CN107544526A - 油囊式水下滑翔机浮力精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油囊式水下滑翔机浮力控制技术领域，提出了一套油囊式水下滑翔机浮力精确控制方法。本方法以控制油囊式水下滑翔机在上浮观测的任意工作深度中性悬停为目的，建立海洋温盐密剖面模型，根据输入的深度输出对应的海水密度，结合温盐密剖面模型，通过液压泵控制算法，驱动液压泵调整油囊的排水体积，控制水下滑翔机在任意工作深度浮力与重力平衡，同时，加速度传感器信号与压力传感器信号返回主控系统，作为水下滑翔机达到中性悬停的标志。本发明凸显了水下滑翔机能够中性悬停的特点，为水下滑翔机观测技术提供了新的应用方法，使得水下滑翔机能够对海洋内部现象进行原位观测，观测结果更加准确、细致。

Description

油囊式水下滑翔机浮力精确控制方法

技术领域

油囊式水下滑翔机浮力控制技术。

背景技术

水下滑翔机是一种结合了浮标技术和水下机器人技术的自主式水下无人航行器。水下滑翔机由净浮力驱动航行，通过浮力调节机构实现正浮力和负浮力的周期性转换，通过姿态调整机构达到适当的俯仰角，两者结合使水下滑翔机在上浮或下潜的同时向前滑翔运动。水下滑翔机可搭载多种用于海洋观测的传感器，并具备通信系统，可以在浮出水面时进行数据传输与远程控制。水下滑翔机具有目标寻址、随体观测、原位观测、中性体控制的特点，在海洋调查领域具有广阔的应用前景。

绝大多数水下滑翔机的浮力调节机构属于油液压系统，由油囊、液压泵、液压阀、管路、内油箱等组成，油囊安装在水下滑翔机壳体外部，通过管路与内部液压元件相连。当液压泵将内油箱的液压油泵入油囊后，油囊体积增大，从而增大了水下滑翔机的浮力；当液压泵将油囊里的液压油泵入内油箱，油囊体积缩小，则减小了水下滑翔机的浮力。水下滑翔机由主控系统驱动电机，带动液压泵工作，完成对浮力的调节。

到目前为止，水下滑翔机的浮力控制方法主要是在上浮或下潜过程中保持一定的净浮力，在上浮与下潜转换的位置对浮力进行调整，使净浮力的方向反转，反映在水下滑翔机的运动方式上，是以连续的折线形轨迹航行。这种浮力控制方法对于水下滑翔机观测有着一定的局限性，主要表现为在连续上浮、下潜的同时进行观测，导致水下滑翔机不能有效捕捉海洋现象，无法保证对海洋现象的原位观测。所以，基于油囊式水下滑翔机，提出一种能够使水下滑翔机在上浮观测的任意深度中性悬停的浮力控制方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是发明一种油囊式水下滑翔机浮力精确控制方法，能够控制水下滑翔机在水下任意工作深度悬停。

本发明的内容包括：

1.建立海洋温盐密剖面模型，根据输入的深度输出对应的海水密度，在水下滑翔机实际观测中，利用观测结果对温盐密剖面模型进行校正。

2.提出油囊式水下滑翔机浮力系统的液压泵控制算法，根据温盐密剖面模型输出的密度，计算水下滑翔机达到浮力与重力平衡所需的外皮囊油液体积，并将其转化为浮力系统液压泵的转数作为控制参数。

3.设定水下滑翔机中性悬停标志，以设定悬停深度的海水压力为中心设定压力区间，将外部海水压力保持在此区间内作为水下滑翔机达到中性悬停的标志。

附图说明

图1为浮力系统的液压泵控制算法流程图。

图2为水下滑翔机上浮过程中悬停的液压泵转数变化。

图中：1、水下滑翔机在海表面达到中性状态时油囊体积参考零线；2、水下滑翔机在水下一定深度达到中性状态时油囊体积参考零线；3、水下滑翔机下潜时的油囊体积；4、水下滑翔机上浮时的油囊体积。

具体实施方式

1.建立海洋温盐密剖面模型。利用历史观测资料、水下滑翔机初次剖面观测数据等建立基本的温盐剖面模型，得到目标区域海水温度、盐度、密度的垂直分布，在水下滑翔机后续的水文剖面观测中，针对海洋要素的变化，利用观测结果对温盐密模型进行校正。

2.提出浮力系统的液压泵控制算法。

1)由压力试验，标定水下滑翔机的耐压壳体在不同水压下的体积V₂；

2)按照海表面的海水密度和常压下的水下滑翔机体积，取外皮囊油量变化范围的一个中间值V₀₁，作为水下滑翔机中性体状态时的参考值；

3)根据不同深度h的海水密度ρ，由Mg＝ρg(V₂+V₀₂)，计算水下滑翔机在不同深度，保持浮力重力相等所需要的外皮囊排水体积V₀₂

V₀₂＝M/ρ-V₂；

4)由液压泵的转数和排量V计算油囊体积变化，当水下滑翔机在海表面，控制液压泵转动n₁，油囊体积减小n₁×V，浮力小于重力，水下滑翔机开始下潜；到达最大工作深度时，液压泵转动n₂，油囊体积增大n₂×V，浮力大于重力，水下滑翔机开始上浮；如图2所示，水下滑翔机在不同深度达到中性状态，油囊体积的参考零线会变化(V₀₁-V₀₂)，所以到达设定悬停深度h时，为调整浮力等于重力，油囊体积需减小

V’＝(n₂×V-n₁×V)+(V₀₁-V₀₂)

与之对应的浮力系统液压泵转动的圈数为

n＝n₂-n₁+(V₀₁-M/ρ+V₂)/V

考虑到液压泵功率损失以及其他搭载仪器引起的浮力变化等问题，修正液压泵的转数为n’＝α×n，通过下潜实验得到系数α的值。

3.水下滑翔机到达设定的悬停深度时，主控系统控制与液压泵相连的电机转动n’，检测传感器将电机转数作为反馈返回主控系统，形成闭环控制；以设定悬停深度的海水压力为中心设定压力区间，压力传感器测量水下滑翔机外部海水压力并返回给主控系统，将外部海水压力保持在此区间内作为水下滑翔机达到中性悬停的标志。

Claims (3)

1.建立海洋温盐密剖面模型。其特征在于：根据历史数据资料和现场观测数据，获取观测海区温度、盐度、密度随深度的变化特征与规律，形成温盐密基本模型，根据输入的深度输出对应的海水密度；水下滑翔机在每一次剖面观测后，利用观测结果校正温盐密模型。

2.油囊式水下滑翔机液压泵控制算法。其特征在于：由温盐密剖面模型输出的密度，以及实验所得水下滑翔机在不同深度下的体积，计算出水下滑翔机在水下一定深度保持浮力与重力平衡所需要调整的油囊排水体积，进而计算出浮力系统液压泵的转数作为控制参数，并针对液压泵功率损失以及其他搭载仪器引起的浮力变化等问题，对液压泵转数进行校正，最终由主控系统控制液压泵做出相应的动作。

3.设定水下滑翔机中性悬停标志。其特征在于：水下滑翔机搭载压力传感器，测量外部海水压力，压力传感器信号返回主控系统；以设定悬停深度的海水压力为中心设定压力区间，将外部海水压力保持在此区间内作为水下滑翔机达到中性悬停的标志。