CN105549602A - 浮力均衡装置辅助的uuv主动坐底方法 - Google Patents

浮力均衡装置辅助的uuv主动坐底方法 Download PDF

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Abstract

浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，涉及一种UUV控制领域，是为了在UUV坐底时，克服测高声纳盲区和推进器近壁面效应，及保持静默状态。本发明所涉及的一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，用于航行器在执行主动坐底任务时，提前建立航行器的任务模块，利用测量单元以及先验知识库，选择适当的时机切换辅助推进器和浮力均衡装置，完成主动坐底并保持静默状态的调节方法。该方法增加了UUV的智能性，通过切换辅助推进器和浮力均衡装置，有效的克服了测高声纳测量高度具有盲区所导致测高无效的缺陷，在保持主动坐底精度的同时满足了静默坐底的隐蔽工况。本发明适用于UUV主动坐底场合。

Description

浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法
技术领域
本发明涉及一种UUV控制领域，具体涉及一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法。
背景技术
水下无人航行器(UnmannedUnderwaterVehicle，UUV)被广泛的应用到海洋资源开发和环境勘探中，可以在特定的海域作业和执行任务，在商业、科学、军事等领域都起着不可替代的作用，例如油气管道检修、海底地形测绘、潜伏攻击等，其应用前景极其广泛。在某些特殊的任务中，要求UUV在某一指定区域潜伏，并保持长时间静默状态，因此UUV必须具备主动坐底并保持静默的功能。但水下作业环境特殊，面临着以下困难：
(1)、UUV下潜后依靠水声通信与水面监控中心相互传输信号，而水声信号的传输距离有限且信号易受干扰，要求UUV能够自主航行至任务区域并完成坐底任务；
(2)、海洋环境复杂，测高声纳在采集信号时易受噪声和UUV姿态变化干扰，将导致测高声纳测量的数据波动，另外测高声纳存在测量盲区；
(3)、UUV配置了一定的正浮力以提高近水面航行的适航性，也有利于布放回收，但待其下潜、坐底后必须克服该正浮力才能维持坐底状态；
(4)、为提高UUV的续航能力及隐蔽性，要求坐底后关闭辅助推进器等设备。
当前UUV主动坐底技术，对其深度与纵倾控制主要有两种方法：其一，利用辅助推进器进行潜伏的方法，即在潜伏过程中依靠艏、艉垂直辅助推进器进行深度与纵倾控制。该方法可较快地完成坐底任务，但保持坐底状态的过程中不能关闭艏、艉垂直辅助推进器，因此能源消耗大且不能达到静默状态；另外UUV在靠近海底时，由于近壁面效应，艏、艉垂直辅助推进器的吸水量减少，造成推进效率降低。其二，利用浮力均衡装置调节UUV浮力进行潜伏的方法。面向UUV执行长时间静默坐底的任务需求，为实现位置控制精度高、下潜速度快、静默时间久、能源消耗少、可重复坐底等技术指标，急需设计一种新的UUV坐底方法。
发明内容
本发明是为了在UUV坐底时，克服测高声纳盲区和推进器近壁面效应，及保持静默状态，从而提供一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法。
浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，它是基于浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底系统实现的，该系统包括测高声纳1、深度计2、任务控制计算机3、位置控制通道4、组合导航系统5、深度控制通道6和运动控制计算机7；
测高声纳1的高度数据输出端与任务控制计算机3的高度数据输入端连接；
深度计2的深度数据输出端与任务控制计算机3的深度数据输入端连接；
任务控制计算机3的位置任务信号输出端与位置控制通道4的位置任务信号输入端连接；所述位置控制通道4的位置控制信号输出端与运动控制计算机7的位置控制信号输入端连接；
任务控制计算机3的深度控制信号输出端与深度控制通道6的深度控制信号输入端连接；所述深度控制通道6的深度控制信号输出端与运动控制计算机7的深度控制信号输入端连接；
任务控制计算机3与组合导航系统5进行数据交互；组合导航系统5与运动控制计算机7进行数据交互；
运动控制计算机7的浮力均衡控制信号输出端与浮力均衡装置8的浮力均衡控制信号输入端连接；
运动控制计算机7的辅助推进控制信号输出端与辅助推进器8的辅助推进控制信号输入端连接；所述辅助推进器8用于控制艏/艉水平辅助推进器10或艏/艉垂直辅助推进器11工作；
浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，它由以下步骤实现：
步骤一、UUV的任务控制计算机根据读取到的当前任务，通过执行机构自主航行到将要执行任务的指定水面，并利用主推进器和辅助推进器进行悬停定位；
步骤二、UUV的运动控制计算机根据接收到的指令，控制艏/艉垂直辅助推进器在该指定水面定位下潜；所述指定水面即：UUV将要坐底的正上方；
步骤三、UUV根据深度计输出的指令Hup做定深下潜，当UUV下潜到距离海底预设的高度时，按照辅助推进器和浮力均衡装置切换条件，再次利用辅助推进器进行悬停定位，并开始执行步骤四；
步骤四、开启浮力均衡装置，减小UUV的浮力，根据先验知识库判断UUV所减小的浮力大小，直至UUV所受重力G0大于浮力F0，执行步骤五；在减小浮力期间各辅助推进器依然进行悬停定位；
步骤五、关闭UUV艏/艉水平辅助推进器和艏/艉垂直推进器停止定位，此时UUV依靠重力与浮力差降落到水底，并保持静默状态。
步骤四中根据先验知识库判断UUV所减小的浮力大小的具体方法是：
UUV的浮力均衡装置可调节的浮力ΔB范围为[0,a]牛,UUV所受重力G0已知，但是UUV所受的浮力受到海水的密度影响，海水的密度大时所受的浮力就大，海水的密度小时所受的浮力就小；这样UUV在不同的海域所受到的浮力也就不同，记为F0＝(B0±ΔB)牛，其中B0的值是先前实验积累的数据，根据不同海域计算不同的B0值，这样通过调节ΔB的值使G0>F0。
步骤三中所述辅助推进器和浮力均衡装置切换条件为：Hup＝H-(H0+3)米；其中：Hup为UUV当前距离水面的深度，其值由深度计测量；H表示水面距离海底的高度，其值是UUV在指定水域的水面利用测高声纳测得；H0表示测高声纳的测量盲区，即：测高声纳在(0-H0)米的范围内所测高度无效。
本发明所涉及的一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，用于航行器在执行主动坐底任务时，提前建立航行器的任务模块，利用测量单元以及先验知识库，选择适当的时机切换辅助推进器和浮力均衡装置，完成主动坐底并保持静默状态的调节方法。该方法增加了UUV的智能性，通过切换辅助推进器和浮力均衡装置，有效的克服了测高声纳测量高度具有盲区所导致测高无效的缺陷，同时也避免了推进器近壁面效应，在保持主动坐底精度的同时满足了静默坐底的隐蔽工况，并且降低了能耗，增加了续航能力，在不增加其他的设备的情况下，充分利用了现有的资源，操作方便快捷，可靠性强，坐底精度高。该方法可使UUV在执行任务时实现多次重复主动坐底，提升了UUV的自主能力。
附图说明
图1是本发明方法的控制系统结构示意图；
图2是本发明方法的流程示意图；
图3是本发明方法的各主要部分的硬件在UUV上的安装方案俯视结构示意图；
图4是本发明方法的UUV结构侧试图；
图5是本发明方法的浮力均衡装置的原理示意图；
图6是本发明方法的实施演示示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，如图1所示，本发明方法的控制系统结构框图，包括以下几个部分：测高声纳1、深度计2、任务控制计算机(MissionControlComputer，MICC)3、位置控制通道4、组合导航系统(INS&DVL&GPS)5、深度控制通道6、运动控制计算机(MotionControlComputer，MOCC)7、浮力均衡装置8、辅助推进器9、艏/艉水平辅助推进器(10)和艏/艉垂直辅助推进器(11)；
其中，测高声纳1输出高度到任务控制计算机3，同时，深度计2输出深度到任务控制计算机3；任务控制计算机3分别与位置控制通道4、组合导航系统5、深度控制通道6相互连接；位置控制通道4、深度控制通道6分别与运动控制计算机7相互连接；组合导航系统5与运动控制计算机7相互连接；运动控制计算机7输出控制信号到浮力均衡装置8和辅助推进器9；辅助推进器9又分为两部分；即：艏/艉水平辅助推进器10和艏/艉垂直辅助推进器11。
所述的测高声纳1是测量UUV距离海底高度的仪器，由于海底情况复杂，存在很多的噪声干扰，加之测高声纳本身存在的技术瓶颈，故其测量的有效高度为大于H0米，这就是测高声纳存在的盲区(0--H0)。但我们可以利用其在有效范围内测量出水面距离海底的高度H米。为了提高其测量精度，这里选择四台测高声纳，综合分析后给出高度H米。
所述的深度计2可以准确的测量出航行器的下潜深度，任务控制计算机会根据其测得的数据，即下潜的深度Hup，对UUV进行定深控制下潜。
