CN109213179B - 一种全海深auv折线式下潜控制方法 - Google Patents

一种全海深auv折线式下潜控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的是一种全海深AUV折线式下潜控制方法。首先在AUV下潜之前，确定在水下布置的水声定位和通信系统的覆盖范围，并确定AUV在到达指定工作深度处能与水声定位和通信系统正常建立连接的安全距离，由此安全距离确定在折线式下潜过程中所允许的沿纵向偏移的最远距离l。在AUV载体下潜过程中纵向运动距离s等于l时，控制AUV转艏180°，使其反向纵倾下潜。待AUV反向纵倾下潜过程中，在s等于l时，再控制AUV转艏180°，使其反向运动。直到AUV到达指定工作深度。本发明将AUV在下潜过程中的水平面运动范围限制在合理范围内，能保证限定AUV水平面运动范围的圆的圆心始终在一条垂线上，具有很好的抗流能力，提高了全海深AUV的安全性。

Description

一种全海深AUV折线式下潜控制方法
技术领域
本发明涉及的是一种适用于全海深AUV的下潜方法。
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。目前常用的无动力下潜方式有三种：螺旋下潜、无纵倾下潜和纵倾下潜。螺旋下潜和无纵倾下潜可以保证全海深AUV下潜过程中的偏移距离在合理范围内，避免到达指定工作深度时，距离预定工作地点太远。而纵倾下潜则无法保证其偏移距离在合理范围内，增大了全海深AUV下潜过程中超出水下定位和通信系统覆盖范围的风险，可能导致AUV的丢失。全海深AUV在垂向运动距离过大，一般为了减少其垂向阻力而将其设计成立扁体型。而对某立扁体型AUV进行操纵性仿真得知，立扁体AUV在回转运动时，具有较大的阻尼力矩，并且实现螺旋下潜的方式是在全海深AUV尾部一个能打一定倾角的垂直舵，此垂直舵无疑也增加了运动阻力。所以，螺旋下潜对立扁体型全海深AUV并不适用。
全海深AUV的定位与通信依靠水下的水声定位和通信系统，其覆盖范围有限，故必须保证全海深AUV下潜过程中偏移距离较小。全海深AUV下潜过程中的偏移主要来源于AUV载体的纵倾，纵倾会使全海深AUV产生纵向速度，从而产生纵向偏移。因为海流在垂向分布范围很小，故海流的干扰造成AUV载体的位置偏移较小。全海深AUV下潜过程中的纵倾来源两方面：(1)AUV载体水动力布局在纵向不对称；(2)AUV载体各部分结构材料和形状分布不均匀造成下潜过程中浮力变化不均匀，导致浮心与重心不在一条垂线上。此两种因素在全海深AUV设计时候均无法排除，故无法保证全海深AUV在下潜过程中保持无纵倾状态。为了保证全海深AUV载体安全作业，没有任何外界干扰下的AUV载体的纵倾角应该很小，全海深AUV载体在小倾角状态下无法保证纵向偏移方向与倾角方向有必然联系。所以，需要在保证有适当纵倾的情况下保证全海深AUV载体在下潜过程中纵向偏移距离在合理范围内。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高全海深AUV的安全性的全海深AUV折线式下潜控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
步骤一：在海面完成全海深AUV所配置惯导的对准和标定，获得全海深AUV初始位置A(x0,y0,0)；
步骤二：将压载挂在全海深AUV中纵剖面处，使全海深AUV保持一个纵倾角θ；
步骤三：释放所述全海深AUV，使其在全海深AUV所携带压载的作用下无动力以纵倾角θ下潜；
步骤四：实时记录全海深AUV配置的深度计输出的深度信息depth和惯导输出的全海深AUV实时位置信息，计算全海深AUV的实时纵向运动距离s；
