CN109000838A - 一种适用于全海深auv的浮力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种适用于全海深AUV的浮力测量方法。通过挂载不同质量的下潜抛载P1和P2来得到两个不同的受力方程构成二元一次方程组，对其求解得到全海深AUV无动力下潜的时受力表达式中，粘滞阻力系数D(v)和AUV载体本身的浮力B_AUV这两个未知量，以达到测定全海深AUV在某个深度剖面处的浮力的目的。本发明不仅适用于全海深AUV无动力下潜过程中的浮力测定，还可以适用于深海AUV无纵倾的下潜过程。

Description

一种适用于全海深AUV的浮力测量方法

技术领域

本发明涉及的是一种浮力测量方法，具体地说是一种全海深AUV的浮力测量方法。

背景技术

随着海洋开发的迅猛发展，人类探索海洋的深度也在不断增加，一些适用于深海探测的水下机器人应运而生。世界上目前最深的海域是位于马里亚纳海沟的“挑战者深渊”，吸引着很多海洋探测强国的目光，能够达到挑战者深渊底部的水下机器人则具备全海深作业能力。全海深AUV由于作业深度太大，故其一般采用无动力下潜方式达到指定工作深度，下潜过程中海水的物理参数(温度、盐度、压力、密度等)变化幅度较大，对于AUV载体浮力计算影响的本质是海水密度，而AUV载体本身在海水压力变化和海水温度变化下也会发生体积收缩，导致其排水体积发生变化，由于海水密度增加率和AUV载体的体积收缩率变化不一致，故在AUV下潜过程中其受到的浮力是变化的。由于AUV载体本身各部分材料和形状的多样性，以及影响其排水体积的因素的复杂性，故传统的浮力估算方法并不适用，需要提出一种适用于全海深AUV的浮力测量方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在复杂多变的深海环境下测定AUV浮力的适用于全海深AUV的浮力测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：获取全海深AUV载体本身的质量M_AUV、下潜抛载P1的质量M_P1、下潜抛载P2的质量M_P2、上浮抛载P的质量M_P；

步骤二：测定全海深AUV作业海域的重力加速度g；

步骤三：得到海域海水在深度方向上的物理参数曲线，所述物理参数曲线主要包括压力曲线、温度曲线、密度曲线；

步骤四：通过上述步骤三得到的海水物理参数曲线，得到全海深AUV所处深度剖面处的海水物理参数，计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力B_P1、B_P2、B_P；

步骤五：通过CFD计算，得到全海深AUV载体与下潜抛载P1、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量M_A1，以及全海深AUV载体与下潜抛载P2、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量M_A2；

步骤六：将下潜抛载P1和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v₁以及垂向加速度

步骤七：将下潜抛载P2和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v₂以及垂向加速度

步骤八：通过步骤六、七测得的实验数据，结合全海深AUV无动力下潜受力表达式构建两次无动力下潜过程中全海深AUV在同一深度depth1下的受力状态方程组，具体如下：

令M₁＝M_AUV+M_P1+M_P,M₂＝M_AUV+M_P1+M_P+M_A1,M₃＝M_AUV+M_P2+M_P，M₄＝M_AUV+M_P2+M_P+M_A2,则上式化简为：

则通过上述方程组得到全海深AUV在某一深度depth1下的浮力B_AUV，具体表示如下：

M_AUV为全海深AUV载体本身的质量，M_P1为全海深AUV载体挂载的下潜抛载的质量，M_P为全海深AUV载体挂载的上浮抛载，D(v)为粘滞阻力系数。

步骤四中所述的计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力B_P1、B_P2、B_P，具体包括以下步骤：

4.1、结合步骤三得到此全海深AUV作业海域的海水物理参数曲线，得到此区域海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ₀、温度t₀、压力p₀，以及此区域海面的海水温度t；

4.2、通过步骤一获得的下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P的质量，并查阅其密度ρ₁、ρ₂、ρ，得到其在海面处的排水体积V_P1、V_P2、V_P；

4.3、查阅下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P所用材料的资料，得到其各自的热膨胀系数β_t1、β_t2、β_t和其各自的体积压缩系数β_ω1、β_ω2、β_ω，计算得到在需要计算浮力的深度处其各自的排水体积，具体为：

