CN104192286B - 一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法。包括以下几个步骤：步骤一：AUV任务控制机根据读取到的当前任务负载投送事件，选择对应的浮力均衡配置方案；步骤二：AUV运动控制机根据接收到的信息，投送当前任务负载，并释放对应的浮力均衡配置方案中的浮力材料；步骤三：判断AUV的纵倾角是否达到满足继续作业的要求，如果没有达到要求，释放应急浮力材料进行浮力微调，直到满足要求为止；步骤四：AUV任务控制机继续读取任务，如果当前任务为任务负载投送事件，则重复步骤一～步骤三，否则完成操作。本发明有效利用了船体的内部空间，采用方法简单，容易操作，提高了工作效率。

Description

一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法

技术领域

本发明属于一种水下无人航行器调节浮力的方法，尤其涉及能够提高工作效率的一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法。

背景技术

水下无人航行器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)作为人类在海洋活动，特别是深海活动中的重要替代者和执行者，已经被广泛应用于科学考察、深海作业、打捞救生等领域，其应用前景极其广泛。但AUV在水下执行任务时，根据任务的不同，对AUV的结构要求也不同，但研制一台AUV需要大量的人力物力资源，甚至包含重要数据信息。所以集多功能及安全性稳定性为一身的航行器技术具有重要意义。随着模块化技术的发展，多功能AUV可以通过搭载不同功能的任务模块实现其多功能能力。某些特殊情况下,AUV在执行任务的过程中,需要多次投送航行器自身携带的任务负载模块,以便这些模块实现在水下的长期工作任务.但水下作业的同时对任务模块的投送对航行器在水下的均衡产生重大影响，甚至可能导致不能继续后续作业，因此，水下无人航行器在投送负载后快速调节其均衡是AUV的重要技术之一。

目前，AUV的调节浮力的主要方法有海水泵式和油囊式两种，海水泵式调节方法是在AUV内部安装一个液压系统，以便将海水注入或者排出海水舱，当海水进入舱内重力增加，当海水排除海水舱，则浮力增加，从而实现调节AUV的浮力与重力，实现均衡调节。这种方法需要额外配套液压系统和储存海水的舱室且调节速度较慢。而油囊式调节方法与海水泵式相似，但油囊式浮力调节系统不存在与外界物质交换，具有较高的安全性和可操作性。其工作原理是液压传动系统与控制器封闭在耐压壳体中，耐压壳体将液压系统及控制器与海水隔开，通过液压油在伸缩油囊和耐压油舱之间相互转移，改变油囊的排水体积，从而达到调节AUV浮力的目的。这两种方法都可以很好地实现航行器的浮力调节，但两者都需要AUV提供额外的内部空间来放置浮力调节设备。因AUV的特殊性能要求，小体积及高空间利用率是其重要的研究设计指标。

发明内容

本发明的目的是提供能够提高工作效率的，一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法，包括以下几个步骤：

步骤一：AUV任务控制机根据读取到的当前任务负载投送事件，选择当前任务负载投送事件对应的浮力均衡配置方案，AUV任务控制机内存储有任务负载投送事件集合Σ₁和浮力均衡调整投送方案集合Σ₂，任务负载投送事件集合Σ₁包括每个负载投送事件的任务负载质量、大小、重心位置、用途、投送时间和投送方式，浮力均衡调整投送方案集合Σ₂包括针对每个任务负载投送事件所制定的浮力均衡配置方案，浮力均衡配置方案要求为：任务负载和一个或者几个浮力材料的总合力为零、或者微正浮力；

步骤二：AUV任务控制机将当前任务负载投送事件和其对应的浮力均衡配置方案传送给AUV运动控制机，AUV运动控制机投送当前任务负载，并释放对应的浮力均衡配置方案中的浮力材料；

