CN106394839A - 一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法 - Google Patents

一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下无人航行器安全保护领域，涉及一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法。在密封舱密封工作完成后，实时采集温度传感器和压强传感器的数据，经过补偿和校正后得到气体的温度和压强，由理想气体状态方程得到理想气体体积的变化量ΔV，如果ΔV大于给定的阈值Vset，则发出报警信号，抛载装置上电。本发明具有很高的可靠性，避免了目前常用的以湿敏电阻为传感器的检测装置受潮，发生虚报的情况；对温度传感器进行自适应补偿，避免了因温度传感器的温度滞后性带来的损失；附有抛载装置，在密封性出现异常时，能够主动抛出压载，迅速上浮，应对速度快，最大程度上保护了密封舱内的设备，保证了水下无人航行器的安全。

Description

一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法
技术领域
本发明属于水下无人航行器安全保护领域，涉及一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法。
背景技术
水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)在海洋作业、民用搜救打捞、军事任务等领域扮演了重要的角色。而UUV中的电子电路、仪表设备等不具备防水能力，需要安装在密封舱内，以保证设备的安全。为了保障水下航行器的正常工作，需要对密封舱的密封性能进行实时监控，当密封舱漏水时，应该使UUV尽快上浮，避免造成进一步的损失。
UUV在深水航行时，由于设计、安装等方面的缺陷，导致密封舱漏水的情况时有发生，UUV如果不能及时上浮，导致漏水下沉，会造成UUV沉入海底或丢失。根据现有的技术条件，密封舱内的温度和压强可以通过传感器进行实时的监测，但是气体体积的检测仍是有待解决的难题。
根据理想气体状态方程，质量为m，摩尔质量为M的理想气体，其状态参量压强p(单位Pa)、体积V(单位m3)和绝对温度T(单位K)之间的函数关系为：
其中R是气体常数，n为气体的物质的量(单位mol)。对UUV密封舱进行真空处理后，舱内气体近似于理想气体，适用理想气体状态方程。在近似真空的耐压舱内，气体的总量n可以近似视为常量。
名称为“一种水下耐压舱漏水检测装置”，专利申请号为201210461350.9的中国专利提到了一种结构简单、安装方便的漏水检测装置，但是其在温度降低、舱内气体液化情况下，传感器容易产生虚报；
名称为“一种深海耐压舱漏水的远程检测装置”，专利申请号为201010147912.3的中国专利提到了一种远程实时检测深海耐压舱漏水情况的装置，但其检测电路较为复杂，且需要耐压舱与船上的检测电路通过电缆连接，不适用于UUV，应用范围有限。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法。
本发明的目的是这样实现的：
在密封舱密封工作完成后，实时采集温度传感器和压强传感器的数据，经过补偿和校正 后得到气体的温度和压强，由理想气体状态方程得到理想气体体积的变化量ΔV，如果ΔV大于给定的阈值Vset，则发出报警信号，抛载装置上电。
微控制器与所述的温度传感器、压强传感器之间采用串行通信方式，其中温度传感器和压强传感器输出的数据是未经补偿的温度信号和压强信号，对温度传感器进行自适应动态补偿具体包括：
1)根据温度传感器的输出和数字低通滤波的输出判断温度变化速度,决策是否需要动态补偿；
2)若需要动态补偿，运用温度传感器动态补偿数字滤波器：
其中，x(n)为温度传感器的输出量,yc(n)为动态补偿的输出结果,y(n)为数字温度传感器自适应动态补偿的输出结果,温度传感器动态补偿后的频带拓宽了k倍,τ为数字温度传感器时间常数,τsam为采样间隔，c＝1/τ，b＝kc；
3)根据数字低通滤波器输出yL(n)的二阶差分信息确定拐点i，然后根据i点之后温度传感器的输出量、数字低通滤波器的输出结果以及决策阀值实时搜索动态补偿结束点,中止温度传感器的动态补偿,完成温度传感器的自适应动态补偿。
数据融合模块根据所述经过补偿和校正后得到气体的温度和压强，由理想气体状态方程得到密封舱初始理想气体体积Vori，每间隔时间Td，微控制器重新采集温度传感器和压强传感器的数据，并计算出密封舱内理想气体体积Vn，理想气体体积的变化量ΔV＝Vori-Vn。
所述的抛载装置安装于密封舱外，位于UUV底部，具体包括：安装平台、压载、永磁铁、安装架，其中压载位于安装平台内，吸附于永磁铁下方，永磁铁由安装架固定于安装平台上。
当所述的抛载装置上电启动后，电磁铁上电抵消永磁铁的磁性，压载在重力的作用下脱离UUV，为UUV提供足够的浮力使其上浮自救。
本发明的有益效果在于：
该方法发明涉及的装置，结构简单，体积小，应用广，不仅可以用于UUV，还适用于其他水下密封装置，能够对舱体密封性进行实时监测；具有很高的可靠性，避免了目前常用的以湿敏电阻为传感器的检测装置受潮，发生虚报的情况；对温度传感器进行自适应补偿，避免了因温度传感器的温度滞后性带来的损失；附有抛载装置，在密封性出现异常时，能够主动抛出压载，迅速上浮，应对速度快，最大程度上保护了密封舱内的设备，保证了UUV的安全。
