CN109213180A - 立扁体auv下潜过程中的安全抛载及深度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种立扁体AUV下潜过程中的安全抛载及深度控制方法。首先，水面释放的AUV将依靠自身重力下潜，当距底高度为60米时，若此时下潜速度超过2m/s，则立即抛载；否则继续下潜，应抛载高度由操纵性仿真给出，AUV到达应抛载高度后立即抛载。抛载完成后AUV将悬浮于某一高度，若悬浮高度不等于工作高度，则开启垂向推进器，通过Bang‑Bang控制迅速将AUV定位到工作高度，当AUV到达工作高度后，控制器切换为S面控制，使AUV动力定位在工作高度，开始作业。该方法通过大量操纵性仿真数据获得安全抛载高度，提高了抛载的安全性以及准确性，节省了下潜时间，提高了作业效率。

Description

立扁体AUV下潜过程中的安全抛载及深度控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种水下航行器控制方法，具体地说是一种AUV下潜过程中的抛载及深度控制方法。

背景技术

智能水下无人航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)作为高技术水下无人平台，在资源开发、海洋科学、水下救援等领域发挥了重要作用，成为各国重点发展的新型装备。尤其是近些年来，世界各国将目光放在了地球上最深的海洋区域—-深渊，尤其是深渊地区的水样、生物等引起了科学家的兴趣，同时也是目前海洋科学的学术前沿。

全海深潜水器作为深渊科学考察不可或缺的重要装备，美国、日本、中国等国家都设计了成型的全海深潜水器，并完成了马里亚纳海沟试验，未来全海深潜水器必将焕发更强大的生命力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抛载的安全性以及准确性高，能节省下潜时间，提高作业效率的立扁体AUV下潜过程中的安全抛载及深度控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤一：通过水面母船将AUV释放，AUV依靠自身重力下潜；

步骤二：当AUV距离海底高度为60米时，若下潜速度不小于2m/s，则立即抛载；否则继续下潜，AUV到达应抛载高度后立即抛载；

步骤三：抛载完成后，AUV继续运动一段距离即惯性距离s，在海水阻力的作用下缓慢减速，最后悬浮于某一高度即悬浮高度；

步骤四：若步骤三中的悬浮高度等于工作高度，则开启垂向推进器，通过S面控制使AUV动力定位在工作高度；若悬浮高度不等于工作高度，则开启垂向推进器，首先通过Bang-Bang控制迅速将AUV定位到工作高度，随后控制器切换为S面控制，使AUV保持在工作高度，开始作业。

本发明还可以包括：

所述应抛载高度的选取方法为：根据操纵性仿真实验得到不同下潜速度w下抛载时所对应的惯性运动距离s，根据这些仿真数据拟合出一条惯性距离s与抛载时速度w的对应曲线f(w)；根据当前时刻的下潜速度w，通过拟合曲线f(w)得到对应的惯性运动距离s，在距离s的基础上乘以安全系数α，得到应抛载高度hp＝h+α*s，其中h为AUV工作高度。

本发明提供了一种立扁体AUV下潜过程中的安全抛载及深度控制方法。针对立扁体AUV的作业需求，考虑到其下潜时间长、存在触底隐患等问题，提出了一种立扁体AUV在下潜过程中的安全抛载高度计算与深度控制方法。首先，水面释放的AUV将依靠自身重力下潜，当距底高度为60米时，若此时下潜速度超过2m/s，则立即抛载；否则继续下潜，应抛载高度由操纵性仿真给出，AUV到达应抛载高度后立即抛载。抛载完成后AUV将悬浮于某一高度，若悬浮高度不等于工作高度，则开启垂向推进器，通过Bang-Bang控制迅速将AUV定位到工作高度，当AUV到达工作高度后，控制器切换为S面控制，使AUV动力定位在工作高度，开始作业。该方法通过大量操纵性仿真数据获得安全抛载高度，提高了抛载的安全性以及准确性，节省了下潜时间，提高了作业效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

该方法针对全海深AUV特殊的立扁体形状，通过大量操纵性仿真试验数据得到抛载时速度与惯性距离对应曲线，并加入了安全系数，AUV在下潜过程中可以离线获得安全抛载高度，提高了抛载的安全性以及准确性；并且当AUV抛载后的悬浮高度不等于工作高度时，通过Bang-Bang控制迅速将AUV定位到作业高度，节省了下潜时间，提高了作业效率。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的下潜过程示意图；

图3是本发明的立扁体AUV外形正视图；

图4是本发明的立扁体AUV外形俯视图；

图5是本发明的惯性距离s与抛载时下潜速度w的拟合曲线。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的技术方案主要包括以下步骤:

(1)通过水面母船将AUV释放，此时AUV的重力大于浮力，AUV依靠自身重力下潜。

(2)当AUV距离海底高度为60米时，若此时下潜速度不小于2m/s，则立即抛载；否则继续下潜，应抛载高度由操纵性仿真给出，AUV到达抛载高度后立即抛载。

(3)抛载完成后，AUV的重力与浮力相等，AUV将继续运动一段距离(惯性距离s)，在海水阻力的作用下缓慢减速，最后将悬浮于某一高度。

(4)若步骤(3)中的悬浮高度等于工作高度，则开启垂向推进器，通过S面控制使AUV动力定位在工作高度；若悬浮高度不等于工作高度，则开启垂向推进器，首先通过Bang-Bang控制迅速将AUV定位到工作高度，随后控制器切换为S面控制，使AUV保持在工作高度，开始作业。