步骤三：判断AUV的纵倾角是否达到满足继续作业的要求，如果没有达到要求，释放应急浮力材料进行浮力微调，直到满足要求为止；

步骤四：AUV任务控制机继续读取任务，如果当前任务为任务负载投送事件，则重复步骤一～步骤三，否则完成操作。

本发明一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法还可以包括：

当任务负载为一个，且其对应的浮力均衡配置方案中包括不止一个浮力材料时，同时释放浮力材料。

本发明的有益效果：

本发明提出一种水下无人航行器投送负载后快速浮力均衡调节方法，用于对航行器投送负载后，AUV均衡的浮力被打破后的一种快速自我调整均衡的方法。通过建立航行器的任务模块及浮力材料的数据库集合。该方法有效利用了船体的内部空间，根据航行器在水下作业情况，浮力材料是提供船体浮力的必需品，根据任务的要求，对单个浮力材料的大小，形状等提出要求，不影响航行器内部空间的利用。该方法极大地提高了航行器的多任务功能及自主能力，具有很高的快速性。本发明的优点在于充分考虑了AUV在水下作业时多任务要求，根据在岸准备工作，建立健全任务负载模块及应答方案的详细数据库，通过数据库及常用任务负载模块，可以快速实现任务负载的装配，拆卸，投送，预设置浮力材料等操作，并且结构简单，操作方便快捷，随时随地更改任务模块，此方法实现在水下的多任务同时执行的能力，大大扩展了单航程所可以承担的任务能力，提高了航行器的作业效率，提升了航行器的执行任务能力，极大地提高了AUV的应用性和自主能力。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图2是投送多任务模块均衡调节流程图；

图3-a是投送多任务模块均衡调节方法说明图(一),图3-b是是投送多任务模块均衡调节方法说明图(二)；

图4是投送多任务模块均衡系统纵剖面结构图；

图5是投送多任务模块均衡系统横剖面结构图；

图6是投送大质量单任务模块均衡调节流程图；

图7-a是投送大质量单任务模块均衡调节方法说明图(一)，图7-a是投送大质量单任务模块均衡调节方法说明图(二)；

图8是投送大质量单任务模块均衡调节系统纵剖面结构图；

图9是投送大质量单任务模块均衡调节系统横剖面结构图；

图10是三舱结构及电磁铁布局图；

图11是各负载及浮力材料横纵面视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的方法流程图，本发明包括以下几个部分：任务模块负载投送事件集合Σ₁；浮力均衡调整应答方案集合Σ₂；浮力均衡控制器；应急浮力微调系统；单模块大质量负载投送实现；多模块负载投送实现，运动控制机，任务控制机，带有电磁铁布局的舱室隔板，可拆卸的浮力材料及任务负载模块。

任务模块负载投送事件集合Σ₁是指，根绝AUV不同任务所搭载的不同任务负载模块，建立一个任务负载模块资料集合。集合中包含大部分任务负载模块，例如：定位声纳，水听器，信标等水下监测设备。每种任务负载模块构成一个离散事件。每个离散事件所包含的内容有：模块质量，模块大小，模块的重心位置，模块用途，投送时间和方式。这个集合通过添加每次任务中新的任务负载模块的信息数据得以更新，也方便已知负载情况的任务中查找浮力材料配置方案。

浮力均衡调整应答方案集合Σ₂是指，针对AUV作业时搭载的不同任务负载模块，选择不同的浮力材料配置方案。其配置方案所需要考虑的内容包含所提供浮力大小，浮心位置，浮力材料数量，及投送方式。将常用的配置方案汇集成一个浮力均衡调整应答方案集合。这个集合通过添加每次任务中新的浮力材料的详细参数得以更新，也方便已知参数的任务中提取应答方案。

浮力均衡控制器是指，当AUV在水下作业需要投送负载时，浮力均衡控制器会根据预设置的任务负载的数据，浮力材料配置的方案，相应的任务计划及航行器自身状态对航行器的均衡进行控制。包括：预置计划部分及非预置自动调节部分。具体情况如下：