ΔV_t＝3β_tΔtV₀，其中，Δt＝t-t₀，V₀为其在海面处的体积，ΔV_t为温度变化影响下的抛载体积变化量；

ΔV_p＝β_ωΔpV₀，其中，Δp为压力变化量，V₀为其在海面处的体积，ΔV_p为压力变化影响下的抛载体积变化量；

则抛载在此深度处体积为：

V＝V₀-ΔV_t-ΔV_p，其中，V为抛载在该深度处的排水体积；

4.4、结合步骤4.1得到的海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ₀和步骤4.3得到的下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在需要计算浮力的深度处的排水体积，计算出下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在某一特定深度处的浮力B_P1、B_P2、B_P，具体为：

B＝ρ₀gV

其中，B为此深度处的抛载的浮力，g为此海域的重力加速度，V为抛载在该深度处的排水体积；将三个抛载的相关参数代入上述公式的相关变量中，得到其各自的浮力B_P1、B_P2、B_P。

本发明提供了一种能够在复杂多变的深海环境下测定全海深AUV浮力的方法，因为深海条件下海水物理参数在深度方向变化幅度较大，故全海深AUV在各个深度剖面处受到的浮力也有较大变化，因此传统的浮力计算方法不完全适用。本发明提供了一种利用全海深AUV实现无动力下潜所挂的抛载来测定全海深AUV在各个深度剖面处的受到的浮力的方法。

全海深AUV实现无动力下潜的时受力分为重力、浮力和阻力，具体表达式为：

其中，M_AUV为AUV载体本身的质量，M_P1为AUV挂载的下潜抛载的质量，M_P为AUV挂载的上浮抛载，g为此海域的重力加速度，B_AUV、B_P1、B_P分别为AUV载体本身产生的浮力、下潜抛载P1产生的浮力和上浮抛载P产生的浮力,M_A1为AUV和下潜抛载P1、上浮抛载P构成的整个系统的附加质量，v、分别为全海深AUV无动力下潜过程中的速度和加速度，D(v)为粘滞阻力系数。

上式中，除了粘滞阻力系数D(v)和AUV载体本身的浮力B_AUV为未知量外，其余的量均可以直接或者间接得到。故可通过挂载不同质量的下潜抛载P1和P2来得到两个不同的受力方程构成二元一次方程组，对其求解即可得到粘滞阻力系数D(v)和AUV载体本身的浮力B_AUV这两个未知量，以达到测定全海深AUV在某个深度剖面处的浮力的目的。

附图说明

图1是本发明的适用于全海深AUV测量浮力方法的流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

具体的实施方式分为两大部分：

1、第一部分主要是分析该全海深AUV无动力下潜过程中的受力情况，建立其受力表达式，并逐项考虑当中的系数等。无动力下潜过程中分别受到浮力、重力、阻力，具体受力方程可表示为：

其中，M_AUV为AUV载体本身的质量，M_P1为AUV挂载的下潜抛载P1的质量，M_P为AUV挂载的上浮抛载，g为此海域的重力加速度，B_AUV、B_P1、B_P分别为AUV载体本身产生的浮力、下潜抛载P1产生的浮力和上浮抛载P产生的浮力,M_A1为AUV和下潜抛载P1、上浮抛载P构成的整个系统的附加质量，v、分别为全海深AUV无动力下潜过程中的速度和加速度，D(v)为粘滞阻力系数。

上述提到的变量中，AUV载体本身的质量M_AUV、下潜抛载P1的质量M_P1、上浮抛载P的质量M_P均可以通过测量得到，AUV工作海域的重力加速度加速度g也可测得，下潜抛载P1产生的浮力和上浮抛载P产生的浮力B_P1、B_P可以通过AUV所处深度剖面处的海水物理参数和下潜抛载P1和上浮抛载P本身的物理性质计算得到，具体方法下面会做具体陈述。M_A1为AUV和下潜抛载P1、上浮抛载P构成的整个系统的附加质量，可以通过CFD计算得到，下面提到的M_A2也通过CFD计算得到。v、分别为全海深AUV无动力下潜过程中的速度和加速度，可以通过全海深AUV自身搭载的加速度计以及DVL(或者惯导等其他传感器)得到。粘滞阻力系数D(v)和AUV载体本身的浮力B_AUV为未知量，其中在同一深度剖面处海水的物理参数不变，故在同一深度剖面处粘滞阻力系数D(v)和AUV载体本身的浮力B_AUV为一个常量，故可以通过挂载不同重量的下潜抛载P1、P2进行两次无动力下潜，在同一深度剖面处得到两组不同的速度v和加速度就可以通过解方程来消去粘滞阻力的影响，从而得到AUV载体本身的浮力B_AUV。

