CN109018278A - 适用于全海深auv的无纵倾无动力下潜方法及抑制纵倾装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法及抑制纵倾装置。一：AUV姿态处于垂直稳定状态后释放；二：实时监控AUV所配置的罗经输出的纵倾角和纵倾角加速度；三：当纵倾角小于所设阈值时，继续下潜；四：当纵倾角达到所设阈值时，判断纵倾角加速度是否大于预设角加速度阈值，若大于则不予处理，反之则启动抑制纵倾装置；五：再次检测所述全海深AUV的纵倾角是否小于所设阈值，若小于则停止所述抑制纵倾装置的主动调节，反之，则继续上述步骤四；六：重复上述步骤二至五，直至所述全海深AUV下潜到设定的工作深度。本发明依靠自身的装置根据AUV实时的姿态反馈主动抑制其产生的纵倾，使其近似实现无纵倾下潜。

Description

适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法及抑制纵倾装置

技术领域

本发明涉及的是一种AUV的下潜控制方法。

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。全海深自主水下航行器(AUV)下潜距离大，时间长，其一般采用无动力下潜方式达到指定工作深度。因为全海深AUV在垂向运动的距离过大(可达11000米)，故在设计过程中大多会采用垂向阻力较小的立扁体结构，经过对某立扁体型机器人进行操纵性仿真可知，立扁体型AUV在下潜过程中出现纵倾会产生相当大的垂向阻力，并会使纵向产生一个不可忽略的纵向速度。这种纵倾产生的垂向阻力会大大的加长下潜的时间，同时产生的纵向速度也会使AUV偏离预定下潜位置。所以，这种纵倾应该尽量避免。下潜过程中会产生纵倾的因素主要来源于海流的自由扰动和AUV载体本身所受浮力变化不均匀产生的稳定纵倾力矩(在一定深度下)。自由扰动可依靠其自身的回复力矩使其恢复到原来的姿态。而AUV载体本身所受浮力变化不均匀导致的纵倾属于一个持续的强迫扰动，并不能依靠AUV自身做到自动调整。所以，必须对AUV下潜过程中的这种持续的强迫扰动产生的纵倾进行主动控制并消除。

上述提到的强迫扰动产生的原因是：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载体所受浮力影响的本质是海水密度，AUV载体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，导致各浮力变化不一致，进而导致浮心与重心不在一条垂线上，从而产生一个纵倾力矩，使AUV产生纵倾。这种纵倾并不能依靠AUV载体自身来恢复，故本发明提出一种适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜的方法，在下潜过程中可抑制全海深AUV产生的纵倾，进而实现无纵倾下潜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动抑制AUV产生的纵倾，使AUV近似无纵倾下潜的适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法。本发明的目的还在于提供一种全海深AUV的抑制纵倾装置。

本发明的适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法为：

步骤一：在海面调整全海深AUV姿态使其处于垂直稳定状态后释放；所述全海深AUV的中纵剖面处设置由滑块、步进电机及导轨构成的抑制纵倾装置；

步骤二：实时监控所述全海深AUV所配置的罗经输出的纵倾角θ和纵倾角加速度

步骤三：当纵倾角θ小于所设阈值θ₀时，不予处理，继续下潜；

步骤四：当纵倾角θ达到所设阈值θ₀时，判断纵倾角加速度是否大于预设角加速度阈值若大于则不予处理，反之则启动抑制纵倾装置，并根据得到的纵倾角信息控制步进电机的输出，使步进电机驱动所述抑制纵倾装置的滑块移动；

步骤五：再次检测所述全海深AUV的纵倾角θ是否小于所设阈值θ₀，若小于则停止所述抑制纵倾装置的主动调节，反之，则继续上述步骤四；

步骤六：重复上述步骤二、三、四、五，直至所述全海深AUV下潜到设定的工作深度depth₀。

本发明的适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法还可以包括：

1、所述纵倾角θ的阈值θ₀根据全海深AUV载体本身特点以及下潜作业精度范围确定。

2、所述纵倾角加速度的阈值根据全海深AUV载体本身特点和全海深AUV作业海域海流情况确定。

3、利用倾角信息控制所述抑制纵倾装置的步进电机的输出的控制器采用PD控制方法，以所述全海深AUV配置罗经返回的纵倾角θ作为控制器输入，以所述PD控制器的输出作为所述倾抑制纵倾装置的步进电机输入，具体表示为：