所述的任务控制计算机(MICC)3是本方法控制的核心，其包含水面提前设定好的程序，包括几个判断输出指令：其一，航行器是否到达指定海域的上方，若是输出悬停定位的指令；其二，判断是否下潜，若是输出开始下潜指令；其三，依据是否满足Hup＝H-(H0+3)判断是否再次悬停定位，若是同时输出悬停定位指令和开启浮力均衡装置指令；其四，判断UUV所受重力G0是否大于浮力F0，若是输出关闭所有辅助推进器指令。
所述的位置控制通道4为实时位置控制。其利用组合导航系统对当前位置信息进行反馈，利用一定的算法得到当前位置指令的控制量，并将其发送到运动控制计算机，使UUV位置精确的反映当前指令位置。
所述的组合导航系统5包括惯性导航仪(InertialNavigationSystem,INS)、多普勒计程仪(DopplerVelocityLog,DVL)和全球定位系统(GlobalPositionSystem,GPS)。GPS可以准确的定位UUV在指定水面的经纬度，这是航行器主动坐底的前提条件。由于航行器在水下只能依靠水声通信，所以GPS无法在水下定位，为了保障航行器下潜位置的准确性，我们采用组合导航系统进行水下定位。
其原理如下，在水面时，把GPS采集的位置数据传送给惯性导航仪，同时将航行器的初始姿态信息传送给多普勒计程仪，在水下时，多普勒计程仪会以航行器初始点的姿态信息为基础根据航行器的变化推算出水下的状态，再将信息传递给惯性导航仪，惯性导航仪综合分析后输出UUV的位置和姿态信息给任务控制计算机。
所述的深度控制通道6为实时深度控制。其利用组合导航系统对当前深度信息进行反馈，利用一定的算法得到当前深度指令的控制量，并将其发送到运动控制计算机，使UUV深度精确的反映当前指令深度。
所述的运动控制计算机(MOCC)7是本方法执行的核心，它接受任务控制计算机的指令，对UUV的辅助推进器和浮力均衡装置进行控制。
所述的浮力均衡装置8是调节浮力装置，其原理概图如图5所示，它的工作原理如下，任务控制计算机根据浮力大小的要求调节液压传动系统，其包括液压推进器和活塞，活塞将海水推出水舱，则浮力增加,当海水进入舱内，气体被压缩到气体舱，浮力减小,从而实现调节UUV浮力的目的。
所述的辅助推进器9包括艏\艉水平辅助推进器10和艏\艉垂直辅助推进器11。艏\艉垂直辅助推进器是UUV完成下潜和悬停定位的执行机构。艏\艉水平辅助推进器是UUV完成悬停定位的执行机构。
如图2所示，本发明的实施步骤可以表述为：
步骤1、UUV根据当前任务，在指定水域的水面进行悬停定位，定位后测出距离海底的高度H米；
步骤2、UUV根据组合导航系统输出的位置信息和深度计输出信号Hup，开始做定位定深控制下潜；
步骤3、当UUV下潜到一定的高度Hup＝H-(H0+3)米时，利用辅助推进器再次悬停定位；
步骤4、此时开启浮力均衡装置，直至UUV所受重力G0大于浮力F0；
步骤5、关闭辅助推进器停止定位，此时UUV依靠重力与浮力差降落到水底。
如图3所示，是本发明方法的各主要部分的硬件在UUV上的安装方案俯视示意图，标记A为艏垂直辅助推进器；标记1表示测高声纳四个；标记2表示深度计；标记4是浮力均衡装置两个；标记B表示全球定位系统(GPS)；标记C表示艉垂直辅助推进器；标记D表示方向舵；标记E表示右主推进器；标记F表示水平方向舵；标记G表示左主推进器；标记H表示惯性导航仪(INS)&多普勒计程仪(DVL)；标记I表示务控制计算机(MICC)&运动控制计算机(MOCC)。
如图4所示，是本发明方法的UUV结构侧试图，标记J表示艏水平辅助推进器；标记K表示艉水平辅助推进器；标记L表示水平舵；标记D表示方向舵。
如图5所示，是本发明方法的浮力均衡装置原理图，标记M表示液压推进舱；标记N表示液压推进器；标记O表示高压气体舱；标记P表示活塞；标记Q表示水舱；标记R表示液压油舱。
如图6所示，是本发明方法的实施演示图，结合附图6对一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法做更详细具体的描述：
某UUV所受重力G0牛，在指定水域A点执行主动坐底任务。当UUV的任务计算机接收到指令后，在水面依靠GPS导航系统，利用主推进器到达指定水域上方A1点，此时开启艏、艉辅助推进器进行水面悬停定位，定位成功后，利用四个测高声纳测得的高度进行综合分析得出水深H≈100米。任务控制计算机发送下潜指令到运动控制计算机，运动控制计算机发送指令给执行机构，UUV开始下潜，下潜时利用深度计测得数据Hup米做定深下潜，直至Hup＝H-(H0+3)＝95米时，其中测高声纳的测高盲区H0＝2米，此时UUV悬停在A2点，A2点距离海底的实际高度Hdown可能会小于(H0+3)＝5米。任务控制计算机再次发送悬停定位指令，此时开启浮力均衡装置，调节浮力F0，因为海水的密度会有变化，结合先验知识库判断重力和浮力的大小，直至UUV所受重力G0大于浮力F0。这时关闭所有辅助推进器，UUV会依靠重力与浮力差降落到海底A点。

