CN111348160A - 一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法,由于全海深ARV下潜至马里亚纳海沟后，工作环境海水压力增大、温度降低对载体结构和补充电器绝缘油体积变化产生影响。海水密度增大以及重量加速度变化，会改变机器人浮力状态。通过公式推导并结合“海斗号”深潜数据和补偿油实验室数据，获得全海深ARV浮力配平计算方法。其主要包括海水密度测算、马里亚纳海沟重力加速度测算、机器人结构和补偿油排水体积变化测算。以此为浮力配平依据，“海斗号”完成多次马里亚纳海沟深潜，保障机器人工作环境中浮力与重力的匹配。此配平方法为全海深大深度水下机器人浮力配平提供了理论计算依据。

Description

一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法

技术领域

本发明涉及浮力匹配和水下机器人控制，更具体地说是一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法。

背景技术

海洋中深度大于6500米的海域被称为“深渊”，深渊区域大深度、超高压极限工作环境对于水下机器人是十分严峻的挑战，因此人类对深渊的认知还在初级阶段。目前海洋深渊探索是水下机器人的一个重要发展方向。深渊水下机器人领域仅美国的Nereus HROV、日本的Kaiko ROV]和中国的“海斗号”在马里亚纳海沟完成过万米无人深潜。

ARV是自主遥控水下机器人(Autonomous and Remotely Operated Vehicle)的简称，其特点为集合AUV和ROV部分技术为一体的水下机器人。ARV的ROV工作模式与传统ROV相比，作业范围增大、母船甲板系统简化、对母船支持要求降低但作业能能力也相应减弱[8]。ARV的AUV工作模式，其特点为巡航作业时可进行实时监控，一旦发现兴趣点，即可切换为ROV模式进行机械手作业。

本文研究对象为全海深ARV即“海斗号”，其最大工作深度为11000米，主要目标工作区域为深渊海沟，拥有小范围巡航探测能力。水下机器人浮力状态会影响其航行效率、定点作业能力，目前国内“蛟龙号”“深海勇士号”、日本的“SHINKAI6500”、美国的“ALVIN”，其浮力调节原理都是通过液压系统调节压舱水，这种浮力调节系统较为复杂，不适用于小型无人水下机器人。6000米以浅UUV浮力调节通常通过撒铅粒改变重力，或者利用电机、高压气体推动活塞改变排水体积，因此这几种方式不适合11000米的ARV水下机器人。传统AUV根据计算水下机器人压缩量以及不同深度下浮力的增加，可以预估出工作深度所需的浮力配平，再通过海上试验的方式进行校核。

“海斗号”ARV与传统AUV浮力配平存在三点特殊性。首先深度达到11000米；其次，ARV内部电子控制单元多为充油补偿舱体，计算载体结构体积压缩以及浮力增加时与传统AUV不同；最后，ARV有一根可以与水面甲板单元实时通信的微细光纤，可经过一次下潜，依据推进器参数反推出ARV浮力配置，从而矫正浮力配平计算。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，针对全海深ARV下潜至马里亚纳海沟后，工作环境海水压力增大、温度降低对载体结构和补充电器绝缘油体积变化产生影响，海水密度增大以及重量加速度变化，会改变机器人浮力状态。提出一种通过公式推导并结合“海斗号”深潜数据和补偿油实验室数据，获得全海深ARV浮力配平计算方法。其主要包括海水密度测算、马里亚纳海沟重力加速度测算、机器人结构和补偿油排水体积变化测算。以此为浮力配平依据，“海斗号”完成多次马里亚纳海沟深潜，保障机器人工作环境中浮力与重力的匹配。此配平方法为全海深大深度水下机器人浮力配平提供了理论计算依据。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定海洋水下机器人自身参数，以及其工作区域和深度；