步骤五：比较全海深AUV实时纵向运动距离s与全海深AUV下潜过程中允许最大纵向偏移距离l的大小，若满足s≥l，则控制全海深AUV转艏180°，使全海深AUV反向纵倾下潜，反之，继续使其保持原来运动方向；
步骤六：根据所述全海深AUV配置的深度计输出的深度信息depth，判断全海深AUV是否到达预定工作深度depth0，即满足depth≥depth0，若达到预定工作深度，则抛掉所述全海深AUV携带的下潜压载，并控制全海深AUV运动到指定工作地点，若未达到预定工作深度，则重复执行步骤三、四、五、六。
本发明还可以包括：
1.惯导输出的全海深AUV实时位置信息B(x,y,z)，是全海深AUV配置的惯导利用其加速度和速度信息进行推算导航在初始位置A(x0,y0,0)的基础上获得。
2.全海深AUV的实时纵向运动距离s为惯导输出的位置信息B(x,y,z)和全海深AUV初始位置A(x0,y0,0)之间连线在水平面投影的距离，具体计算方法如下：
Figure BDA0001729969850000021
3.允许最大纵向偏移距离l是根据全海深AUV在到达指定工作深度处能与水声定位和通信系统正常建立连接的安全距离S0来确定的，具体关系如下：
l＝aS0
上式中，a为安全系数，满足0＜a≤1。
本发明提供了一种可行的适用于全海深AUV的折线式下潜方法。全海深AUV载体一般采用立扁体型，不适合螺旋下潜。同时，AUV载体在下潜过程中不可避免的存在纵倾(此种情况下纵倾角很小)，纵倾的存在会造成全海深AUV的纵向偏移，若不对所述纵向偏移加以控制可能使所述全海深AUV超出水下水声定位和通信系统覆盖的范围，增加水下定位和通信的风险。全海深AUV载体在小倾角状态下无法保证纵向偏移方向与倾角方向的绝对关系，故小倾角情况下很难控制全海深AUV运动的方向。本发明所述的一种适用于全海深AUV的折线式下潜方法，通过合理安装压载的位置将下潜过程中的纵倾控制在适当范围内，进而可根据纵倾情况判断全海深AUV的运动方向，并能有效保证所述全海深AUV下潜过程中的纵向偏移在合理范围内,从而有效保障了水下定位和通信系统与AUV之间的正常工作，提高了全海深AUV的安全性。
本发明的特点主要体现在：
首先在所述全海深AUV下潜之前，确定在水下布置的水声定位和通信系统的覆盖范围，并确定所述全海深AUV在到达指定工作深度处能与所述水声定位和通信系统正常建立连接的安全距离S0，由此安全距离S0确定在折线式下潜过程中所允许的沿纵向偏移的最远距离l。其中l与S0的关系如下：
l＝aS0
上式中，a为安全系数，满足0＜a≤1，作为所述全海深AUV纵向偏移范围不超出所述水下定位和通信系统覆盖范围的保障，a的值越小则代表所述全海深AUV在下潜过程中所允许的纵向偏移距离越小，则具有的安全性越高。
确定所述全海深AUV下潜过程中允许的纵向偏移距离l后，则在AUV载体下潜过程中纵向运动距离s等于l时，控制所述全海深AUV转艏180°，使其反向纵倾下潜。待所述全海深AUV反向纵倾下潜过程中，在运动距离s等于l时，再控制所述全海深AUV转艏180°，使其反向运动。如此反复，直到所述全海深AUV到达指定工作深度depth0。
本发明具有以下优点：
1、过程简单，操作方便，需要参与的机构较少。本发明将全海深AUV下潜路径近似规划成折线形，只需要监控纵向运动距离并在适当的时候控制AUV转艏方向运动即可。整个操作过程简洁，思路清晰，易于实现。