(1)预置计划部分，根据初始定义，负载投送时，航行器相应地投送计划内的浮力材料，已达到浮力均衡。

(2)非预置自动调节部分，在某些特殊情况下，投送计划内的任务负载模块和浮力材料后，航行器没有达到继续作业的要求，继续释放应急浮力材料以实现继续作业的要求。

所述的应急浮力微调系统是指，当AUV执行完投送任务后，浮力均衡控制器通过AUV的纵倾角判断航行器是否满足继续作业的要求，如果航行器没有达到继续作业的要求，则通过释放应急浮力材料来实现对航行器的浮力微调。因为水下任务航行器一般情况下都是具有微正浮力，所以在预配置浮力材料方案的时候也是优先考虑微正浮力，微正浮力一般为10公斤。微调后，控制器再次执行纵倾判断，并决定是否继续微调。

单模块大质量任务负载模块投送实现是指，当AUV执行投送单个大质量任务负载模块时，根据任务负载模块的情况决定浮力材料的大小，体积和质量。通过任务负载模块投送事件集合Σ₁与浮力均衡调整应答方案集合Σ₂中详细的任务负载模块数据和浮力材料数据查询并决定具体的任务计划。具体要求：任务负载模块和几个浮力材料的总合力为零或者微正浮力。待释放的浮力材料是大小相等的。根据任务计划要求，在要求坐标点进行投送任务。当负载投送后同时释放预置的浮力材料。最后判断航行器的均衡情况。

多模块任务负载模块投送实现是指，当AUV执行投送多个任务负载模块时，其浮力材料的配置要根据任务负载模块的情况来决定，通过任务负载模块投送事件集合Σ₁与浮力均衡调整应答方案集合Σ₂中详细的任务负载模块数据和浮力材料数据查询并决定具体的任务计划。浮力材料及任务负载模块的具体要求：每个单任务负载模块对应单个浮力材料。两者的浮力与重力的合力为零或微正浮力，且各浮力材料，各任务负载模块互不干扰。当执行多任务负载模块时，一般采取的工作方式为在固定坐标点投送相应的模块。根据任务计划要求，投送时判断投送模块序号，然后浮力均衡控制器释放相应序号的浮力材料。最后判断航行器的均衡情况。

任务控制机是AUV在执行任务的过程中对各任务的规划和安排进行一系列的控制，同时控制航行器根据各任务的需求对总体任务进行规划。将要执行的任务指令传递给任务控制机。

运动控制机是AUV在执行任务的过程中对已经规划和安排的任务执行具体的动作及操作指令。运动控制机下达负载投送的相关动作指令。其中，抛掷负载是通过运动控制机下达控制指令，浮力调节的过程指令都是浮力均衡控制器下达。

带有电磁铁布局的舱室隔板是两个分隔舱室的固定隔板，上面布有固定负载和浮力材料的电磁铁，电磁铁的电源和控制指令来自浮力均衡控制器。隔板起固定作用，通过电磁铁的作用固定和释放负载及浮力材料。

可拆卸浮力材料及任务负载模块是指通过自身固定磁铁与隔板上的电磁铁的作用可以吸附和断开的浮力材料及负载。其结构就是将浮力材料或者负载与磁铁通过铁箍固定在一起，进而固定在隔板上。

