CN112208721B - 一种基于水池的水下滑翔机配平方法 - Google Patents
一种基于水池的水下滑翔机配平方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及海洋机器人，尤其是一种基于水池的水下滑翔机配平方法。本发明的配平方法具备低成本、高效率、简单化、智能化等特点，采用软件、电气控制、机械专业相结合的智能调节方式，以软件为主导智能分析计算，电气控制(电子罗盘、电位计等)作为闭环反馈，机械作为辅助操作，大大提高水下滑翔机海试前的调试效率，简化重复、低技术含量的劳动量，对于批量水下滑翔机的生产节省大量的人力、物力、财力。
Description
技术领域
本发明涉及海洋机器人，尤其是针对依靠自身浮力变化来驱动的水下滑翔机的一种水下滑翔机在水池使用的配平方法。
背景技术
水下滑翔机是一种无外挂推进装置，结合浮标、潜标与机器人技术，依靠自身浮力驱动的新型水下移动观测平台。水下滑翔机具有运动可控、噪声低、能耗低、成本低、续航力强、同步性好等特点，已逐渐成为一种通用的水下观测平台。
由于水下滑翔机在海洋中工作，受自身浮力与重力影响很大，为满足科研需求，需要通过水池配平来调整并设定水下滑翔机在水中的各种姿态，但是目前的配平方法通常采用纯人工计算的方式，缺少人机交互的环节，没有闭环反馈，在配平过程中，人为的失误会对试验造成很大的影响，导致配平精度低，影响水下滑翔机的自动控制。
发明内容
针对上述技术不足，本发明的目的是提供一种水下滑翔机在水池使用的配平方法。本发明大大提高水下滑翔机海试前的调试效率，简化重复、低技术含量的劳动量，对于批量水下滑翔机的生产节省大量的人力、物力、财力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于水池的水下滑翔机配平方法，包括以下步骤：
1)建立水下滑翔机载体模型，并提取载体与水接触的零部件，建立材料特性为水的浮力模型，设计浮力块及布置安装位置并使浮力模型的浮心位置保持不变，用于抵消海水与淡水密度差造成的浮力差；
2)划分配重区域并记录配重区域坐标，并根据载体模型获得理论质心坐标；
3)通过载体模型与浮力模型进行初配，保证浮力与重力之差小于阈值，且载体重心在浮心之下；
4)将初配后的水下滑翔机载体安装浮力块并放入水池，控制载体的俯仰机构使载体艏部朝下并垂直；然后根据浮力电位计调节浮力状态，使载体在水面处于悬浮状态，并且载体艉部末端与水面持平，此时通过获取浮力电位计变化量得到载体体积量V，进而得出偏差配重质量M1，根据力矩平衡原理得出艏部配重增减质量M2与艉部配重增减质量M3；
5)从水池中捞出载体，根据步骤4)计算出的配重增减质量M2、M3，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤4)，直到浮力电位计值与配平前浮力电位计标定时的设定值相等为止；
6)保持步骤5)中的浮力电位计值不变，控制俯仰机构运动到俯仰电位计值与配平前载体俯仰电位计标定时的设定值相等，从此位置开始调节俯仰电位计使俯仰机构运动到载体反馈纵倾角在0度设定误差区间，此时通过获取俯仰电位计变化量得到俯仰机构移动距离L1，并根据力矩平衡原理得到艏部与艉部配重相互移动的重量即配重增减质量M5；
7)从水池中捞出载体，根据步骤6)计算出的配重增减质量M5，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤6)，直到俯仰电位计值与配平前载体浮力电位计标定时的设定值相等为止；
8)保持步骤5)中的浮力电位计值不变，控制俯仰机构在步骤7)的基础上使俯仰机构向前移动距离L2后，读取电子罗盘反馈的纵倾角α,通过计算得到稳心高e，将计算稳心高e与理想的稳心高e1进行对比，并根据力矩平衡原理计算出为达到理想的稳心高e1所需要对载体配重进行上下调节的配重量M6；
9)从水池中捞出载体，根据步骤8)计算出的配重上下调节量M6，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤8)，直到稳心高e在理想范围e1内；
10)在第9)步基础上，保持浮力电位计值不变，将俯仰电位计值调节到标定时设定值，此时纵倾角在0度设定误差区间内，读取并记录此时的横滚角度β，根据力矩平衡原理计算左右配重增减量M7；
11)从水池中捞出载体，根据步骤10)计算出的配重上下调节量M7，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤10)，直到横滚角度在0度设定误差区间内为止。
水下滑翔机第一次下水前需对电子罗盘进行校准，用于抵消装配误差，具体如下：