2、安全高效。本发明从实际出发，考虑了全海深AUV载体下潜过程中不可避免的纵倾造成的不利影响，以水下布置的水声定位和通信系统覆盖范围为参考，设定允许的最大纵向偏移距离l，相当于限定了全海深AUV载体在水平面的运动范围。从而提高了全海深AUV顺利达到预定工作地点并完成与水声定位和通信系统建立连接的保障，提高了全海深AUV作业的安全性和高效性。
3、节约能源。本发明所述的折线式下潜方法，在整个下潜过程中绝大部分时间全海深AUV处于无动力下潜状态(即推进器不工作)，只在全海深AUV需要转艏时推进器才工作。而此阶段时间有限，从而节约了AUV载体携带的能源。
4、具有很好的抗流能力。本发明所述的折线式下潜方法，全海深AUV在水平面的运动范围被限定在一个以l为半径的圆内，且在整个下潜过程中，限定AUV载体运动范围的圆的圆心始终在一条垂线上。
附图说明
图1是全海深AUV折线式下潜示意图。
图2是适用于全海深AUV的折线式下潜方法流程图。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细的描述。
本发明主要针对立扁体型全海深AUV在压载作用下下潜过程中存在的纵倾造成所述全海深AUV载体纵向偏移，提供一种可行的折线式下潜方法将纵向偏移距离控制在合理范围内，所述折线式下潜方法示意图如附图1所示，主要过程如下：
首先在所述全海深AUV下潜之前，确定在水下布置的水声定位和通信系统的覆盖范围，并确定所述全海深AUV在到达指定工作深度处能与所述水声定位和通信系统正常建立连接的安全距离S0，由此安全距离S0确定在折线式下潜过程中所允许的沿纵向偏移的最远距离l。其中l与S0的关系如下：
l＝aS0
上式中，a为安全系数，满足0＜a≤1，作为所述全海深AUV纵向偏移范围不超出所述水下定位和通信系统覆盖范围的保障，a的值越小则代表所述全海深AUV在下潜过程中所允许的纵向偏移距离越小，则具有的安全性越高。
确定所述全海深AUV下潜过程中允许的纵向偏移距离l后，则在AUV载体下潜过程中纵向(即附图1所示X正方向)运动距离s等于l时，控制所述全海深AUV转艏180°，使其反向(即附图1所示X负方向)纵倾下潜。待所述全海深AUV反向纵倾下潜过程中，在附图1所示X负方向运动距离s等于l时，再控制所述全海深AUV转艏180°，使其反向运动。如此反复，直到所述全海深AUV到达指定工作深度depth0。
本发明所述的全海深AUV搭载的传感器有深度计、罗经、惯导、高度计等，还搭载有自动驾驶计算机和抛载机构与推进器等执行机构。罗经能给出AUV载体实时的姿态信息，惯导输出轴向速度信息，结合罗经给出的姿态信息可以推算出全海深AUV实时的位置信息，进而实时计算出所述全海深AUV载体纵向运动距离s。自动驾驶计算机实时监控全海深AUV载体的位置信息和深度信息，并在到达所允许的最大纵向偏移距离l后，控制推进器使AUV载体转艏反向运动。如此反复，直到所述全海深AUV达到指定作业深度。此时，控制抛载机构释放下潜抛载，并控制所述全海深AUV运动到指定作业地点。
本发明所述的全海深AUV载体纵向运动距离s具有如下特征：
所述纵向运动距离s为惯导输出的位置信息B(x,y,z)(即全海深AUV所处的位置)和全海深AUV初始位置A(x0,y0,0)之间连线在水平面投影的距离，具体计算方法如下：
Figure BDA0001729969850000051
本发明所述的一种适用于全海深AUV的折线式下潜方法具体操作流程如附图2所示，包含如下步骤：
步骤一：在海面做好所述全海深AUV的调试工作，并完成AUV所配置惯导的对准和标定，获得AUV初始位置A(x0,y0,0)。
步骤二：将压载挂在中纵剖面处合适位置，使其适当保持一个合适的纵倾角θ。
步骤三：释放所述全海深AUV，使其在全海深AUV所携带压载的作用下以纵倾角θ下潜(此过程不开推进器)。