步骤2：受力分析建立工作深度下水下机器人垂直方向重力浮力平衡方程；

τ_d＝G_d+F_d+f_d

其中，τ_d为待计算的d深度下所需配置合力，对于水下机器人浮力配平，τ_d的期望值为0；G_d为d深度下目标所受重力

m_a为机器人第a个零部件的质量，F_d为d深度下所受推进器垂向推力，在水下机器人浮力配平时，载体推进器F_d设定为0；f_d为d深度下载体所受浮力，

ρ_d为工作区域海水密度，g_Фd为工作海域的重力加速度，V_aTd为工作深度下排水体积变化；

步骤3：根据海洋表面重力加速度估算水下机器人工作海域的重力加速度g_Фd；

步骤4：通过历次下潜数据测算工作区域海水密度ρ_d；

步骤5：计算水下机器人工作深度下排水体积变化V_aTd；

步骤6：将机器人工作深度下的重力加速度g_Фd、海水密度ρ_d、排水体积变化V_aTd代入垂直方向重力浮力平衡方程，获取待计算的d深度下所需配置合力τ_d；

步骤7：控制器按照计算的所需配置合力τ_d输出控制指令给驱动电机，从而控制水下机器人的浮力配平位姿。

所述自身参数包括水下机器人的尺寸参数，工作区域参数为对应深度下的海水密度、温度。

所述估算水下机器人工作海域的重力加速度，包括：

g_Фd＝g‘_Ф0(1-2.263157810^-7dm^-1)

其中，忽略海沟底部地形影响，假定海沟重力加速度与深度成正比，g_Фd为深度d海域的重力加速度的估算值，g‘_Ф0为通过海上重力加速度计算模型DTU13获取的海洋表面重力加速度。

所述工作区域海水密度的测算包括：通过传感器多次测量海水温度、盐度、电导率，结合海水密度计算公式并查参数表获取。

所述计算水下机器人工作深度下排水体积变化包括：

所述水下机器人ARV零部件体积变化受到压强与温度的影响，万米ARV下潜至海沟过程中，机器人载体有充分的时间与海水进行热量交换，当ARV到达工作深度后，ARV零部件温度与环境温度相同，则排水体积变化与压强相关；

将影响水下机器人体积变化的零部件分为实心固体、耐压舱体、补偿仓体的电器绝缘油三类，分别计算排水体积变化；

假设ARV包含i个密度均匀零部件、j个耐压舱体、k种电器绝缘油，因此ARV工作环境下排水体积为：

所述实心固体体积变化的计算，包括；

实心固体体积变化计算公式为：

其中，V_a0为标准环境下零部件体积，△T_d为d深度下海水环境与标准环境温度差值，△P_d为d深度下海水环境与标准环境压强差值，所述实心固体通常为单一物质材料，通过查表获取热膨胀系数β_a和体积弹性模量K_a。

所述耐压舱体排水体积变化的计算包括：

潜水器耐压舱形状为球形、垂直端面圆柱形、球形端面圆柱体，球形和垂直端面圆柱形可视为球形端面圆柱体l为零和球半径为零的简化模型；

耐压舱体积计算公式为：

其中，V_a0为标准状态下耐压舱原始体积，△R_aS2、△R_aC2、△l_a分别为R_aS2、R_aC2、l_a受到深海高压作用和低温作用的变化量，R_aC1为垂直端面圆柱形的内径，R_aC2为垂直端面圆柱形的外径，R_aS1为球形的内径，R_aS2为球形的外径；

其中，△T_d为d深度下海水环境与标准环境温度差值，△P_d为d深度下海水环境与标准环境压强差值，通过查表获取热膨胀系数β_a。

所述补偿仓体的电器绝缘油的排水体积变化的计算包括：

采用T.Tsubouchi的试验方法，通过高精度柱塞泵配合直线电阻计，已知柱塞空腔面积，获取电器绝缘油体积变化。

本发明具有以下有益效果及优点：

本发明方法通过公式推导并结合“海斗号”深潜数据和补偿油实验室数据，获得全海深ARV浮力配平计算方法。其主要包括海水密度测算、马里亚纳海沟重力加速度测算、机器人结构和补偿油排水体积变化测算。以此为浮力配平依据，“海斗号”完成多次马里亚纳海沟深潜，保障机器人工作环境中浮力与重力的匹配。此配平方法为全海深大深度水下机器人浮力配平提供了理论计算依据。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明方法的水下机器人耐压舱；

图3为不同压力下Diala S4ZX-A电气绝缘油的弹性模量；

图4为不同压力下Diala S4ZX-A电气绝缘油的压缩率；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

浮力配置对水下机器人至关重要，ARV中性浮力是航行和作业的效率最优点ARV浮力配置偏离越大，推进器需要提供垂直方向分量越大，机器人航行效率越低。本文研究浮力配平计算，因此仅考虑机器人垂直方向受力。

