家控制、仿人智能控制、魯棒控制及其組合在內(nèi)的智能或非智能控制方法。
6.根據(jù)權(quán)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為包括模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐芳坝?jì)算機(jī)在內(nèi)的運(yùn)算部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的潛水艇，其特征是具有水中懸停自動(dòng)控制系統(tǒng)，懸停自動(dòng)控制系統(tǒng)由包括航行深度傳感器、航程傳感器、懸停控制器、升降舵機(jī)、升降傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降舵(4)、螺旋槳驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和螺旋槳(2)在內(nèi)的控制系統(tǒng)元部件組成。
8.一種如權(quán)利要求7所述潛水艇的水中懸停自動(dòng)控制方法，其特征是懸停自動(dòng)控制系統(tǒng)元部件構(gòu)成兩輸入兩輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸入為給定航行深度和給定航程，輸出為實(shí)際航行深度和實(shí)際航程，控制系統(tǒng)至少包括兩個(gè)負(fù)反饋回路，一個(gè)是航行深度負(fù)反饋回路，另一個(gè)是航程負(fù)反饋回路，其控制規(guī)律為包括PID控制、解耦控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制、專家控制、仿人智能控制、魯棒控制及其組合在內(nèi)的智能或非智能控制方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的懸?？刂破?，其特征是控制器為包括模擬電路、數(shù)字電路、數(shù)?；旌想娐芳坝?jì)算機(jī)在內(nèi)的運(yùn)算部件。
全文摘要
一種潛水艇及其航行深度與水中懸停控制方法。艇的浮力F
文檔編號(hào)B63G8/00GK1746077SQ20041007305
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月6日
發(fā)明者劉歌群 申請(qǐng)人:劉歌群