本发明的具体实施方式包含以下步骤：

步骤1，确认作业任务及任务中搭载模块的详细参数。

步骤2，根据任务模块负载投送事件集合确定浮力材料的配置方案。

步骤3，根据任务要求，在制定坐标点投送任务模块。

步骤4，按预设置所定义的情况，释放浮力材料。

步骤5，通过纵倾角传感器AUV船体均衡情况，是否可以继续作业。如果无法继续作业则通过释放应急浮力材料以实现浮力均衡。

本发明的实施例1：多模块任务负载模块投送实现。

结合附图2对AUV在水下作业时投送多任务模块均衡调节方法做更详细的描述：在使命控制计算机里构建任务模块数据库，也就是任务模块负载投送事件集合。这些任务事件所对应的浮力材料设置被汇集成浮力均衡调整应答方案集合。并将这些信息集合存储在任务控制机中，在下达任务的后，查找并形成对应的浮力调整方案。接下来是AUV的任务作业，到底指定任务的坐标点后，任务控制机给运动控制机下达任务指令，运动控制机根据任务动作序列执行相应的动作。首先根据任务要求，确定投送顺序，并且投送对应序号的任务模块，同时给浮力均衡控制器释放浮力材料的信号。浮力均衡控制器投送预设值的对应序号的浮力材料，并通过纵倾的情况判断是否可以继续作业，如果无法实现继续作业要求，则浮力均衡控制器实施对应急浮力材料的释放操作。对应急浮力材料的操作规则：

(1)前后对称、左右对称地释放操作。

(2)从中间向两边的蔓延式释放操作。

微调后，再次执行纵倾角的判断，如果未符合均衡要求则重复对应急材料的操作。否则结束调整操作，继续执行AUV其他任务。

结合附图3-a和附图3-b对AUV的任务及浮力均衡调节舱的内部结构做更详细的描述：此段舱室被细分成三个部分，上面为浮力材料布置区域，中间为浮力均衡控制及电磁铁区域，下面为任务模块区域。其中浮力材料与任务模块都是通过电磁铁固定在AUV的船体上。电磁铁的数量和布局是根据AUV的任务及所搭载模块的情况所决定的，图中以三个模块为例。首先，浮力材料通过铁箍紧紧固定在船体。每块浮力材料具有独立的体积和最大容许空间。而其详细参数根据任务模块的情况决定，遵守的规则是，对应序号任务模块与浮力材料的合力为零，或者微正浮力。除带有编号的浮力材料外，在舱室的最前和最后有若干个体积和质量完全相同的浮力材料，同样，这些小浮力材料也是通过钢圈固定在电磁铁上，以便浮力不均衡时通过浮力均衡控制器按照对称关系有顺序的投送应急浮力材料进行微调。中间部分为浮力均衡控制部分，包含控制器和电磁铁。其中，电磁铁的通断电情况是通过控制器来控制的，并且通过电磁铁的通断电来决定是否投送相应模块或浮力材料。电磁铁的具体布局如图8所示。下面为任务舱模块区域。将舱室分成三个等分的空间区域。其电磁铁的具体布局如图9所示。

实施例2：单模块大质量任务负载模块投送实现。

结合附图6对AUV在水下作业时投送大质量单任务模块均衡调节方法做更详细的描述：与多任务模块的情况相似，大质量单任务模块投送及浮力均衡调整具体流程如下：首先建立任务模块负载投送事件集合和浮力均衡调整应答方案集合，并将两者的详细信息存储在任务控制机中，然后根据任务的详细情况，决定所要采用的投送方式和浮力材料释放方式。在任务指定坐标原点下，AUV投送大质量任务模块，同时释放预设值的浮力材料。预设置计划内的浮力材料必须同时释放。然后通过对AUV的纵倾角判断是否可以继续作业，如果无法继续作业，则浮力均衡控制器实施对应急浮力材料的释放操作。应急浮力材料的操作规则同上，微调后，继续判断航行器的纵倾角，如果未符合要求则重复微调操作，否则结束调整操作，执行AUV返航任务。

结合图7-a和图7-b对AUV的单任务大质量情况下任务及浮力均衡调节舱的内部结构做更详细的描述：与图3相似，该情况的舱室也是细分成三个部分，上面为浮力材料布置区域，中间为浮力均衡控制及电磁铁布置区域，下面为任务模块布置区域。同样，固定浮力材料和任务负载是通过电磁铁。首先，浮力材料区域与多任务模块的情况相同。唯一区别在于，投送时除应急浮力材料外，其他浮力材料同时投送，并且也遵循合力为零，或者微正浮力的规则。中间的浮力均衡控制区域与上面介绍的完全相同。最后，下面的任务模块区域是将整个舱室作为一个模块舱，其中，为了舱体的均衡，一般选择中间挂架挂载模块负载。各舱室的电磁铁的详细布局如图8和图9所示。