如图1所示，方法流程步骤包括：

步骤1：确定海洋水下机器人自身参数，以及其工作区域和深度；

步骤2：受力分析建立工作深度下水下机器人垂直方向重力浮力平衡方程；

步骤3：根据海洋表面重力加速度估算水下机器人工作海域的重力加速度；

步骤4：通过历次下潜数据测算工作区域海水密度；

步骤5：计算水下机器人工作深度下排水体积变化；

步骤6：将机器人工作深度下的重力加速度、海水密度、排水体积变化代入垂直方向重力浮力平衡方程，获取待计算的d深度下所需配置合力；

步骤7：控制器按照计算的所需配置合力输出控制指令给驱动电机，从而控制水下机器人的浮力配平位姿。

具体包括：

假设深渊海洋流动对载体纵向受力影响为0，然后对载体垂直方向进行力学分析，得到垂向静力学平衡方程。

τ_d＝G_d+F_d+f_d (1)

其中，τ_d为d深度下所需配置合力，对于水下机器人浮力配平，τ_d的期望值为0；G_d为d深度下目标所受重力，F_d为d深度下所受推进器垂向推力，在水下机器人浮力配平时，载体推进器F_d设定为0；f_d为d深度下载体所受浮力。由于机器人零部件繁多、材料结构形式多样，并且补偿舱内部电气绝缘油体积压缩值是通过实验数据拟合计算得出，微小偏差不可避免，因此需要实验修复偏差。

ARV所受重力：

其中，g_Фd是纬度为Ф，深度为d的重力加速度。

根据G_d公式可以看出，G_d与载体质量和重力加速度相关，载体零部件质量为固定值，不会随着位置而变化，ARV重力分量与所在纬度和目标深度相关。ARV水下机器人是由n个零部件组成，第a个零部件在机器人安装时都会测量其质量记作m_a，则g_Фd就成为计算的关键。

ρ_d为海水深度为d的海水密度，V_aTd为第a个零部件，在海水深度为d时的体积，ARV零部件体积V_aTd与外部压力和温度的相关。

ARV载体平衡态时：

根据平衡方程可以看出，其中重力加速度、机器人零部件体积和海洋海水密度是方程的三个变量，可以根据(4)从而计算水下机器人配平铅块的质量。

根据水下机器人设计经验，其中密度变化百分比最大，对平衡方程影响权重最大，因此海水密度的准确计算对水下机器人至关重要。

通过测量的海水温度、盐度、电导率可计算出海水密度，密度计算公式为：

其公式参数可查阅SEASOFT-Win32:SBE Data Processing。

g_Фd为深度d海域的重力加速度，海洋深渊海域地形目前还无精确测量，更无从知晓对重力加速度的影响，只能通过已有数据进行估算。首先通过海上重力加速度计算模型DTU13[11]进行海洋表面g‘_Ф0重力加速度计算。

根据以上公式，将沈自所、马里亚纳海沟经纬度、海拔高度带入相应公式即可得到：

表1建造地与试验地重力加速度

假设重力加速度与深海垂直深度成线性关系，根据美国全国海洋学数据中心(NODC)马里亚纳海沟浅海重力加速度数据，即可推算出深海重力加速度，g_Фd重力加速度计算公式为：

g_Фd＝g‘_Ф0(1-2.263157810^-7d m-1) (6)

忽略海沟底部地形影响，假定海沟重力加速度与深度成正比，通过以上公式推算得出重力加速度估算值，深渊处重力加速度精确计算方法有待进一步研究。抛载上浮压载在后平衡公式中重力加速度都已计算得出。上浮压载为固体实心金属块，其体积会随着温度和压强而变化。

ARV零部件体积变化主要受到压强与温度的影响。万米ARV下潜至海沟过程中，机器人载体有充分的时间与海水进行热量交换，当ARV到达工作深度后，假设ARV零部件温度与环境温度相同。

根据体积变化的计算方法，可将全海深ARV零部件分为3类。

a、实心固体，例如全海深浮力材料、机器人龙骨框架合金、传感器连接件等。

b、耐压舱体，例如CTD、深度计、高度计、惯导耐压舱、声学设备耐压舱等。

c、补偿舱体，例如控制单元补偿舱、推进器补偿舱等。补偿舱是由壳体、内部电子元器件零件、电器绝缘油、补偿器构成，其中电器绝缘油的体积变化是补偿舱体积变化的关键因素。