进一步的，因为AUV依靠重力下潜的速度在短时间内不会有明显变化，AUV下潜过程中的抛载高度分两种情况进行处理:

当AUV距底高度为60米时，判断当前时刻AUV的下潜速度。

(1)若速度w不小于2m/s，则立即抛载；

(2)若速度w小于2m/s，则需要选取一个应抛载高度hp，当AUV下潜到高度hp时，立即抛载。选取方法为：根据操纵性仿真实验得到不同下潜速度w下抛载时所对应的惯性运动距离s，根据这些仿真数据拟合出一条惯性距离s与抛载时速度w的对应曲线f(w)。根据当前时刻的下潜速度w，可以通过拟合曲线f(w)得到对应的惯性运动距离s，在距离s的基础上乘以安全系数α，得到应抛载高度hp＝h+α*s，其中h为AUV工作高度。

进一步的，抛载后，AUV会在无动力的情况下因为惯性继续下潜一段距离s，随后悬浮于某一高度。若悬浮高度等于工作高度h，则开启垂向推进器，通过S面控制使AUV动力定位在工作高度h；若悬浮高度不等于工作高度h，则开启垂向推进器，首先通过Bang-Bang控制迅速将AUV定位到工作高度h，随后控制器切换为S面控制，使AUV保持在工作高度h，开始作业。

针对海底定深作业，设置AUV作业高度h＝10米，惯性距离对应的安全系数α＝1.2，AUV抛载后AUV的重力与浮力平衡。本发明下潜过程中仅考虑垂向下潜运动，下潜速度w一般不会超过2m/s。

1如图1、2所示，当母船抵达目标海域后，通过AUV顶部的吊钩2将AUV1释放，开始下潜。此时AUV的重力大于浮力，AUV可以依靠自身重力向下运动。AUV1上设置有天线3、频闪灯4。

2AUV在下潜过程中可以通过高度计8获得自身距离海底的高度H，通过惯导7得到向下运动的速度w。当AUV距离海底高度为60米时，根据当前时刻AUV的下潜速度w可以分为两种情况:

(1)若速度w不小于2m/s，则立即抛载6；

(2)若速度w小于2m/s，则需要选取一个安全抛载高度hp，当AUV继续下潜到该高度时抛载。hp的选取方法为：根据大量的操纵性仿真实验得到不同下潜速度w下抛载时所对应的惯性运动距离s，根据这些仿真数据拟合出一条惯性距离s与当前速度w下抛载的曲线f(w)(图5)。根据当前时刻的下潜速度w，通过拟合曲线f(w)得到抛载后的惯性运动距离s，在距离s的基础上乘以安全系数α，设置安全抛载高度为hp＝h+α*s，其中h为AUV工作高度。

操纵性仿真实验得到了下列数据:(w,s)＝(0.9,8)，(w,s)＝(1.2,12)，(w,s)＝(1.3,14)，(w,s)＝(1.4,16.5)，(w,s)＝(1.6,20)，(w,s)＝(1.8,26)，(w,s)＝(2,33)。其中w为抛载时的运动速度，s为速度w下抛载所对应的惯性运动距离。根据这些数据点通过多项式拟合得到了如图5所示的拟合曲线，可以离线对惯性运动距离做出预报。

3通过步骤2完成抛载后，AUV的重力与浮力基本平衡，AUV因为惯性会继续向下运动一段距离(步骤2中通过操纵性仿真实验的得到了惯性运动距离s，但因为实际作业跟仿真实验存在一定的出入，所以实际惯性运动距离并不一定等于s)后悬浮于某一高度。再进行一次判断：

(1)若悬浮高度等于工作高度h，则开启垂向推进器5,通过S面控制使AUV动力定位在工作高度h，开始作业。

(2)若悬浮高度不等于工作高度h，则开启垂向推进器，首先通过Bang-Bang控制迅速将AUV定位到工作高度h，随后控制器切换为S面控制，使AUV保持在工作高度h，开始作业。

Claims (2)

1.一种立扁体AUV下潜过程中的安全抛载及深度控制方法，其特征是：

步骤一：通过水面母船将AUV释放，AUV依靠自身重力下潜；

步骤二：当AUV距离海底高度为60米时，若下潜速度不小于2m/s，则立即抛载；否则继续下潜，AUV到达应抛载高度后立即抛载；

步骤三：抛载完成后，AUV继续运动一段距离即惯性距离s，在海水阻力的作用下缓慢减速，最后悬浮于某一高度即悬浮高度；

步骤四：若步骤三中的悬浮高度等于工作高度，则开启垂向推进器，通过S面控制使AUV动力定位在工作高度；若悬浮高度不等于工作高度，则开启垂向推进器，首先通过Bang-Bang控制迅速将AUV定位到工作高度，随后控制器切换为S面控制，使AUV保持在工作高度，开始作业。

2.根据权利要求1所述的立扁体AUV下潜过程中的安全抛载及深度控制方法，其特征是所述应抛载高度的选取方法为：根据操纵性仿真实验得到不同下潜速度w下抛载时所对应的惯性运动距离s，根据这些仿真数据拟合出一条惯性距离s与抛载时速度w的对应曲线f(w)；根据当前时刻的下潜速度w，通过拟合曲线f(w)得到对应的惯性运动距离s，在距离s的基础上乘以安全系数α，得到应抛载高度hp＝h+α*s，其中h为AUV工作高度。