Claims (3)

1.浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，其特征是：它是基于浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底系统实现的，该系统包括测高声纳(1)、深度计(2)、任务控制计算机(3)、位置控制通道(4)、组合导航系统(5)、深度控制通道(6)和运动控制计算机(7)；
测高声纳(1)的高度数据输出端与任务控制计算机(3)的高度数据输入端连接；
深度计(2)的深度数据输出端与任务控制计算机(3)的深度数据输入端连接；
任务控制计算机(3)的位置任务信号输出端与位置控制通道(4)的位置任务信号输入端连接；所述位置控制通道(4)的位置控制信号输出端与运动控制计算机(7)的位置控制信号输入端连接；
任务控制计算机(3)的深度控制信号输出端与深度控制通道(6)的深度控制信号输入端连接；所述深度控制通道(6)的深度控制信号输出端与运动控制计算机(7)的深度控制信号输入端连接；
任务控制计算机(3)与组合导航系统(5)进行数据交互；组合导航系统(5)与运动控制计算机(7)进行数据交互；
运动控制计算机(7)的浮力均衡控制信号输出端与浮力均衡装置(8)的浮力均衡控制信号输入端连接；
运动控制计算机(7)的辅助推进控制信号输出端与辅助推进器(8)的辅助推进控制信号输入端连接；所述辅助推进器(8)用于控制艏/艉水平辅助推进器(10)或艏/艉垂直辅助推进器(11)工作；
浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，它由以下步骤实现：
步骤一、UUV的任务控制计算机根据读取到的当前任务，通过执行机构自主航行到将要执行任务的指定水面，并利用主推进器和辅助推进器进行悬停定位；
步骤二、UUV的运动控制计算机根据接收到的指令，控制艏/艉垂直辅助推进器在该指定水面定位下潜；所述指定水面即：UUV将要坐底的正上方水面；
步骤三、UUV根据深度计输出的指令Hup做定深下潜，当UUV下潜到距离海底预设的高度时，按照辅助推进器和浮力均衡装置切换条件，再次利用辅助推进器进行悬停定位，并开始执行步骤四；
步骤四、开启浮力均衡装置，减小UUV的浮力，根据先验知识库判断UUV所减小的浮力大小，直至UUV所受重力G0大于浮力F0，执行步骤五；在减小浮力期间各辅助推进器依然进行悬停定位；
步骤五、关闭UUV艏/艉水平辅助推进器和艏/艉垂直推进器停止定位，此时UUV依靠重力与浮力差降落到水底，并保持静默状态。
2.根据权利要求1所述的浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，其特征在于步骤四中根据先验知识库判断UUV所减小的浮力大小的具体方法是：
UUV的浮力均衡装置可调节的浮力ΔB范围为[0,a]牛,UUV所受重力G0已知，但是UUV所受的浮力受到海水的密度影响，海水的密度大时所受的浮力就大，海水的密度小时所受的浮力就小；这样UUV在不同的海域所受到的浮力也就不同，记为F0＝(B0±ΔB)牛，其中B0的值是先前实验积累的数据，根据不同海域计算不同的B0值，这样通过调节ΔB的值使G0>F0。
3.根据权利要求1所述的浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，其特征在于步骤三中所述辅助推进器和浮力均衡装置切换条件为：Hup＝H-(H0+3)米；其中：Hup为UUV当前距离水面的深度，其值由深度计测量；H表示水面距离海底的高度，其值是UUV在指定水域的水面利用测高声纳测得；H0表示测高声纳的测量盲区，即：测高声纳在(0-H0)米的范围内所测高度无效。
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