其中，ω为步进电机的角位移，K_p和K_d为控制参数。

本发明的全海深AUV的抑制纵倾装置包括滑块、步进电机及导轨，导轨沿纵向布置在全海深AUV中纵剖面处，滑块安装于导轨上，滑块与直线丝杆相配合，步进电机连接直线丝杆，导轨作为滑块沿纵向移动的轨道，直线丝杆在步进电机控制下转动驱动滑块沿导轨移动。

所述滑块为钢制滑块，作为全海深AUV载体可移动的部分，通过改变滑块位置来平衡由于全海深AUV载体各部分浮力变化不均匀产生的纵倾力矩。

本发明提供了一种可行的抑制全海深AUV下潜过程中产生纵倾的方法，立扁体型AUV在下潜过程中产生纵倾会使其垂向阻力增大并且产生纵向漂移，垂向阻力增大会使下潜速度变小，增加下潜时间，这是在作业过程中不愿意看到的。同时，纵向漂移也会使其大范围偏离预定下潜位置，从而增加其水下定位的风险。故全海深AUV下潜应采用无动力无纵倾的方式下潜。全海深AUV在下潜过程中产生纵倾的因素主要有海流的干扰和其自身各部分材料和体积分布不均匀造成的浮力变化分布不均匀导致的浮心位置的偏移，由于AUV前后和上下不对称，故浮心位置会沿纵向和垂向偏移，使AUV载体重心和浮心不在一条垂线上，在一定深度下产生一个稳定的纵倾角。海流的自由扰动造成的纵倾影响会在其自身回复力矩自动抵消，而浮心位置的偏移属于一种持续的强迫扰动，必须进行主动调整才可抵消其影响。本发明提出的方法就是依靠自身的一种装置根据AUV实时的姿态反馈主动抑制其产生的纵倾，使其近似实现无纵倾下潜。

本发明主要分为两部分：第一部分主要是对全海深AUV持续的强迫扰动造成浮心偏移的影响进行分析并设计一种装置抑制其产生的纵倾；第二部分主要是提出一种根据全海深AUV实时的纵倾情况对上述提到的抑制纵倾装置进行控制进而抑制其纵倾的可行性方法。

第一部分：设计抑制由于浮心纵向偏移造成纵倾的装置。

1、本发明所述纵倾抑制装置主要抑制所述全海深AUV无动力下潜过程中由于载体本身各部分材料和形状分布不均匀导致的浮心纵向偏移造成的纵倾，全海深AUV作业深度可达11000米，海水压力、温度、盐度、密度等物理参数在垂向剖面的变化幅度较大，故全海深AUV在下潜过程中受到的浮力会发生变化。全海深AUV在设计上一般前后(即纵向)和上下(即垂向)不对称，并且全海深AUV载体各部分结构材料和形状分布也会不同，所以各部分浮力变化也会不一致。故会出现浮心的纵向偏移和垂向的偏移，造成重心和浮心不在一条垂线上，使其出现纵倾力矩，进而发生纵倾。本发明所述抑制纵倾的装置就是针对由于浮心偏移造成的纵倾。

2、本发明所述的抑制纵倾装置的原理是在全海深AUV的中纵剖面的合适位置处布置一个可控可沿纵向移动的适当重量的滑块，根据AUV载体装配的罗经返回的姿态信息，控制滑块沿纵向移动，进而改变所述全海深AUV载体重心位置，使其与浮心在随体坐标系下在一条垂线上，AUV仍能保持垂直无纵倾下潜。

第二部分：根据AUV载体配置的罗经返回的姿态信息，确定纵倾情况，进而控制所述纵倾抑制装置主动调节所述全海深AUV的姿态，使其实现无纵倾下潜。

本发明主要考虑的是控制全海深AUV无动力下潜过程中由于AUV载体本身浮力变化不均匀导致浮心纵向偏移造成的纵倾，由于立扁体型AUV在下潜过程中纵倾会导致纵向偏移和垂向阻力增大，所以此有害纵倾必须加以控制，以减小全海深AUV下潜过程中运动范围超出定位系统覆盖范围的风险并提高全海深AUV整个工作周期的效率。本发明所述的一种适用于全海深AUV无动力无纵倾下潜方法能在所述全海深AUV在下潜过程中纵倾角θ达到设定的不可忽略的值θ₀时主动调整AUV姿态，并能根据纵倾角加速度大小的情况区分自由扰动和所需要主动控制的AUV载体各部分浮力变化不均匀导致的持续强迫扰动，使控制更加稳定高效。

附图说明

图1、立扁体型全海深AUV示意图。

图2、全海深AUV各部分浮力分布示意图。

图3、一种适用于全海深AUV无动力无纵倾下潜的方法流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明所述的全海深属于立扁体型，具体外形如附图1所示，主要结构如下：