纵倾角的校正：将水下滑翔机载体放置在平台上，打开激光水平仪并调整自身水平；调节激光水平仪的高度与水下滑翔机的横滚角，使得激光水平仪的水平激光束与水下滑翔机的中轴线等高，通过调整载体的纵倾角，确保水平激光束同时穿过两个水平翼安装螺纹孔，记录当前的纵倾角值作为纵倾角校准的偏差值；
横滚角的校正如下：沿水下滑翔机轴线方向转动载体，确保水平激光束同时穿过两个艉部固定架螺纹孔的中心位置，记录当前的横滚角值作为横滚角校准的偏差值；
根据两个偏差值分别在水下滑翔机控制系统内进行纵倾角和横滚角的校正。
步骤2)具体如下：
配重区域包括艏部配重区域与艉部配重区域，在载体设计时完成布置，并记录位置坐标；基于载体中轴线，艏部配重区域包括正上、正下、正左、正右四处，艉部配重区域包括正下、左下45度、右上45度三处。
所述稳心高e＝M4*L1/(M艏+M艉+M+M1)/tanα，其中，M4为俯仰机构质量，M艏、M艉分别为初配时艏部配重质量、艉部配重质量，M为载体理论质量，M3+M2＝M1。
步骤6)中所述艏部与艉部配重相互移动的重量M5具体为：M5＝M4*L1/L3,其中L3为配重区域艏艉距离。
步骤8)中所述配重上下调节量M6具体为：M6＝(e1-e)*(M+M1+M艏+M艉)/L4,其中L4为载体艏部配重区域正上位置与正下位置的距离。
步骤6)中所述载体左右配重的移动量M7具体为：M7＝(M+M1+M艏+M艉)*e*SINβ/L5,其中L5为载体艏部配重区域正左位置与正右位置的距离，β表示电子罗盘反馈的横滚角。
俯仰电位计标定时的设定值具体为：配平前对俯仰机构的工作范围标定时，选取俯仰机构工作范围的中间值对应的电位计值作为设定值。
浮力电位计标定时的设定值具体为：配平前对浮力机构的工作范围标定时，选取浮力机构工作范围的中间值对应的电位计值作为设定值。
本发明具有以下有益技术效果及优点：
1.本发明方法依靠软件智能分析计算，降低了纯人工计算的工作量，避免了人为因素造成的错误及误差。
2.本发明方法将配平的过程与实际应用相结合，调试的结果就是实验的结果，更加直观。
3.本发明方法效率高，人力成本低，入手快，利用载体自身控制系统只需要简单操作即可完成，适用于大批量、多种类滑翔机集中配平。
附图说明
图1为水下滑翔机模型示意图；
图2为纵倾角校正示意图；
图3为横滚角校正示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
本次发明的配平方法采用软件、电气控制、机械专业相结合的智能调节方式，以软件为主导智能分析计算，电气控制(电子罗盘、电位计等)作为闭环反馈，机械作为辅助操作。在配平之前，水下滑翔机的软件程序的基本框架已经具备成熟的应用条件，在实际配平过程中仅需要简单的操作即可完成，电气控制是采用设备本身控制系统中的电位计及传感器进行闭环反馈。具体步骤如下：
(1)提取载体与水接触的零部件，建立材料特性为水的包络模型，以不改变浮心位置的原则设计浮力块结构及布置安装位置，抵消海水与淡水密度差造成的浮力差，见图1；
(2)载体与控制程序通过无线电建立通讯连接，在下水前利用高精度水平仪对电子罗盘进行无强磁场环境下的校准，抵消装配误差，确保反馈到软件程序中的数值准确性。
纵倾角的校正如下：将水下滑翔机放置在木托或小车上，打开激光水平仪并调整自身水平。调节激光水平仪的高度与水下滑翔机的横滚角，使得激光水平仪的水平激光束与水下滑翔机的中轴线等高，通过调整载体的纵倾角，确保水平激光束同时穿过两个水平翼安装螺纹孔，见图2。记录当前的纵倾角值，将其作为纵倾角校准的偏差值；
横滚角的校正如下：与纵倾角的校正类似，沿水下滑翔机轴线方向转动载体，确保水平激光束同时穿过两个艉部固定架螺纹孔的中心位置，如图3所示。记录当前的横滚角值，将其作为横滚角校准的偏差值；
将两个偏差值输入水下滑翔机控制系统，进行校正。
(3)载体采用铅材料作为配重，配重区域为艏部配重区域与艉部配重区域，艏部配重区域为正上、正下、正左、正右四处，艉部配重区域为正下、左下45度、右上45度三处，七处区域为在载体设计阶段预留的铅块安装位置，根据载体模型将理论计算的质心坐标(X、Y、Z)、艏部配重区域坐标(X1-4、Y1-4、Z1-4)、艉部配重区域坐标(X5-7、Y5-7、Z5-7)以及载体理论质量M输入软件程序中便于后续程序进行自动计算；
(4)在入水前需要进行初配，为精确配平以及相关计算提供前提条件，初步配平需要通过载体模型与浮力模型以及设计的目标等综合计算获得，在初配之后保证浮力与重力之差小于500克，初配时尽量装在七处配重位置的正下方，保证载体重心在浮心之下，设初配质量艏部配置为M艏，艉部配重为M艉，输入程序中。其中，载体模型与浮力模型通过SolidWorks完成。