补偿舱内部除绝缘油外，其零件体积变化计算方法与实心固体计算方式一致。

实心固体和耐压舱体零部件以及补偿舱电器绝缘油体积计算方法：

ARV包含i个密度均匀零部件、j个耐压舱体、k种电器绝缘油，因此ARV工作环境下排水体积为：

耐压舱体的体积变化不仅受自身材料影响，而且与结构形式相关，耐压舱结构形式如图2所示。

潜水器耐压舱不外乎为球形、垂直端面圆柱形、球形端面圆柱体，球形和垂直端面圆柱形可视为球形端面圆柱体l为零和球半径为零的简化模型。

体积变化主要受温度差和压强差影响，实心固体体积变化为：

其中，V_a0为标准环境下零部件体积，△T_d为d深度下海水环境与标准环境温度差值，△P_d为d深度下海水环境与标准环境压强差值，通过查表获取热膨胀系数β_a和体积弹性模量K_a。

根据圆柱体和球体体积公式，将第j个耐压舱标准环境下体积与深海工作环境下体积做差，即可得到耐压舱体积减小量。

耐压舱体积计算公式为：

其中，V_a0为标准状态下耐压舱原始体积，△R_aS2、△R_aC2、△l_a分别为R_aS2、R_aC2、l_a受到深海高压作用和低温作用的变化量。

其中，△T_d为d深度下海水环境与标准环境温度差值，△P_d为d深度下海水环境与标准环境压强差值，通过查表获取热膨胀系数β_a，E_a为弹性模量、μ为泊松比。

公式(9)、公式(10)、公式(11)、公式(12)联合即可计算出工作环境下耐压舱体积。

ARV水下机器人航行控制单元、避碰单元、推进单元、应急单元、控制电池、动力电池都放置在主动补偿舱内，全部动力传动单元都通过补偿舱进行密封，补偿舱大约占ARV全部质量的30％。ARV内部电缆也采用被动补偿缆。因此电器绝缘油的体积变化对ARV整体浮力变化产生影响。

当压强增加或者温度降低，补偿舱内部油品体积减小，需要预先计算出减小的体积，并按照一定安全系数确定油品补偿量，从而保证补偿舱内外压平衡。电器绝缘油是通过多种无硫基础油调制而成，其弹性模量会随着液体压强的不同而变化。为揭示电器绝缘油体积与压强的关系，进行电器绝缘油压缩试验，借鉴T.Tsubouchi的试验方法，通过高精度柱塞泵配合直线电阻计，并且已知柱塞空腔面积，即可得到不同压力下润滑油体变化量。实验过程中每5MPa为一单位进行升压，待升压平稳后读取直线传感器，根据柱塞空腔面积即可求出体积变化，从而计算出体积模量和电气绝缘油压缩率(即为电气绝缘油弹性模量K′)。

ARV所采用Diala S4ZX-A电气绝缘油弹性模量和压缩率如图3、图4所示，图中红蓝两条曲线分别为升压和降压阶段。

根据实验数据可以看出，电气绝缘油弹性模量随着压力增大而增大，20MPa以下弹性模量随压力升高较快，20MPa至120MPa过程中斜率基本保持不变。

根据图可以看出，压缩率曲线随压力增大不断减小，但由于压缩率变化小，减小趋势不明显，因此给出每5MPa的压缩率。

随着压力增加每5MPa压缩率逐渐降低，并且升压阶段与降压阶段不能完全重合。环境压力120MPa时，将绝缘油每段压缩率相加，即可得到最大压缩率为6.457％。即求得电气绝缘油弹性模量K′。

为计算工作环境下，温度对电器绝缘油体积的影响，需要测定环境温度与标准温度间的热膨胀系数。ASTM D1903标准中查询热膨胀实验计算方法，如公式(16)所示：

其中，ρ_l为低温油密度，ρ_h为高温油密度，△T为温度差，β′为电器绝缘油热膨胀系数。

将计算获取的电器绝缘油热膨胀系数β′和电气绝缘油弹性模量K′代入公式

其中，V_a0为标准环境下零部件体积，△P_d为d深度下海水环境与标准环境压强差值。

根据ASTM D1903标准，电器绝缘油的热膨胀系数可通过测量不同温度下密度得到，温度间隔不大于14℃、不小于5℃，并且都要小于90℃。

综合以上，即可完成重力加速度计算，海水密度变化计算，载体排水体积变化计算，载体重量变化计算，将计算得到浮力与重力带入公式(1)当中即可完成对工作环境下水下机器人的浮力配平。