2、本发明具体的实施步骤参照图1，可描述如下：

步骤一：通过计算得到全海深AUV载体本身的质量M_AUV、下潜抛载P1的质量M_P1、下潜抛载P2的质量M_P2、上浮抛载P的质量M_P。

步骤二：测定此AUV作业海域的重力加速度g。

步骤三：得到此海域海水在深度方向上的物理参数曲线，主要包括压力曲线、温度曲线、密度曲线等。

步骤四：通过上述步骤三得到的海水物理参数曲线，得到该全海深AUV所处深度剖面处的海水物理参数，进而计算不同的下潜抛载P1、P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力B_P1、B_P2、B_P。

步骤五：通过CFD(计算流体力学)计算，得到全海深AUV载体与下潜抛载P1、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量M_A1，以及全海深AUV载体与下潜抛载P2、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量M_A2。

步骤六：将下潜抛载P1和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth，垂向速度v₁，以及垂向加速度

步骤七：将下潜抛载P2和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth，垂向速度v₂，以及垂向加速度

步骤八：通过步骤六、七测得的实验数据，结合上述提到的全海深AUV无动力下潜受力表达式构建两次无动力下潜过程中全海深AUV在同一深度depth1下的受力状态方程组，具体如下：

令M₁＝M_AUV+M_P1+M_P,M₂＝M_AUV+M_P1+M_P+M_A1,M₃＝M_AUV+M_P2+M_P，M₄＝M_AUV+M_P2+M_P+M_A2,则上式可以化简为：

则通过上述方程组可以得到全海深AUV在某一深度depth1下的浮力B_AUV，具体求解结果如下：

对于上述步骤四中提到的计算下潜抛载P1、P2和上浮抛载P在某一特定深度处的浮力B_P1、B_P2、B_P，具体可分为以下几步：

4.1、结合步骤三得到此全海深AUV作业海域的海水物理参数曲线，得到此区域海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ₀、温度t₀、压力p₀，以及此区域海面的海水温度t。

4.2、通过步骤一测量得到的下潜抛载P1、P2和上浮抛载P的质量，并查阅其密度ρ₁、ρ₂、ρ，得到其在海面处的排水体积V_P1、V_P2、V_P。

4.3、查阅下潜抛载P1、P2和上浮抛载P所用材料的相关资料，得到其各自的热膨胀系数β_t1、β_t2、β_t和其各自的体积压缩系数β_ω1、β_ω2、β_ω，从而计算得到在需要计算浮力的深度处其各自的排水体积(即其自身的体积，由于热胀冷缩效应和压力变化产生的压缩效应，抛载的体积会发生变化)，具体可参照如下公式进行：

ΔV_t＝3β_tΔtV₀，此为温度变化对抛载体积变化的影响，其中，Δt＝t-t₀，V₀为其在海面处的体积，ΔV_t为温度变化影响下的抛载体积变化量；

ΔV_p＝β_ωΔpV₀，此为压力变化对抛载体积变化的影响，其中，Δp为压力变化量，V₀为其在海面处的体积，ΔV_p为压力变化影响下的抛载体积变化量；

则抛载在此深度处体积为：

V＝V₀-ΔV_t-ΔV_p，其中，V为抛载在该深度处的排水体积。

上面提供的公式只是作为一个计算在特定深度处抛载的排水体积的方法，要想得到下潜抛载P1、P2和上浮抛载P在需要计算浮力的深度处的排水体积只需要按上述公式将相应的变量代入即可。

4.4、结合4.1得到的海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ₀和4.3得到的下潜抛载P1、P2和上浮抛载P在需要计算浮力的深度处的排水体积，可计算出下潜抛载P1、P2和上浮抛载P在某一特定深度处的浮力B_P1、B_P2、B_P，具体可参照如下方式进行：