(5)将初配后的载体装上步骤(1)中设计的浮力材，放入实验室淡水池中，利用自身控制系统将载体调节到俯仰机构最前状态，然后根据浮力电位计调节浮力状态，使得载体在水面处于悬浮状态，以载体最上端与水面持平为宜，此时软件程序自动识别浮力电位计变化量并根据载体本身的浮力电位计标定系数自动转化为体积量V，进而自动计算得出偏差配重增减质量M1＝V*ρ淡水，根据力矩平衡原理自动计算出艏部配重增减质量M2与艉部配重增减质量M3，M3+M2＝M1；
(6)从水池中捞出载体，根据步骤5)计算出的配重增减质量M2、M3，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤4)，直到浮力电位计调节值与原载体浮力机构标定时中间位置值相等为止；
(7)保持步骤(6)中的浮力电位计值不变，控制俯仰机构运动到俯仰电位计值与配平前载体俯仰机构标定时设定的理想俯仰中间位置值相等，从此位置开始调节俯仰电位计使俯仰机构(质量M4，为设计定值，输入程序)运动到载体电子罗盘反馈纵倾角在正负3度，(载体在水池中配平时，俯仰角度的平衡需要很长时间，考虑配平的效率以及对后续载体工作时的影响，引入正负3度误差)以内，此时软件程序自动识别俯仰电位计变化量并根据载体本身的俯仰电位计标定系数自动转化为移动距离(mm)L，此时程序根据力矩平衡原理自动计算艏部与艉部配重相互移动的重量M5；
(8)从水池中捞出载体，根据步骤7)计算出的配重增减质量M5，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤6)，直到俯仰电位计调节值与原载体俯仰机构标定时中间位置值相等为止；
(9)保持步骤(6)中的浮力电位计不变，调节俯仰电位计使得俯仰机构在步骤(9)的基础上向前移动距离L1(程序自动记录)，载体稳定后，程序自动读取电子罗盘反馈纵倾角α,系统自动计算稳心高e＝M4*L1/(M艏+M艉+M+M1)/tanα，经过大量的试验验证，合理的稳心高值e1的范围是(2.6mm-3.4mm)，将e1的范围值输入程序中，系统根据力矩平衡原理，自动计算出最合理的配重上下调节量M6；
(10)从水池中捞出载体，根据步骤9)计算出的配重上下调节量M6，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤9)，直到稳心高e在e1范围内。
(11)在第10)步基础上，保持浮力电位计值不变，将俯仰电位计值调节到标定时的中间位置，此时纵倾角在0度误差区间内，读取并记录此时的横滚角度β，根据力矩平衡原理计算左右配重增减量M7；
(12)从水池中捞出载体，根据步骤11)计算出的配重上下调节量M7，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤11)，直到横滚角度在0度区间内为止。
(13)对配重后的载体进行再次下水验证，排除一些不可控因素对配平精度的影响，包括机械安装误差、计算模型与实际模型之间的误差、未稳态误差、配平铅块位置误差、由于环境温度的变化，导致载体尺寸的微小变化与水密度的微小变化、配平人员操作误差等。
(14)将载体重复上述步骤(5)到步骤(12)的过程，程序自动判断微调量并实时记录，之后通过俯仰电位计控制俯仰机构运动到最前，通过浮力电位计控制浮力系统动作到浮力最大，载体稳定后，通过电子罗盘读取此时纵倾角，此状态下合理的角度范围在55度至65度之间，当角度不在合理范围时，可人为的在程序中更改e1值，系统将根据新输入的e1值重新计算，合理布局上下位置的配重；
(15)上述步骤完成后，按照程序重新计算的结果进行配重安装，完成水下滑翔机的配平工作。
其中，软件程序用于与载体无线通讯，并记录配平过程中传感器(包括电子罗盘、电位计等)的值以及存储载体模型、浮力模型包括各种参数；根据力矩平衡原理计算出艏部配重质量M2与艉部配重质量M3，M3+M2＝M1；根据力矩平衡原理计算艏部与艉部配重相互移动的重量M5；根据力矩平衡原理，计算出最合理的配重上下调节量M6；根据力矩平衡原理计算左右配重相互移动的重量M7。
Claims (9)
1.一种基于水池的水下滑翔机配平方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）建立水下滑翔机载体模型，并提取载体与水接触的零部件，建立材料特性为水的浮力模型，设计浮力块及布置安装位置并使浮力模型的浮心位置保持不变，用于抵消海水与淡水密度差造成的浮力差；
2）划分配重区域并记录配重区域坐标，并根据载体模型获得理论质心坐标；
3）通过载体模型与浮力模型进行初配，保证浮力与重力之差小于阈值，且载体重心在浮心之下；