综上所述，本发明给出了一种可用于全海深区域工况下，水下机器人浮力重力配平计算方法。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定海洋水下机器人自身参数，以及其工作区域和深度；

步骤2：受力分析建立工作深度下水下机器人垂直方向重力浮力平衡方程；

τ_d＝G_d+F_d+f_d

其中，τ_d为待计算的d深度下所需配置合力，对于水下机器人浮力配平，τ_d的期望值为0；G_d为d深度下目标所受重力

m_a为机器人第a个零部件的质量，F_d为d深度下所受推进器垂向推力，在水下机器人浮力配平时，载体推进器F_d设定为0；f_d为d深度下载体所受浮力，

ρ_d为工作区域海水密度，g_Фd为工作海域的重力加速度，V_aTd为工作深度下排水体积变化；

步骤3：根据海洋表面重力加速度估算水下机器人工作海域的重力加速度g_Фd；

步骤4：通过历次下潜数据测算工作区域海水密度ρ_d；

步骤5：计算水下机器人工作深度下排水体积变化V_aTd；

步骤6：将机器人工作深度下的重力加速度g_Фd、海水密度ρ_d、排水体积变化V_aTd代入垂直方向重力浮力平衡方程，获取待计算的d深度下所需配置合力τ_d；

步骤7：控制器按照计算的所需配置合力τ_d输出控制指令给驱动电机，从而控制水下机器人的浮力配平位姿。

2.根据权利要求1所述的一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，所述自身参数包括水下机器人的尺寸参数，工作区域参数为对应深度下的海水密度、温度。

3.根据权利要求1所述的一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，所述估算水下机器人工作海域的重力加速度，包括：

g_Фd＝g‘_Ф0(1-2.263157810^-7d m^-1)

其中，忽略海沟底部地形影响，假定海沟重力加速度与深度成正比，g_Фd为深度d海域的重力加速度的估算值，g‘_Ф0为通过海上重力加速度计算模型DTU13获取的海洋表面重力加速度。

4.根据权利要求1所述的一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，所述工作区域海水密度的测算包括：通过传感器多次测量海水温度、盐度、电导率，结合海水密度计算公式并查参数表获取。

5.根据权利要求1所述的一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，所述计算水下机器人工作深度下排水体积变化包括：

所述水下机器人ARV零部件体积变化受到压强与温度的影响，万米ARV下潜至海沟过程中，机器人载体有充分的时间与海水进行热量交换，当ARV到达工作深度后，ARV零部件温度与环境温度相同，则排水体积变化与压强相关；

将影响水下机器人体积变化的零部件分为实心固体、耐压舱体、补偿仓体的电器绝缘油三类，分别计算排水体积变化；

假设ARV包含i个密度均匀零部件、j个耐压舱体、k种电器绝缘油，因此ARV工作环境下排水体积为：

6.根据权利要求5所述的一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，所述实心固体体积变化的计算，包括；

实心固体体积变化计算公式为：

其中，V_a0为标准环境下零部件体积，△T_d为d深度下海水环境与标准环境温度差值，△P_d为d深度下海水环境与标准环境压强差值，所述实心固体通常为单一物质材料，通过查表获取热膨胀系数β_a和体积弹性模量K_a。

7.根据权利要求5所述的一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，所述耐压舱体排水体积变化的计算包括：

潜水器耐压舱形状为球形、垂直端面圆柱形、球形端面圆柱体，球形和垂直端面圆柱形可视为球形端面圆柱体l为零和球半径为零的简化模型；

耐压舱体积计算公式为：

其中，V_a0为标准状态下耐压舱原始体积，△R_aS2、△R_aC2、△l_a分别为R_aS2、R_aC2、l_a受到深海高压作用和低温作用的变化量，R_aC1为垂直端面圆柱形的内径，R_aC2为垂直端面圆柱形的外径，R_aS1为球形的内径，R_aS2为球形的外径；

其中，△T_d为d深度下海水环境与标准环境温度差值，△P_d为d深度下海水环境与标准环境压强差值，通过查表获取热膨胀系数β_a。

8.根据权利要求5所述的一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，其特征在于，所述补偿仓体的电器绝缘油的排水体积变化的计算包括：

采用T.Tsubouchi的试验方法，通过高精度柱塞泵配合直线电阻计，已知柱塞空腔面积，获取电器绝缘油体积变化。

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