1全海深AUV载体；2挂钩；3天线；4频闪灯；5步进电机；6可移动滑块；7导轨；8直线丝杆；9抛载。

具体的实施方式可分为两大部分：

第一部分：分析全海深AUV无动力下潜过程中产生的原因并设计抑制纵倾装置。

全海深AUV由于垂向运动距离过大，故采用如图1所示的立扁体外形，经操纵性仿真分析知立扁体在下潜过程中产生纵倾会导致纵向的偏移和垂向阻力增大。所以，全海深AUV适合无动力无纵倾下潜。

全海深AUV无动力下潜过程中产生纵倾的原因主要是源于海流的自由扰动和AUV载体本身所受浮力变化不均匀导致。自由扰动可依靠其自身提供回复力矩使其恢复到原来的姿态，而AUV载体本身所受浮力变化不均匀导致的纵倾属于一个持续的强迫扰动，并不能依靠AUV自身做到自动调整。具体所述AUV载体各部分浮力变化不均匀导致纵倾的机理如下：

全海深AUV浮力分布模型可简单的表示为附图2，由图可知，全海深AUV浮力模型可大致分为如图2所示的a、b、c、d四个部分，其各部分浮力的浮心可表示为a(x_a,z_a)、b(x_b,z_b)、c(x_c,z_c)和d(x_d,z_d)，各部分浮力大小各表示为Fa、Fb、Fc、Fd，则全海深AUV的浮心B位置可表示为：

在海面时所述全海深AUV处于稳定垂直状态，此时x_B＝0。原则上各部分浮力大小(即F_a、F_b、F_c、F_d)会变化，各部分浮心位置可能会变，即a(x_a,z_a)、b(x_b,z_b)、c(x_c,z_c)和d(x_d,z_d)可能变化，则由上式可知x_B和z_B可能会变化。此外，重心的位置也可能变化，故会出现所述全海深AUV载体重心和浮心不在一条垂线上而引起的纵倾。因为短时间内AUV在垂向运动距离有限，则海水物理参数变化不明显，AUV产生的纵倾也可忽略。但是随着时间的增加，则所述全海深AUV产生的纵倾角则会造成较大影响，此时应考虑使用所述纵倾抑制装置控制其纵倾。

本发明所述纵倾抑制装置简图如见附图1中的5、6、7、8四部分：

(1)适当质量的钢制滑块：作为全海深AUV载体可移动的部分，通过改变其位置来平衡由于全海深AUV载体各部分浮力变化不均匀产生的纵倾力矩。如附图1中第6部分所示。

(2)导轨：沿纵向布置在所述全海深AUV中纵剖面的适当位置处，作为所述滑块沿纵向移动的轨道。如附图1中第7部分所示。

(3)步进电机：控制滑块沿导轨的移动。如附图1中第5部分所示。

(4)直线丝杆：在步进电机控制下转动以驱动所述滑块沿导轨的移动。如附图1中的8部分所示。

第二部分：根据AUV载体配置的罗经返回的姿态信息，确定纵倾情况，进而控制所述纵倾抑制装置主动调节所述全海深AUV的姿态，使其实现无纵倾下潜。

本发明所述的一种适用于全海深AUV的无动力无纵倾下潜方法流程示意图如附图3所示，具体包含如下步骤：

步骤一：在海面做好准备工作，调整所述AUV姿态使其处于垂直稳定状态，待调试工作完成释放所述全海深AUV。

步骤二：实时监控所述全海深AUV所配置罗经输出的纵倾角θ和纵倾角加速度

步骤三：当纵倾角θ小于所设阈值θ₀时，不予处理，继续下潜。

步骤四：当纵倾角θ达到所设阈值θ₀时，判断纵倾角加速度是否大于某一预设角加速度阈值若大于则不予处理(此种情况为自由扰动，可依靠所述全海深AUV自身具备的回复力矩自动恢复至未受扰动时姿态)。反之则启动所述的抑制纵倾装置，并根据得到的纵倾角信息控制步进电机(如附图所示的5)的输出，使其驱动所述抑制纵倾装置的滑块(如附图1所示的6)移动。

