某水下發(fā)射系統(tǒng)水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)速度校準(zhǔn)

席勇輝 肖瀅盈

(昆明船舶設(shè)備研究試驗(yàn)中心，云南昆明 650051)

1 引 言

某水下發(fā)射系統(tǒng)是為模擬載具在水下航行過程中進(jìn)行發(fā)射任務(wù)而設(shè)計的，其包括水下試驗(yàn)平臺和水上監(jiān)控部分。試驗(yàn)進(jìn)行時，整個試驗(yàn)平臺潛入水下數(shù)十米水深，同時為模擬載具的水下航行狀態(tài)，平臺上的水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)會以一定速度牽引前進(jìn)。為確保發(fā)射系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)滿足預(yù)定要求，以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及試驗(yàn)結(jié)果有效性，發(fā)射系統(tǒng)在使用周期內(nèi)應(yīng)保持計量受控狀態(tài)，根據(jù)需要定期對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)的使用要求和功能特點(diǎn)，其各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的校準(zhǔn)主要在水下進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。由于水下環(huán)境條件的特殊性，進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)校準(zhǔn)時需要面對設(shè)備安裝、信號采集、數(shù)據(jù)讀取等多方面困難。在各項(xiàng)參數(shù)的校準(zhǔn)中，又以水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)速度的校準(zhǔn)最為困難。

根據(jù)發(fā)射系統(tǒng)水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，分析不同的水下測速原理應(yīng)用的可行性，采用了等距設(shè)置光電傳感器和反光條進(jìn)行行程測量的方案進(jìn)行水下速度校準(zhǔn)。由于保密要求，文中所有關(guān)于試驗(yàn)系統(tǒng)的具體參數(shù)，在不影響方案實(shí)施可行性基礎(chǔ)上，都采用虛構(gòu)方式。

2 水下速度的校準(zhǔn)

2.1 水下發(fā)射系統(tǒng)介紹

水下發(fā)射系統(tǒng)包括水下試驗(yàn)平臺和水上監(jiān)控部分，其中水上監(jiān)控部分采用通信纜線控制水下試驗(yàn)平臺的運(yùn)作，并接收水下試驗(yàn)平臺的各項(xiàng)動態(tài)數(shù)據(jù)。水下試驗(yàn)平臺總體尺寸為30m(虛構(gòu)尺寸，下同)長、15m寬，平臺上水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)為2m長、5m高的軌道車。水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)由纜繩牽引，可在平臺上按照設(shè)定速度前進(jìn)，如圖1所示。

圖1 水下發(fā)射系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺和水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)原理圖

當(dāng)牽引機(jī)構(gòu)接收到水上監(jiān)控系統(tǒng)指令，會通過牽引纜繩拖曳水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)在水平軌道上按照設(shè)定的速度橫向運(yùn)動。對水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度進(jìn)行校準(zhǔn)時，要求速度范圍覆蓋(1～20)m/s，并且行程大于20m。

2.2 水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)自身測速

水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)自身的速度測量采用測速輪方式[1]。如圖2所示，其主要構(gòu)件包括支架(1)、測速輪(2)、測速碼盤(3)、脈沖傳感器(4)和速度處理器(5)。測速輪通過彈性支架安裝在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)底部，通過預(yù)緊彈簧(6)作用與軌道接觸。測速輪與測速碼盤同心安裝，當(dāng)小車向前運(yùn)動時，測速碼盤隨測速輪儀器轉(zhuǎn)動，激發(fā)脈沖傳感器。最后由速度處理器根據(jù)測速輪的轉(zhuǎn)速和輪徑換算成運(yùn)動速度。

圖2 水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)自身的速度系統(tǒng)原理圖

這種水下測速方案優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單和集成化程度高，并且相對獨(dú)立，安裝后對其他系統(tǒng)影響??；缺點(diǎn)是速度測量準(zhǔn)確度低。此測速方法將水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)行進(jìn)的位移，默認(rèn)等效為測速輪在軌道上的輪面滾動行程。當(dāng)水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)在水下拖曳前進(jìn)時，并不能保證測速輪與軌道保持完好貼合而產(chǎn)生相對滑移。因此上述等效關(guān)系不能嚴(yán)格成立，從而導(dǎo)致較大的速度測量誤差。若將測速輪面設(shè)計為貼合抓地性能更好的橡膠材質(zhì)，其接觸面受壓變形導(dǎo)致的輪徑變化，又會對測量準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。

