CN101323363A - 一种大深度无人潜水器及其深度复合控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种大深度无人潜水器及其深度复合控制方法。其组成包括潜器主体，安装在潜器主体艉部的艉部主螺旋桨，安装在潜器主体艏部的艏部水平翼，安装在潜器主体艉部的艉部水平翼，在潜器主体内部设置有浮力调节水舱，在潜器主体的艉部和艏部分别设置有艉垂向槽道桨和艏垂向槽道桨，由一台嵌入有控制核心程序的在主控耐压舱内一台PC/104计算机进行控制。从水面状态开始，向浮力调节水舱注水；在距离预定深度还有50m距离时开始吹除浮力调解水舱中的压载水；依靠垂向槽道桨提供向上的力；待无人潜水器的下沉速度减缓到0.5m/s以下时，进入定速航行状态，依靠艏、艉水平翼控制纵倾，进而耦合轴向运动，精确控制深度。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种潜器的深度控制方法，特别是一种大深度无人潜水器运动控制方法。
(二)背景技术
随着科技的不断进步，机器人技术有了突飞猛进的发展。大深度无人潜水器作为船舶与海洋工程，机器人技术的学科交叉领域，得到了世界各国的广泛重视。大深度无人潜水器在可广泛用于海底生物资源探查，矿产资源采样，海底地形勘测，沉物打捞，地震地热活动的监测，海洋环境监测，海洋工程维护等。经过多年来各国学者的努力，大深度无人潜水器的运动控制水平不断提高。但在研究试验中也逐渐暴露出了一些问题：大深度下潜过程中单纯采用净浮力调整装置(如水舱、油舱)，执行机构响应较慢，容易出现较大的超调；而采用垂向槽道桨进行大深度下潜，消耗能源很大，不利于进入指定深度后的长时间停留和作业；采用水平翼调节纵倾，也需要无人潜水器艉部主螺旋桨保持轴向运动，大深度下潜过程中消耗能源也很大。
因此，研制出一种能有效适用于无人潜水器大深度下潜，较少消耗能源，又便于精确定深的复合控制方法，是无人潜水器大深度航行控制的关键性技术问题。
《海洋工程》(2006年，24卷3期)上刊登的“大深度载人潜水器低速大漂角模糊滑模航向控制研究”中公开了一种技术方案，它主要包括“通过模型试验测量大深度载人潜水器低速大漂角运动时所受到的非线性水动力。基于一种新的模糊滑模控制策略，为潜水器设计了鲁棒航向控制器。在不同的漂角子区间内分别设计局部镇定的滑模控制器，然后通过Takagi-Sugeno模糊推理系统将它们光滑连接，得到模糊滑模控制。仿真计算结果充分显示了该控制策略的有效性。”但其对象是一种载人潜水器，另外，其提出的航向控制器是用来控制艏向而非深度。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可以有效地适应无人大深度下潜，能源消耗低，又便于精确定深的一种大深度无人潜水器。本发明的目的还在于提供一种大深度无人潜水器的深度复合控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的大深度无人潜水器的组成包括潜器主体，安装在潜器主体艉部的艉部主螺旋桨，安装在潜器主体艏部的艏部水平翼，安装在潜器主体艉部的艉部水平翼，在潜器主体内部设置有浮力调节水舱，在潜器主体的艉部和艏部分别设置有艉垂向槽道桨和艏垂向槽道桨，浮力调节水舱、艏水平翼、艉水平翼、艉部主螺旋桨、艏垂向槽道桨、艉垂向槽道桨都连接一台嵌入有控制核心程序的在主控耐压舱内一台PC/104计算机，PC/104计算机包括CPU核心板卡、DA/AD卡、8串口卡、数字IO板、脉冲发生板和电源板，所有板卡通过PC/104总线进行电源和数据的传输，深度测量传感器设置在潜器主体的底部，深度测量传感器的信号输入PC/104计算机。