附图说明
图1是密封舱密封性能检测装置及主动保护装置在UUV内示意图。
图2是根据本发明原理设计的抛载装置剖视图。
图3是根据本发明原理设计的抛载装置俯视图。
图4是根据本发明原理设计的密封舱密封性能检测流程图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明公开了一种基于密封舱密封性检测的UUV主动保护方法。控制器在密封舱密封状态下利用温度传感器和压强传感器分别实时检测密封舱内气体压强PA和气体温度TEM，根据理想气体状态方程计算出理想气体体积的变化量ΔV，如果ΔV大于给定的阈值Vset，则发出报警信号，使抛载装置上电启动，抛出压载，UUV自动上浮。本发明能以简单快捷的方式检测出密封舱的密封性，在密封性出现异常时抛载自救，可有效提高UUV的安全性，避免UUV沉海丢失。
一种基于密封舱密封性能检测的水下无人航行器主动保护方法，具体包括密封舱密封性检测和主动保护。
密封性检测装置安装于UUV密封舱内，包括电源、温度传感器、压强传感器、数据融合模块，控制器。数据融合模块与温度传感器、压强传感器之间采用串行通信方式，其中温度传感器和压强传感器输出的数据是未经补偿的温度信号(T)和压强信号(P)。在控制初期,系统控制量大,温度改变迅速,温度传感器需要动态补偿才能达到要求；而在系统稳定情况下,控制量减少,温度改变缓慢,动态补偿噪声会影响温度传感器的测量精度，于是将运用温度传感器自适应动态补偿方法。
温度传感器自适应动态补偿方法如下：
1)根据温度传感器的输出和数字低通滤波的输出判断温度变化速度,决策是否需要动态补偿；
2)若需要动态补偿，运用温度传感器动态补偿数字滤波器，其算法为：
其中，x(n)为温度传感器的输出量,yc(n)为动态补偿的输出结果,y(n)为数字温度传感器自适应动态补偿的输出结果,温度传感器动态补偿后的频带拓宽了k倍,τ为数字温度传感器时间常数,τsam为采样间隔，c＝1/τ，b＝kc；
3)根据数字低通滤波器输出yL(n)的二阶差分信息确定拐点i,然后根据i点之后温度传感器的输出量、数字低通滤波器的输出结果以及决策阀值实时搜索动态补偿结束点,中止温度 传感器的动态补偿,完成温度传感器的自适应动态补偿。
经过补偿和校正后得到气体的温度(TEM)和压强(PA)。数据融合模块根据温度(TEM)和压强(PA)由理想气体状态方程得到密封舱初始理想气体体积Vori，每间隔时间Td，微控制器重新采集温度传感器和压强传感器的数据，并计算出密封舱内理想气体体积Vn，理想气体体积的变化量ΔV＝Vori-Vn。如果ΔV大于给定的阈值Vset，则发出报警信号，抛载装置上电。
抛载装置安装于密封舱外，位于UUV底部，具体包括：安装平台、压载、永磁铁、安装架。其中压载位于安装平台内，吸附于永磁铁下方，永磁铁由安装架固定于安装平台上。当抛载装置上电启动后，电磁铁上电抵消永磁铁的磁性，压载在重力的作用下脱离UUV，为UUV提供足够的浮力使其上浮自救。
参照说明书附图和具体实例对本发明中基于密封舱密封性检测的UUV主动保护方法根据图4流程图做以下详细说明。
本发明中基于密封舱密封性能检测的水下无人航行器主动保护方法，具体包括密封舱密封性检测和主动保护。
密封性检测装置安装于UUV密封舱内，包括电源、温度传感器、压强传感器、数据融合模块，控制器。数据融合模块与温度传感器、压强传感器之间采用串行通信方式。
数据融合模块根据从温度传感器获得的温度信号(T)，以及读取温度传感器的两个校正系数：参考温度(Tref)以及温度的温度系数(Tsen)对温度值进行校正。
为计算方便引入中间变量dT(实际温度与参考温度之差)：
dT＝T-Tref
经过微型控制器校正后得到的实际温度：
TEM＝20°+dT*Tsen (3)
其次，微型控制器根据从压强传感器获得的压强信号(P)，校正后实际的温度(TEM)以及读取的压强传感器的四个校正系数：压强灵敏度(Psen)、压强偏置(Poff)、压强灵敏度的温度系数(TCS)、压强偏置的温度系数(TCO)对压强值进行温度补偿。
实际温度下的压强偏置：
OFF＝Poff+TCO*dT (4)
实际温度下的压强灵敏度：
SENS＝Psen+TCS*dT (5)
在该温度下的实际的压强：
PA＝D2*Psen-OFF (5)
数据融合模块根据温度(TEM)和压强(PA)由理想气体状态方程得到密封舱初始理想气体体积Vori，每间隔时间Td，微控制器重新采集温度传感器和压强传感器的数据，并计算出密封舱内理想气体体积Vn，理想气体体积的变化量ΔV＝Vori-Vn。如果ΔV大于给定的阈值Vset，则发出报警信号，抛载装置上电。
抛载装置安装于密封舱外，如图1所示，位于UUV底部，具体包括：安装平台、压载、永磁铁、永磁铁支架。如图2所示，安装平台固定在UUV底部；压载位于安装平台内，吸附在永磁铁的下方，且压载下方的UUV底部镂空；永磁铁由安装架固定于安装平台上方。如图3所示，永磁铁一共有三块，每块永磁铁中都有通电线圈，连接通电线圈的导线通过安装架上的输线管孔穿出，通过微控制器启动。
在密封舱密封性能良好时，控制器将实时状态发送到计算机控制平台，抛载装置不上电，永磁铁拥有磁性，吸住压载；当密封性能异常时，控制器输出报警信号，抛载装置上电，通电线圈通电，永磁铁消磁失去磁性，压载从UUV底部脱落水中，为UUV提供足够的浮力使其上浮自救。

