一种基于多维力传感器的推进器推力实验装置及其实验方法、性能评估方法

本发明涉及水下推进器推力实验装置，具体是涉及一种基于多维力传感器的推进器推力实验装置及其实验方法、性能评估方法。

背景技术：

1、水下机器人发挥的作用越来越重要，推进器作为其核心部件，其性能好坏直接影响机器人的运动性能和功耗。推进器推力测试的准度和精度对于水下机器人的整体设计和控制起到至关重要的作用,推进器测试技术的发展将推动水下机器人技术发展，为海洋科学研究和工程应用带来更多可能性。

2、现有技术中，如申请号为202223295783.x的中国专利申请，公开了推进器通过一根l形的角铁直接固定在力传感器的一端，该方法可以直接测试推进器的推力，当推进器推力增大到一定程度后，由于推进器推力和力传感器受力方向不共线，推力造成的转矩会使一维力传感器测试产生误差。又如申请号为201910933186.9的中国专利申请，公开了一种无轴推进器性能测试平台，该装置将推进器悬置于滑轨的下方，带动滑块挤压固定在滑轨前方的s形的一维力传感器进而间接测试推力，该方法力传感器测得的推力存在滑轨和滑块之间摩擦力的误差。又如申请号为201911181392.5的中国专利申请，一种有缆水下机器人推进器综合性能测试平台及测试方法，该装置将推进器固定在连杆的一端，连杆可绕固定的转轴转动，连杆的另一端固定有一维力传感器，通过杠杆原理间接测试推力，由于连杆自身存在重力的影响，铰链转动时存在摩擦力，都会使一维力传感器测得的结果产生误差。

技术实现思路

1、发明目的：针对以上问题，本发明提供一种测试精度高的基于多维力传感器的推进器推力实验装置。

2、本发明还提供一种上述推进器推力实验装置的实验方法、性能评估方法。

3、技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种基于多维力传感器的推进器推力实验装置，包括测试水池、驱动水下推进器在测试水池中周向转动的旋臂组件、设置于旋臂组件和水下推进器之间的推力测试装置，推力测试装置包括多维力传感器，所述水下推进器通过连接立柱与多维力传感器固定连接。

4、进一步的，所述推力测试装置还包括角度调节装置，角度调节装置包括与旋臂组件连接的角度调节上连接板、蜗轮、蜗杆、与角度调节上连接板固定连接的蜗杆电机、角度调节下连接板，所述蜗轮定位于角度调节上连接板，且相对角度调节上连接板转动，所述蜗轮的涡轮轴与角度调节下连接板固定连接，蜗轮和蜗杆相互配合，蜗杆电机驱动蜗杆转动从而带动蜗轮转动，所述多维力传感器与角度调节下连接板固定连接。

5、进一步的，所述旋臂组件包括固定于测试水池中间竖直向上延伸的立柱、与立柱转动连接的下铰链、与下铰链铰接的横梁、定位于横梁端部的内齿轮、驱动内齿轮转动的内齿轮驱动电机，所述测试水池周向设置与内齿轮啮合的外齿轮，所述内齿轮驱动电机固定连接于横梁上，通过驱动内齿轮转动，带动横梁绕立柱转动，所述推力测试装置连接于横梁上。

6、本发明还采用一种基于两个多维力传感器的推进器推力实验装置，包括测试水池、驱动水下推进器在测试水池中周向转动的旋臂组件、设置于旋臂组件和水下推进器之间的推力测试装置，推力测试装置包括测力框架、多维力传感器，所述水下推进器上下两端固定设置同轴竖直延伸的连接立柱，水下推进器上下两端的连接立柱通过多维力传感器与测力框架固定连接。

7、进一步的，所述推力测试装置还包括角度调节装置，角度调节装置包括与旋臂组件连接的角度调节上连接板、蜗轮、蜗杆、与角度调节上连接板固定连接的蜗杆电机、角度调节下连接板，所述蜗轮定位于角度调节上连接板，且相对角度调节上连接板转动，所述蜗轮的涡轮轴与角度调节下连接板固定连接，蜗轮和蜗杆相互配合，蜗杆电机驱动蜗杆转动从而带动蜗轮转动，所述测力框架与角度调节下连接板固定连接。