本发明的大深度无人潜水器的组成还包括在潜器主体的两侧设置有左右压载铅块，压载铅块与潜器主体之间通过爆破螺栓相连，爆破螺栓由PC/104计算机控制，利用核心程序控制数字IO板激活爆破螺栓。
本发明的大深度无人潜水器的深度复合控制方法为：
从水面状态开始，向浮力调节水舱注水，使无人潜水器重力＞浮力，向大深度无纵倾下潜；
在距离预定深度还有50m距离时，启动高压气泵排除浮力调解水舱中的压载水，恢复到原来的水量，使无人潜水器回到初始的零浮力状态；
启动垂向槽道桨，依靠垂向槽道桨向下推水，提供向上的力；
待无人潜水器的下沉速度减缓到0.5m/s以下时，关闭垂向槽道桨，艉部主推螺旋桨开启，进入定速航行状态，依靠艏、艉水平翼控制纵倾，进而耦合轴向运动，精确控制深度。
若在大深度定深航行中，以上执行机构都失效的情况下，核心程序控制数字IO板激活爆破螺栓，引爆爆破螺栓，抛掉无人潜水器底部压载铅块，使浮力＞＞重力，迅速上浮，等待水面母船救援。
本发明将浮力调节水舱、艏水平翼、艉水平翼、艉部主螺旋桨、艏垂向槽道桨、艉垂向槽道桨等潜器的驱动、控制机构同时布置在一个潜器主体上，通过嵌有控制核心程序的一台PC/104计算机及可以实现复合控制，既可以实现无人潜水器的大深度下潜，又便于精确定深度。
本发明可有效地适应无人潜水器大深度下潜，较少消耗能源，又便于精确定深，实际应用于大深度无人潜水器控制系统设计，可有效进行大深度海域水下探测，采样，资源探查等活动。这样既避免了大深度下潜过程中，一直采用垂向槽道桨带来的能源大量消耗，也可以在指定大深度实现精确定深巡航。对于大深度海域的探查，如海沟中矿物和生物资源的探测开发，大深度海域沉船的调查，以及海底热液黑烟囱区域的科考都具有积极意义。
(四)附图说明
图1是本发明的大深度无人潜水器结构示意图(俯视)；
图2是图1的仰视图(浮力调节水舱注满水，开始垂向下潜时)；
图3是图1的仰视图(浮力调节水舱向外排水，恢复零浮力，依靠垂向槽道桨抵御下沉的惯性时)；
图4是图1的仰视图(零浮力状态下，依靠艏、艉水平翼和主推控制深度时)；
图5是图1的仰视图(抛掉无人潜水器底部压载铅块时)；
图6是本发明的控制方法的流程图；
图7(a)和图7(b)是无人潜水器大深度下潜数据曲线，其中：图7(b)为下潜1000m的全过程数据，是图7(a)接近1000m的数据片断。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，大深度无人潜水器的组成包括潜器主体，安装在潜器主体艉部的艉部主螺旋桨1，安装在潜器主体艏部的艏部水平翼8，安装在潜器主体艉部的艉部水平翼2，在潜器主体内部设置有浮力调节水舱4，在潜器主体的艉部和艏部分别设置有艉垂向槽道桨3和艏垂向槽道桨7，浮力调节水舱、艏水平翼、艉水平翼、艉部主螺旋桨、艏垂向槽道桨、艉垂向槽道桨都连接一台嵌入有控制核心程序的在主控耐压舱内一台PC/104计算机，PC/104计算机包括CPU核心板卡、DA/AD卡、8串口卡、数字IO板、脉冲发生板和电源板，所有板卡通过PC/104总线进行电源和数据的传输，深度测量传感器设置在潜器主体的底部，深度测量传感器的信号输入PC/104计算机，在潜器主体的两侧设置有左右压载铅块6、5，压载铅块与潜器主体之间通过爆破螺栓相连，爆破螺栓由PC/104计算机控制，利用核心程序控制数字IO板激活爆破螺栓。
结合图2至图6，当初始下潜时，采用浮力调节水舱调节潜水器的静浮力。核心程序控制数字IO板输出一路高电平(5V)，打开控制注水口的继电器，放开注水口。这时浮力调节水舱开始注水，一直到注满为止。这时重力＞浮力，无纵倾下潜。
当距离预定深度还有50m距离时，需要排出浮力调节水舱内的水。浮力调节水舱的水由高压空气排出。高压空气的气泵是通过DA卡控制的。若让气泵向浮力调节水舱压入空气，通过DA卡给其控制单元一个电压信号，气泵开始工作。气泵的压力与控制给出的电压信号成正比。排出水的多少原则是使艇恢复到零浮力，这是事先测试好的数值。