结合图4到图11对AUV的均衡调节系统的结构做更详细的描述：首先，由图8和图9可以看出单任务大质量情况下单任务大质量任务模块均衡调节系统的横纵刨面图，可以看到系统的内部结构和布局。两个承载电磁铁并且通过电磁铁承载浮力材料和任务负载的作用力的是两个隔板，同时起到分割舱室的作用，隔板将舱室分成浮力材料舱，均衡控制舱和任务模块负载舱。浮力材料和任务负载的挂载和投放动作都是通过电磁铁的作用，通过金属卡箍将固有磁性的磁铁固定在浮力材料和任务负载模块上，然后在通过电磁铁与磁铁之间的相互作用将浮力材料和任务负载固定在舱室的隔板上。与图8和图9相似，图4和图5展示的是多任务模块情况下的均衡调节系统的横纵面剖面图，结构基本相似，区别在于任务模块舱中的任务负载模块变成多个，其他结构基本相似。图10是系统的三舱结构，也就是浮力材料舱，均衡控制舱和任务模块负载舱的空载结构。其中包含两层隔板将整个舱体分成了三个舱室，并且每个隔板都固定了若干电磁铁，以便起到固定浮力材料和任务负载的作用。其电磁铁的具体布局如图所示，浮力材料舱的隔板与任务模块舱的隔板之间的区别在于多一个应急浮力材料电磁铁阵列。图11是各负载及浮力材料横纵面视图，从上到下依次为可抛掷大质量任务负载模块，可抛掷多模块任务负载模块，可抛掷浮力材料及应急浮力材料。浮力材料和负载都是通过金属卡箍与相应的磁铁固定在一起，以便实现浮力材料和负载通过电磁铁的控制实现吸附或投放。图4和图8中包括应急浮力材料1，两个承载电磁铁并且通过电磁铁承载浮力材料和任务负载的作用力的是两个隔板6、8，同时起到分割舱室的作用，隔板将舱室分成浮力材料舱9，均衡控制舱7和任务模块负载舱5。浮力材料和任务负载4、10的挂载和投放动作都是通过电磁铁的吸附作用2，通过金属卡箍3将固有磁性的磁铁固定在浮力材料和任务负载模块上，然后在通过电磁铁与磁铁之间的相互作用将浮力材料和任务负载固定在舱室的隔板上。

Claims (2)

1.一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：AUV任务控制机根据读取到的当前任务负载投送事件，选择当前任务负载投送事件对应的浮力均衡配置方案，AUV任务控制机内存储有任务负载投送事件集合∑₁和浮力均衡调整投送方案集合∑₂，任务负载投送事件集合∑₁包括每个负载投送事件的任务负载质量、大小、重心位置、用途、投送时间和投送方式，浮力均衡调整投送方案集合∑₂包括针对每个任务负载投送事件所制定的浮力均衡配置方案，浮力均衡配置方案要求为：任务负载和一个或者几个浮力材料的总合力为零或者微正浮力；

步骤二：AUV任务控制机将当前任务负载投送事件和其对应的浮力均衡配置方案传送给AUV运动控制机，AUV运动控制机投送当前任务负载，并释放对应的浮力均衡配置方案中的浮力材料；

步骤三：判断AUV的纵倾角是否达到满足继续作业的要求，如果没有达到要求，释放应急浮力材料进行浮力微调，直到满足要求为止；

步骤四：AUV任务控制机继续读取任务，如果当前任务为任务负载投送事件，则重复步骤一～步骤三，否则完成操作。

2.根据权利要求1所述的一种水下无人航行器负载投送后快速均衡调节方法，其特征在于：当任务负载为一个，且其对应的浮力均衡配置方案中包括不止一个浮力材料时，同时释放浮力材料。