8、进一步的，所述旋臂组件包括固定于测试水池中间竖直向上延伸的立柱、与立柱转动连接的下铰链、与下铰链铰接的横梁、定位于横梁端部的内齿轮、驱动内齿轮转动的内齿轮驱动电机，所述测试水池周向设置与内齿轮啮合的外齿轮，所述内齿轮驱动电机固定连接于横梁上，通过驱动内齿轮转动，带动横梁绕立柱转动，所述推力测试装置连接于横梁上。

9、本发明还采用一种推进器推力实验装置的实验方法，包括以下步骤：

10、步骤1：确定测试参数，测试参数包括水下推进器的桨叶旋转速度、水下推进器在测试水池中的运动角速度、水下推进器的推力方向与速度方向之间的夹角；

11、步骤2：根据测试参数进行实验；

12、步骤3：获取多维力传感器的测量数据；

13、步骤4：根据测量数据计算得到推进器的推力；

14、推进器的推力f计算公式为：

15、f＝fay-tanθ·fax

16、其中，fay为多维力传感器输出的沿y轴方向上的力，fax为多维力传感器输出的沿x轴方向上的力，θ为水下推进器的推力方向与速度方向之间的夹角，其中y轴延伸方向平行于水下推进器的推力方向，且垂直于x轴延伸方向。

17、本发明还采用一种推进器推力实验装置的实验方法，包括以下步骤：

18、步骤1：确定测试参数，测试参数包括水下推进器的桨叶旋转速度、水下推进器在测试水池中的运动角速度、水下推进器的推力方向与速度方向之间的夹角；

19、步骤2：根据测试参数进行实验；

20、步骤3：获取两个多维力传感器的测量数据；

21、步骤4：根据测量数据计算得到推进器的推力；

22、推进器的推力f计算公式为：

23、f＝fay+fby-tanθ·(fax+fbx)

24、其中，fay为水下推进器上端的多维力传感器输出的沿y轴方向上的力，fax为水下推进器上端的多维力传感器输出的沿x轴方向上的力，fby为水下推进器下端的多维力传感器输出的沿y轴方向上的力，fbx为水下推进器下端的多维力传感器输出的沿x轴方向上的力，θ为水下推进器的推力方向与速度方向之间的夹角，其中y轴延伸方向平行于水下推进器的推力方向，且垂直于x轴延伸方向。

25、本发明还采用一种推进器推力实验装置的性能评估方法，根据推进器推力实验装置的复杂度、测试精度、自身安全性评估推进器推力实验装置的性能。

26、进一步的，通过其他方向上无关力和力矩对水下推进器推力的串扰影响大小确定推进器推力实验装置的测试精度。

27、有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是测试装置采用悬臂水池可使推进器在水池中做旋转运动，可以测量水下推进器在不同航速下的推力，推进器在运动过程会产生推力、离心力、陀螺力等，采用多维力传感器测量可以在整体结构比较简单的情况下，将推力从众多干扰力中解算出来。角度调节装置可模拟推进器推力和运动方向存在夹角的情况，采用蜗轮蜗杆的传动方式，可使电机以较小的力矩驱动测力框架，由于蜗轮蜗杆的大减速比，从而使得控制电机调节角度的方法调节效果更准确。

28、采用双多维力传感器的测力框架可使推进器运行过程更加的平稳，推机器运行过程中产生的推力和干扰力被两个多维力传感器平分，所以采用双多维力传感器可使测量的量程增大，抗过载能力加强。采用上下对称多维力传感器，可使推进器运行过程产生的陀螺力矩的影响转换成多维力传感器一个方向上力的变化，从而使得多维力传感器两个方向上的转矩为零，进而减小了无关力矩在传感器内部解算算法中的比例，采用一对多维力传感器还可使离心力占单个传感器分量减半，最终使得测量的推力更加准确。多维力传感器的测试准度是衡量实际测量结果与理论测试结果的偏差程度。