虽然较短时间内，经过浮力调节水舱的调节，无人潜水器恢复到了重力＝浮力的状态，但由于对于下沉的惯性，无人潜水器依然处于无纵倾下潜状态。核心程序根据下潜速度和加速度计算出垂直方向应提供的向上力，控制DA板输出指定电压给垂向槽道桨，向下推水，提供向上的力，如图3。DA板输出电压与垂向槽道桨的转速是线性关系。这是可以通过螺旋桨的敞水试验预先标定的。
待无人潜水器的下沉速度减缓到0.5m/s以下时，核心程序通过数字IO板关闭垂向槽道桨供电继电器，使垂向槽道桨停止转动。这时核心程序控制DA板输出指定电压给艉部主推螺旋桨，进入定速航行状态；控制脉冲发生板输出指定频率指定个数的脉冲给艏、艉水平翼。如图4，水平翼转动，控制纵倾，耦合轴向运动，精确控制深度，进行稳定深度巡航。所有环境感知传感器(图像声纳、侧扫声纳、摄像机、温盐深、浊度计等)打开，进入探测状态。
压载铅块是一种自救措施，一般情况下不采用。只有在大深度定深航行中，以上执行机构都失效的情况下，利用核心程序控制数字IO板激活爆破螺栓，如图5，抛掉无人潜水器底部压载铅块。使浮力＞＞重力，迅速上浮，等待水面母船救援。
整个流程如图6所示。
采用上述方法进行了某无人潜水器大深度下潜实验。数据曲线如图7所示。在前794秒，该无人潜水器以约1.26m/s的速度接近匀速下潜。这是由于浮力调节水舱注满水后，艇的重力与浮力的差是一个定值。约1.26m/s的速度下潜时的垂向水阻力与这个差，大小相等，方向相反。所以，艇会以一个均匀速度下潜。当接近1000m时，经过恢复零浮力，垂推工作减缓下潜速度，艉部主推螺旋桨开启，进入定速航行状态。依靠艏、艉水平翼控制纵倾，进而耦合轴向运动，精确控制深度。图7(b)为接近1000m的放大数据，是图7(a)的一个数据片断。
Claims (4)
1、一种大深度无人潜水器，其组成包括潜器主体，安装在潜器主体艉部的艉部主螺旋桨，安装在潜器主体艏部的艏部水平翼，安装在潜器主体艉部的艉部水平翼，其特征是：在潜器主体内部设置有浮力调节水舱，在潜器主体的艉部和艏部分别设置有艉垂向槽道桨和艏垂向槽道桨，浮力调节水舱、艏水平翼、艉水平翼、艉部主螺旋桨、艏垂向槽道桨、艉垂向槽道桨都连接一台嵌入有控制核心程序的在主控耐压舱内一台PC/104计算机，PC/104计算机包括CPU核心板卡、DA/AD卡、8串口卡、数字IO板、脉冲发生板和电源板，所有板卡通过PC/104总线进行电源和数据的传输，深度测量传感器设置在潜器主体的底部，深度测量传感器的信号输入PC/104计算机。
2、根据权利要求1所述的一种大深度无人潜水器，其特征是：在潜器主体的两侧设置有左右压载铅块，压载铅块与潜器主体之间通过爆破螺栓相连，爆破螺栓由PC/104计算机控制，利用核心程序控制数字IO板激活爆破螺栓。
3、一种权利要求1和2所述的大深度无人潜水器的深度复合控制方法，其特征是：
从水面状态开始，向浮力调节水舱注水，使无人潜水器重力＞浮力，向大深度无纵倾下潜；
在距离预定深度还有50m距离时，启动高压气泵排除浮力调解水舱中的压载水，恢复到原来的水量，使无人潜水器回到初始的零浮力状态；
启动垂向槽道桨，依靠垂向槽道桨向下推水，提供向上的力；
待无人潜水器的下沉速度减缓到0.5m/s以下时，关闭垂向槽道桨，艉部主推螺旋桨开启，进入定速航行状态，依靠艏、艉水平翼控制纵倾，进而耦合轴向运动，精确控制深度。
4、根据权利要求3所述的大深度无人潜水器的深度复合控制方法，其特征是：
若在大深度定深航行中，以上执行机构都失效的情况下，核心程序控制数字IO板激活爆破螺栓，引爆爆破螺栓，抛掉无人潜水器底部压载铅块，使浮力＞＞重力，迅速上浮，等待水面母船救援。
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