一种基于水洞的水动翼摆动模型姿态控制装置

本发明属于船舶与水下航行器工程实验设备领域，具体涉及一种基于水洞的水动翼摆动模型姿态控制装置。

背景技术：

1、目前，水洞实验平台作为对超空泡航行体等新型水下航行器进行实验或模拟的重要手段之一，其大多针对空泡现象、航行体舵翼动力学等研究方面单独设计，在现有的此类实用平台中尚缺乏将超空泡航行体的空泡发生、舵翼姿态控制等环节整合并形成的水下通气空泡航行体闭环控制实验系统以及相应方法，这也限制了对这种新型航行器的相关机理与性能的综合性研究

技术实现思路

1、有鉴于此，针对本领域中所存在的技术问题，本发明提供了一种基于水洞的水动翼摆动模型姿态控制装置，由水洞连接部分、试验装置部分、动力输出部分、配重部分以及数据采集系统组成；

2、其中，水洞连接部分包括水洞窗口盖板、支撑空心圆轴、空心试验装置旋转轴、外挡圈、试验装置三通轴、双联角接触球轴承、试验装置外置旋转轴；水洞口窗口盖板一侧用于固定连接设置于水密环境外部的动力输出部分的主要部件，另一侧用于支撑设置于水密环境中的实验装置部分和配重部分；支撑空心圆轴固定设置在水洞窗口盖板上，其两端分别固定设置一组双联角接触球轴承；空心试验装置旋转轴设置于支撑空心圆轴的内部，其两端分别与一组双联角接触球轴承的内圈固定连接，从而可相对支撑空心圆轴旋转；双联角接触轴承均由一对角接触轴承背靠背连接组成，支撑空心圆轴两端的角接触轴承和的内圈分别通过一外挡圈与试验装置外置旋转轴、试验装置部分与配重部分两者间的连接处固定连接，使试验装置部分、配重部分、空心试验装置旋转轴以及试验装置外置旋转轴可作为一个整体旋转来改变试验装置部分在水中的姿态；

3、试验装置部分包括回转体尾支撑、回转体舵翼段、舵翼、回转体内置连接段、回转体身段、通气转接头、回转体头部；回转体尾支撑一端与空心试验装置旋转轴和配重部分组成刚性连接的整体，另一端与回转体舵翼段连接；回转体舵翼段上设置有舵翼，并通过回转体内置连接段与回转体身段一端连接；回转体身段具有中空内腔，其侧壁上设置有若干与内腔联通的通气孔；回转体身段的另一端与回转体头部连接，在回转体身段靠近回转体头部的内腔设置与外部供气系统联通的通气转接头，用于通过通气孔产生通气超空泡，通气孔还同时兼做测量回转体表面压力的测压孔；

4、动力输出部分包括电机、传动轴、齿轮传动机构；电机设置在水密环境外，传动轴一端连接电机的动力输出端，并穿过空心试验装置旋转轴的内腔与设置在回转体尾支撑和配重部分两者连接部的齿轮传动机构连接；齿轮传动机构与舵翼连接，能够将电机提供的动力传递给舵翼驱动其摆动；

5、配重部分由用于平衡试验装置部分旋转改变姿态时的重力矩与浮力矩的配重机构，以及水洞试验所需的各类传感器组成；

6、数据采集系统由图像采集系统、计算机、供气系统以及多种传感器组成；图像采集系统用于采集水洞试验过程中的图像数据；供气系统用于控制和监测通气超空泡的发生过程；计算机利用图像数据与多种传感器提供的各类传感数据进行综合分析。

7、进一步地，水洞连接部分还包括固定电机托板、限位架、限位杆；其中，限位架固定安装在固定电机托板上并成对分布在试验装置外置旋转轴的水平两侧；试验装置外置旋转轴上还设有向其两侧伸出的横杆，用于与设置在限位架上的限位杆配合来限制试验装置外置旋转轴的旋转角度；限位杆在限位架上的安装高度可调节，用于改变验装置外置旋转轴旋转的角度范围；固定电机托板还用于固定安装电机。