目前，水下測速方法較多，包括滾輪轉(zhuǎn)速、多普勒測速、慣性測速、電磁感應(yīng)測速等。不同的水下測速方法根據(jù)使用情況，其線性、靈敏度、準(zhǔn)確度等各有優(yōu)缺點(diǎn)。作為文中某水下發(fā)射系統(tǒng)水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)速度校準(zhǔn)的實(shí)施方案，在成本、準(zhǔn)確度、自適應(yīng)性等方面都有一定要求。

2.3 多普勒測速

應(yīng)用聲波的多普勒效應(yīng)測速，是水下常用的測速方法。相關(guān)的應(yīng)用如多普勒計程儀，利用發(fā)射的聲波和接收的水底反射波之間的多普勒頻移測量船舶相對于水底的航速和累計里程[2-4]。

應(yīng)用多普勒測速原理測量發(fā)射系統(tǒng)的水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)速度，可將多普勒測速設(shè)備安裝在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)上，隨機(jī)構(gòu)運(yùn)動并接收固定物的回波；也可將多普勒測速設(shè)備安裝在平臺上，接收水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)的回波。但兩種安裝方式都需要良好的反射層。

若將多普勒測速設(shè)備安裝在平臺低處，由于平臺上各類設(shè)備和結(jié)構(gòu)眾多，包括纜繩和浮球這類非靜止物，聲波的反射信號會受到較大干擾。因此需要將多普勒測速設(shè)備安裝位置提高。提高后的多普勒測速設(shè)備可安裝在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)靠頂部位置。此時可選擇將水質(zhì)點(diǎn)作為反射層，或在平臺上搭建反射板作為反射層。

將水質(zhì)點(diǎn)作為反射層時，測得的速度實(shí)際為多普勒設(shè)備相對于水的速度，而非水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)相對于平臺的速度。在水流速達(dá)到(0.2～0.5)m/s的試驗(yàn)環(huán)境，水流對速度校準(zhǔn)的影響較大，并不能做準(zhǔn)確度要求。在水下平臺上搭建發(fā)射板，需要與多普勒設(shè)備一樣高出平臺，并且需要保持一定剛性，能夠抵抗水流作用不產(chǎn)生較大撓度。此時需要在平臺上進(jìn)行較大規(guī)模工程作業(yè)，對平臺穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，有較高風(fēng)險。

2.4 慣性測速

慣性測速采用慣性儀表作為主標(biāo)準(zhǔn)儀器[5]，安裝在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)內(nèi)部，隨機(jī)構(gòu)一同運(yùn)動。慣性儀表通過測量水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)的加速度，積分計算得到速度值。因此采用慣性測速方法，測得的速度為水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)相對地面的速度，與水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)本身所測與水下平臺相對速度并不同。在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)質(zhì)量相對水下平臺質(zhì)量不可忽略的情況下，這兩項(xiàng)速度值會有一定差異。

水下發(fā)射系統(tǒng)在進(jìn)行試驗(yàn)前，需進(jìn)行長時間的準(zhǔn)備和遠(yuǎn)端調(diào)試，根據(jù)慣性積分測速的原理，慣性儀表在長時間的運(yùn)行過程中會累積測量誤差。若選用穩(wěn)定性高并滿足要求的慣性儀表作為主標(biāo)準(zhǔn)儀器，則需要數(shù)十萬采購成本。

2.5 電磁感應(yīng)測速

電磁感應(yīng)測速是應(yīng)用水流導(dǎo)體切割磁力線運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的原理進(jìn)行水下測速，如船上的電磁式計程儀[6-9]，就是利用電磁感應(yīng)測速原理。其優(yōu)點(diǎn)是測速儀器結(jié)構(gòu)簡單，線性好。但其測得的速度為相對于水介質(zhì)的速度，同多普勒測速一樣，在水流速達(dá)到(0.2～0.5)m/s的試驗(yàn)環(huán)境，并不能滿足校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求。

3 光電感應(yīng)校準(zhǔn)方案

以上各類水下測速方法應(yīng)用于水下發(fā)射平臺水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)測速都有一定局限性，需要將測速儀表安裝在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)上或其內(nèi)部，并且測量得到的數(shù)據(jù)不能夠傳輸?shù)桨渡辖K端設(shè)備，也需將采集記錄設(shè)備等集成安裝在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)中。因此，校準(zhǔn)的結(jié)果數(shù)據(jù)不能實(shí)時查看，須等待水下平臺上浮并靠岸后提取數(shù)據(jù)查看。本文采用光電感應(yīng)測速的校準(zhǔn)方案，解決上述水下測速問題。