B＝ρ₀gV

其中，B为此深度处的抛载的浮力，g为此海域的重力加速度，V为抛载在该深度处的排水体积。将三个抛载的相关参数代入上述公式的相关变量中，即可得到其各自的浮力B_P1、B_P2、B_P。

本发明不仅适用于全海深AUV无动力下潜过程中的浮力测定，还可以适用于深海AUV无纵倾的下潜过程，假如垂向推进器工作，只需要通过推进器的推力曲线将推力结算出来即可，但是由于通过推力曲线解算得到的推力并不准确且在水池试验中测定的推力曲线本身用在深海环境下也不准确，故这种方法得到的误差较大，但是此种方法可作为深海AUV浮力计算的参考。

Claims (2)

1.一种适用于全海深AUV的浮力测量方法，其特征是：

步骤一：获取全海深AUV载体本身的质量M_AUV、下潜抛载P1的质量M_P1、下潜抛载P2的质量M_P2、上浮抛载P的质量M_P；

步骤二：测定全海深AUV作业海域的重力加速度g；

步骤三：得到海域海水在深度方向上的物理参数曲线，所述物理参数曲线主要包括压力曲线、温度曲线、密度曲线；

步骤四：通过上述步骤三得到的海水物理参数曲线，得到全海深AUV所处深度剖面处的海水物理参数，计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力B_P1、B_P2、B_P；

步骤五：通过CFD计算，得到全海深AUV载体与下潜抛载P1、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量M_A1，以及全海深AUV载体与下潜抛载P2、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量M_A2；

步骤六：将下潜抛载P1和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v₁以及垂向加速度

步骤七：将下潜抛载P2和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v₂以及垂向加速度

步骤八：通过步骤六、七测得的实验数据，结合全海深AUV无动力下潜受力表达式构建两次无动力下潜过程中全海深AUV在同一深度depth1下的受力状态方程组，具体如下：

令M₁＝M_AUV+M_P1+M_P,M₂＝M_AUV+M_P1+M_P+M_A1,M₃＝M_AUV+M_P2+M_P，M₄＝M_AUV+M_P2+M_P+M_A2,则上式化简为：

则通过上述方程组得到全海深AUV在某一深度depth1下的浮力B_AUV，具体表示如下：

M_AUV为全海深AUV载体本身的质量，M_P1为全海深AUV载体挂载的下潜抛载的质量，M_P为全海深AUV载体挂载的上浮抛载，D(v)为粘滞阻力系数。

2.根据权利要求1所述的适用于全海深AUV的浮力测量方法，其特征是步骤四中所述的计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力B_P1、B_P2、B_P，具体包括以下步骤：

4.1、结合步骤三得到此全海深AUV作业海域的海水物理参数曲线，得到此区域海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ₀、温度t₀、压力p₀，以及此区域海面的海水温度t；

4.2、通过步骤一获得的下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P的质量，并查阅其密度ρ₁、ρ₂、ρ，得到其在海面处的排水体积V_P1、V_P2、V_P；

4.3、查阅下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P所用材料的资料，得到其各自的热膨胀系数β_t1、β_t2、β_t和其各自的体积压缩系数β_ω1、β_ω2、β_ω，计算得到在需要计算浮力的深度处其各自的排水体积，具体为：

ΔV_t＝3β_tΔtV₀，其中，Δt＝t-t₀，V₀为其在海面处的体积，ΔV_t为温度变化影响下的抛载体积变化量；

ΔV_p＝β_ωΔpV₀，其中，Δp为压力变化量，V₀为其在海面处的体积，ΔV_p为压力变化影响下的抛载体积变化量；

则抛载在此深度处体积为：

V＝V₀-ΔV_t-ΔV_p，其中，V为抛载在该深度处的排水体积；

4.4、结合步骤4.1得到的海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ₀和步骤4.3得到的下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在需要计算浮力的深度处的排水体积，计算出下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在某一特定深度处的浮力B_P1、B_P2、B_P，具体为：

B＝ρ₀gV

其中，B为此深度处的抛载的浮力，g为此海域的重力加速度，V为抛载在该深度处的排水体积；将三个抛载的相关参数代入上述公式的相关变量中，得到其各自的浮力B_P1、B_P2、B_P。