步骤五：再次检测所述全海深AUV的纵倾角θ是否小于所设阈值θ₀，若小于则停止所述抑制纵倾装置的主动调节。反之，则继续上述步骤四。

步骤六：重复上述步骤二、三、四、五，直至所述全海深AUV下潜到设定的工作深度depth₀。

针对本发明所述的一种适用于全海深AUV的无动力无纵倾下潜方法具体实施步骤三、四中所述纵倾角预设阈值θ₀和纵倾角加速度预设阈值具有如下特征：

由于在全海深AUV下潜的过程中，短时间内海水物理参数变化不明显，故所述全海深AUV所受浮力几乎不变化，故全海深AUV在短时间内出现的纵倾角几乎可以忽略不计，或者说此阶段所述全海深AUV具有的纵倾角的影响可不予考虑。因为在下潜过程中全海深AUV的纵倾角是随深度增加而增量式积累的，故只有在所述全海深AUV的纵倾角达到一定值时，去考虑此纵倾角才有意义。由此，据所述全海深AUV本身特征设定阈值θ₀。原则上，此阈值越小则控制精度越高。

对于纵倾角加速度预设阈值设定此阈值的考虑是下潜在短时间内海水物理参数变化不明显，则所述全海深AUV由于各部分浮力变化不均匀引起纵倾的角加速度应该非常小(几乎为零)，纵倾角加速度预设阈值是为了区分海流干扰和浮力变化分布不均匀导致的纵倾，避免误判造成的二次调整。此值的大小依据所述全海深AUV自身特征和所处海域的海流干扰情况而定。

对于步骤四所述的利用倾角信息控制所述抑制纵倾装置的步进电机的输出的控制器具有如下特征：

所述控制器采用PD控制方法，以所述全海深AUV配置罗经返回的纵倾角θ作为控制器输入，以所述PD控制器的输出作为所述抑制纵倾装置的步进电机输入，具体可表示为：

其中，ω为步进电机的角位移，K_p和K_d为控制参数。

Claims (7)

1.一种适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法，其特征是：

步骤一：在海面调整全海深AUV姿态使其处于垂直稳定状态后释放；所述全海深AUV的中纵剖面处设置由滑块、步进电机及导轨构成的抑制纵倾装置；

步骤二：实时监控所述全海深AUV所配置的罗经输出的纵倾角θ和纵倾角加速度

步骤三：当纵倾角θ小于所设阈值θ₀时，不予处理，继续下潜；

步骤四：当纵倾角θ达到所设阈值θ₀时，判断纵倾角加速度是否大于预设角加速度阈值若大于则不予处理，反之则启动抑制纵倾装置，并根据得到的纵倾角信息控制步进电机的输出，使步进电机驱动所述抑制纵倾装置的滑块移动；

步骤五：再次检测所述全海深AUV的纵倾角θ是否小于所设阈值θ₀，若小于则停止所述抑制纵倾装置的主动调节，反之，则继续上述步骤四；

步骤六：重复上述步骤二、三、四、五，直至所述全海深AUV下潜到设定的工作深度depth₀。

2.根据权利要求1所述的适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法，其特征是：所述纵倾角θ的阈值θ₀根据全海深AUV载体本身特点以及下潜作业精度范围确定。

3.根据权利要求1或2所述的适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法，其特征是：所述纵倾角加速度的阈值根据全海深AUV载体本身特点和全海深AUV作业海域海流情况确定。

4.根据权利要求1或2所述的适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法，其特征是：利用倾角信息控制所述抑制纵倾装置的步进电机的输出的控制器采用PD控制方法，以所述全海深AUV配置罗经返回的纵倾角θ作为控制器输入，以所述PD控制器的输出作为所述倾抑制纵倾装置的步进电机输入，具体表示为：

其中，ω为步进电机的角位移，K_p和K_d为控制参数。

5.根据权利要求3所述的适用于全海深AUV的无纵倾无动力下潜方法，其特征是：利用倾角信息控制所述抑制纵倾装置的步进电机的输出的控制器采用PD控制方法，以所述全海深AUV配置罗经返回的纵倾角θ作为控制器输入，以所述PD控制器的输出作为所述倾抑制纵倾装置的步进电机输入，具体表示为：

其中，ω为步进电机的角位移，K_p和K_d为控制参数。

6.一种全海深AUV的抑制纵倾装置，包括滑块、步进电机及导轨，其特征是：导轨沿纵向布置在全海深AUV中纵剖面处，滑块安装于导轨上，滑块与直线丝杆相配合，步进电机连接直线丝杆，导轨作为滑块沿纵向移动的轨道，直线丝杆在步进电机控制下转动驱动滑块沿导轨移动。

7.根据权利要求6所述的全海深AUV的抑制纵倾装置，其特征是：所述滑块为钢制滑块，作为全海深AUV载体可移动的部分，通过改变滑块位置来平衡由于全海深AUV载体各部分浮力变化不均匀产生的纵倾力矩。