Claims (5)

1.一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法，其特征在于：在密封舱密封工作完成后，实时采集温度传感器和压强传感器的数据，经过补偿和校正后得到气体的温度和压强，由理想气体状态方程得到理想气体体积的变化量ΔV，如果ΔV大于给定的阈值Vset，则发出报警信号，抛载装置上电。
2.根据权利要求1所述的一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法，其特征在于：微控制器与所述的温度传感器、压强传感器之间采用串行通信方式，其中温度传感器和压强传感器输出的数据是未经补偿的温度信号和压强信号，对温度传感器进行自适应动态补偿具体包括：
1)根据温度传感器的输出和数字低通滤波的输出判断温度变化速度,决策是否需要动态补偿；
2)若需要动态补偿，运用温度传感器动态补偿数字滤波器：
其中，x(n)为温度传感器的输出量,yc(n)为动态补偿的输出结果,y(n)为数字温度传感器自适应动态补偿的输出结果,温度传感器动态补偿后的频带拓宽了k倍,τ为数字温度传感器时间常数,τsam为采样间隔，c＝1/τ，b＝kc；
3)根据数字低通滤波器输出yL(n)的二阶差分信息确定拐点i，然后根据i点之后温度传感器的输出量、数字低通滤波器的输出结果以及决策阀值实时搜索动态补偿结束点,中止温度传感器的动态补偿,完成温度传感器的自适应动态补偿。
3.根据权利要求1所述的一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法，其特征在于：数据融合模块根据所述经过补偿和校正后得到气体的温度和压强，由理想气体状态方程得到密封舱初始理想气体体积Vori，每间隔时间Td，微控制器重新采集温度传感器和压强传感器的数据，并计算出密封舱内理想气体体积Vn，理想气体体积的变化量ΔV＝Vori-Vn。
4.根据权利要求1所述的一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法，其特征在于：所述的抛载装置安装于密封舱外，位于UUV底部，具体包括：安装平台、压载、永磁铁、安装架，其中压载位于安装平台内，吸附于永磁铁下方，永磁铁由安装架固定于安装平台上。
5.根据权利要求1所述的一种基于密封舱密封性检测的水下无人航行器主动保护方法，其特征在于：当所述的抛载装置上电启动后，电磁铁上电抵消永磁铁的磁性，压载在重力的作用下脱离UUV，为UUV提供足够的浮力使其上浮自救。
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