8、进一步地，动力输出部分中的传动轴具体由依次连接的轴套、电机段齿轮轴及外置齿轮轴组成，轴套与电机输出轴相连；齿轮传动机构设置具体由依次连接的第一环片型弹性联轴器、齿轮箱、第二环片型弹性联轴器、内置齿轮轴、锥齿轮组和一对舵杆组成；其中，第一环片型弹性联轴器、齿轮箱、第二环片型弹性联轴器设置在试验装置部分、配重部分、空心试验装置旋转轴三者连接处的内部，内置齿轮轴、锥齿轮组和一对舵杆设置在回转体尾支撑与回转体舵翼段内部；第一环片型弹性联轴器与齿轮轴连接；回转体舵翼段内部设置有两个角接触球轴承，用于支撑内置齿轮轴；回转体舵翼段的壁面上对称开设一对阶梯通孔，每个阶梯通孔中各安装一个深沟球轴承以分别支撑一个舵杆；每个舵杆分别连接一个舵翼；电机提供的动力传递至锥齿轮组并改变旋转的方向后，由舵杆带动舵翼实现偏转。

9、进一步地，配重部分中的配重机构具体由配重杆、配重块和配重尾杆组成；其中一端与回转体尾支撑连接，另一端连接配重尾杆；配重块能够以线拉等方式可滑动地设置在配重杆上，用于对试验装置部分进行平衡调节；配重尾杆用于安装水洞试验所需的各类传感器。

10、进一步地，具体采用一三通轴实现试验装置部分、配重部分、空心试验装置旋转轴三者的连接，第一环片型弹性联轴器、齿轮箱、第二环片型弹性联轴器、外部供气系统与通气转接头之间的气路以及传感器走线均经过所述三通轴的内部。

11、进一步地，数据采集系统中的图像采集系统具体由高速摄像机和光源组成，高速摄像机用于采集水洞试验过程的图像数据，光源用于照亮试验场景；传感器至少包括惯性测量单元、测压传感器以及空气流量计；供气系统由设于水密环境外部的压气机以及与通气转接头相联通的气路组成，并可由计算机基于空气流量计的测量结果对通气量进行调节；惯性测量单元设置在配重部分末端，优选在配重尾杆上，用于测量试验装置部分的转角数据并反馈给计算机，计算机基于转角数据向电机提供转矩和/或角度指令，使电机基于指令向舵翼提供驱动力改变其偏转角，进而实现试验装置部分的姿态调整；测压传感器安装在回转体身段上的通气孔处，用于测量回转体表面压力；计算机利用图像数据及各传感器数据对水洞试验进行闭环控制，并执行舵翼动力学分析等相关数据处理与分析。

12、进一步地，所述舵翼和回转体头部均为可拆卸设计，用于更换进行不同水动翼摆动模型的试验。

13、相应地，本发明还提供了一种利用上述装置实现的基于水洞的水动翼摆动模型试验方法，具体包括以下步骤：

14、s1、完成所述装置在水洞试验环境中的组装，之后向水洞内注水；完成注水后通过调整配重部分使试验装置部分受力平衡，并设定其旋转的角度范围；

15、s2、调整图像采集系统及试验场景中的照明条件，使图像采集系统能够获取试验装置部分的清晰图像；对各传感器完成试验前的标定；

16、s3、开启水洞提供预定的来流速度，并开启供气系统调整通气量至目标值；

17、s4、释放试验装置部分使其能够在所设定的角度范围内转动来改变姿态；同时由图像采集系统采集试验装置部分的图像，并利用传感器采集试验装置部分的转角与表面压力数据；

18、s5、根据测得的试验装置部分转角数据向电机提供转矩和/或角度指令，使舵翼在电机的驱动下转动，实现对舵翼升力和试验装置部分姿态的闭环控制；

19、s6、综合试验中各传感器数据与图像数据，对水动翼摆动模型的流场数据、舵翼动力学数据等执行相关分析。

20、上述本发明所提供的基于水洞的水动翼摆动模型姿态控制装置，其上设置的水洞连接部分能够使试验装置部分及相应配重部分在限定角度范围内绕旋转轴转动，继而在水洞试验中可较灵活地模拟水动翼摆动模型进行超空泡航行时的俯仰姿态变化；所设计的动力输出部分能够精确驱动试验装置部分的舵翼转动，从而达到控制升力并调整模型姿态的目的；数据采集系统利用多种传感器的数据不仅可以实现模型姿态的闭环控制，还能够结合所采集的图像数据执行包括的流场、舵翼动力学等的综合分析。另外，本发明所提供的装置在成本、体积等方面相比现有技术也具有明显优势。