光電感應(yīng)測速，是利用光電感應(yīng)原理測量目標(biāo)物經(jīng)過固定點(diǎn)位的時間，通過位移和時間的關(guān)系計算目標(biāo)物速度。如圖3所示，在水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)上一定高度等間距并排安置反光貼，并在平臺上相同高度安置數(shù)個光電探頭。光電探頭發(fā)射集束光，也可以接受反射光信號，并將其轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。當(dāng)水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)經(jīng)過某個光電探頭時，每個反光貼依次反射光電探頭的集束光并激發(fā)光電探頭。

圖3 光電感應(yīng)測速校準(zhǔn)方案布局圖

并排安置的反光貼總寬度，大于每個光電探頭之間的距離，以保證水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)在運(yùn)動的全程保持測速監(jiān)控。每個光電探頭通過信號線供電，并將電脈沖信號經(jīng)由水下平臺的通信臍帶纜傳輸?shù)桨渡喜杉O(shè)備。

反光貼以間距S設(shè)置，將每段間距S內(nèi)水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動等效為勻加速運(yùn)動，如圖4所示。當(dāng)間距S足夠小時，等效產(chǎn)生的測量誤差可忽略不計。

圖4 光電感應(yīng)測速校準(zhǔn)方案原理示意圖

水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)向前行進(jìn)，第一個反光貼激發(fā)光電探頭開始計時T0，此后每次激發(fā)探頭記錄時間Tn，則有

S=(Tn-Tn-1)·(Vn+Vn-1)/2

(1)

在Tn時間點(diǎn)，水平運(yùn)動機(jī)構(gòu)的行進(jìn)速度Vn可按照前后兩段間距的平均速度計算，如式(2)

(2)

4 測量不確定度評定

下面結(jié)合具體算例，對10m/s測量點(diǎn)校準(zhǔn)時速度誤差δ的測量不確定度進(jìn)行評定。設(shè)置反光貼間距S為10cm，光電探頭與反光貼平面的垂直距離為20cm。水下運(yùn)動速度校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)計算模型如式(3)所示

δ=V′n-2S/(Tn+1-Tn-1)

(3)

水下速度校準(zhǔn)示值誤差測量結(jié)果不確定度的主要來源如下。

a)反光貼間距S(包括粘貼時的定位)測量誤差引入的不確定度分量u1；

b)由光電探頭安裝不穩(wěn)定等因素導(dǎo)致集束光角度偏差引入的不確定度分量u2；

c)集束光斑大小變化引起觸發(fā)脈沖信號時間差引入的不確定度分量u3；

d)采集測量終端時間測量不準(zhǔn)確引入的不確定度分量u4。

其他包括集束光和反射光在水介質(zhì)中傳播不穩(wěn)定、脈沖信號上升時間、信號傳輸延遲等因素對測量結(jié)果影響小，不再詳細(xì)計算。

對影響測量結(jié)果的不確定度來源進(jìn)行匯總，見表1。

表1 不確定度分量信息Tab.1 Uncertainty component information不確定度分量不確定度來源影響量大小影響輸入量k值計算值urelu1S測量誤差0.1mmS36×10-3u2集束光角度偏差0.2°Tn+1,Tn-134×10-3u3集束光斑大小變化0.1mmTn+1,Tn-133×10-3u4時間測量不準(zhǔn)確1×10-5Tn+1,Tn-133×10-6

由于u1，u2，u3，u4相互獨(dú)立，由式(4)得到10m/s校準(zhǔn)點(diǎn)速度測量誤差，其測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U為2%(k=3)。

(4)

式中：U——測量結(jié)果擴(kuò)展不確定度；k——置信因子。

5 結(jié)束語

本文介紹的采用光電感應(yīng)測速的校準(zhǔn)方法，所用儀器和傳感器等組件成本低，結(jié)構(gòu)簡單，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。在完成前期設(shè)備安裝和必要的調(diào)試測量后，校準(zhǔn)時所需的準(zhǔn)備工作少，操作簡單，并且對水下發(fā)射系統(tǒng)干擾小。由于光電感應(yīng)測速的原理，其測量值受水下環(huán)境的影響可忽略不計，因此整套校準(zhǔn)系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)室等水上環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證和溯源。