步骤四：实时记录所述全海深AUV配置的深度计输出的深度信息depth和所述惯导输出的AUV实时位置信息，计算其实时纵向运动距离s。
步骤五：比较步骤二所述的全海深AUV实时纵向运动距离，s与所述全海深AUV下潜过程中允许最大纵向偏移距离l的大小，若满足s≥l，则控制所述全海深AUV转艏180°，使其反向纵倾下潜。反之，继续使其保持原来运动方向。
步骤六：根据所述全海深AUV配置的深度计输出的深度信息depth，判断AUV载体是否到达预定工作深度depth0(即满足depth≥depth0)，若达到预定工作深度，则抛掉所述全海深AUV携带的下潜抛载，并控制AUV运动到指定工作地点。若未达到预定工作深度，则重复所述步骤三、四、五、六。
本发明所述的一种适用于全海深AUV的折线式下潜方法充分考虑了AUV下潜过程中的实际问题，包括纵倾造成的纵向偏移，以及全海深AUV偏移距离过大超出水下布置的水声定位和通信系统覆盖范围的危险情况。从实际出发，将全海深AUV在下潜过程中的水平面运动范围限制在合理范围内，且能保证限定AUV载体水平面运动范围的圆的圆心始终在一条垂线上，具有很好的抗流能力。从而将复杂的问题变得简单，提高了全海深AUV的安全性。

Claims (5)

1.一种全海深AUV折线式下潜控制方法，其特征是：
步骤一：在海面完成全海深AUV所配置惯导的对准和标定，获得全海深AUV初始位置A(x0,y0,0)；
步骤二：将压载挂在全海深AUV中纵剖面处，使全海深AUV保持一个纵倾角θ；
步骤三：释放所述全海深AUV，使其在全海深AUV所携带压载的作用下无动力以纵倾角θ下潜；
步骤四：实时记录全海深AUV配置的深度计输出的深度信息depth和惯导输出的全海深AUV实时位置信息，计算全海深AUV的实时纵向运动距离s；
步骤五：比较全海深AUV实时纵向运动距离s与全海深AUV下潜过程中允许最大纵向偏移距离l的大小，若满足s≥l，则控制全海深AUV转艏180°，使全海深AUV反向纵倾下潜，反之，继续使其保持原来运动方向；
步骤六：根据所述全海深AUV配置的深度计输出的深度信息depth，判断全海深AUV是否到达预定工作深度depth0，即满足depth≥depth0，若达到预定工作深度，则抛掉所述全海深AUV携带的下潜压载，并控制全海深AUV运动到指定工作地点，若未达到预定工作深度，则重复执行步骤三、四、五、六。
2.根据权利要求1所述的全海深AUV折线式下潜控制方法，其特征是：惯导输出的全海深AUV实时位置信息B(x,y,z)，是全海深AUV配置的惯导利用其加速度和速度信息进行推算导航在初始位置A(x0,y0,0)的基础上获得。
3.根据权利要求1或2所述的全海深AUV折线式下潜控制方法，其特征是：全海深AUV的实时纵向运动距离s为惯导输出的位置信息B(x,y,z)和全海深AUV初始位置A(x0,y0,0)之间连线在水平面投影的距离，具体计算方法如下：
Figure FDA0001729969840000011
4.根据权利要求1或2所述的全海深AUV折线式下潜控制方法，其特征是：允许最大纵向偏移距离l是根据全海深AUV在到达指定工作深度处能与水声定位和通信系统正常建立连接的安全距离S0来确定的，具体关系如下：
l＝aS0
上式中，a为安全系数，满足0＜a≤1。
5.根据权利要求3所述的全海深AUV折线式下潜控制方法，其特征是：允许最大纵向偏移距离l是根据全海深AUV在到达指定工作深度处能与水声定位和通信系统正常建立连接的安全距离S0来确定的，具体关系如下：
l＝aS0
上式中，a为安全系数，满足0＜a≤1。
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