4）将初配后的水下滑翔机载体安装浮力块并放入水池，控制载体的俯仰机构使载体艏部朝下并垂直；然后根据浮力电位计调节浮力状态，使载体在水面处于悬浮状态，并且载体艉部末端与水面持平，此时通过获取浮力电位计变化量得到载体体积量V，进而得出偏差配重质量M1，根据力矩平衡原理得出艏部配重增减质量M2与艉部配重增减质量M3；
5）从水池中捞出载体，根据步骤4）计算出的配重增减质量M2、M3，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤4），直到浮力电位计值与配平前浮力电位计标定时的设定值相等为止；
6）保持步骤5）中的浮力电位计值不变，控制俯仰机构运动到俯仰电位计值与配平前载体俯仰电位计标定时的设定值相等，从此位置开始调节俯仰电位计使俯仰机构运动到载体反馈纵倾角在0度设定误差区间，此时通过获取俯仰电位计变化量得到俯仰机构移动距离L1，并根据力矩平衡原理得到艏部与艉部配重相互移动的重量即配重增减质量M5；
7）从水池中捞出载体，根据步骤6）计算出的配重增减质量M5，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤6），直到俯仰电位计值与配平前载体浮力电位计标定时的设定值相等为止；
8）保持步骤5）中的浮力电位计值不变，控制俯仰机构在步骤7）的基础上使俯仰机构向前移动距离L2后，读取电子罗盘反馈的纵倾角α,通过计算得到稳心高e，将计算稳心高e与理想的稳心高e1进行对比，并根据力矩平衡原理计算出为达到理想的稳心高e1所需要对载体配重进行配重上下调节量M6；
9）从水池中捞出载体，根据步骤8）计算出的配重上下调节量M6，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤8），直到稳心高e在理想的稳心高e1内；
10）在第9）步基础上，保持浮力电位计值不变，将俯仰电位计值调节到标定时设定值，此时纵倾角在0度设定误差区间内，读取并记录此时的横滚角度β，根据力矩平衡原理计算左右配重增减量M7；
11）从水池中捞出载体，根据步骤10）计算出的左右配重增减量M7，对载体进行配重再次安装，安装完成后再次将载体放入水池，重复步骤10），直到横滚角度在0度设定误差区间内为止。
2.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于，水下滑翔机第一次下水前需对电子罗盘进行校准，用于抵消装配误差，具体如下：
纵倾角的校正：将水下滑翔机载体放置在平台上，打开激光水平仪并调整自身水平；调节激光水平仪的高度与水下滑翔机的横滚角，使得激光水平仪的水平激光束与水下滑翔机的中轴线等高，通过调整载体的纵倾角，确保水平激光束同时穿过两个水平翼安装螺纹孔，记录当前的纵倾角值作为纵倾角校准的偏差值；
横滚角的校正如下：沿水下滑翔机轴线方向转动载体，确保水平激光束同时穿过两个艉部固定架螺纹孔的中心位置，记录当前的横滚角值作为横滚角校准的偏差值；
根据两个偏差值分别在水下滑翔机控制系统内进行纵倾角和横滚角的校正。
3.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于，步骤2）具体如下：
配重区域包括艏部配重区域与艉部配重区域，在载体设计时完成布置，并记录位置坐标；基于载体中轴线，艏部配重区域包括正上、正下、正左、正右四处，艉部配重区域包括正下、左下45度、右上45度三处。
4.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于：
所述稳心高e=M4*L1/（M艏+M艉+M+M1）/tanα，其中，M4为俯仰机构质量， M艏、M艉分别为初配时艏部配重质量、艉部配重质量，M为载体理论质量，M3+M2=M1。
5.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于：
步骤6）中所述艏部与艉部配重相互移动的重量M5具体为： M5=M4*L1/L3,其中L3为配重区域艏艉距离，其中，M4为俯仰机构质量。
6.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于：
步骤8）中所述配重上下调节量M6具体为： M6=(e1-e)*（ M+M1+ M艏+M艉)/L4 ,其中L4为载体艏部配重区域正上位置与正下位置的距离，M为载体理论质量，M艏、M艉分别为初配时艏部配重质量、艉部配重质量。
7.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于：
步骤10）中所述载体左右配重增减量M7具体为：M7=（M+M1+M艏+M艉）*e*SINβ/L5,其中L5为载体艏部配重区域正左位置与正右位置的距离，β表示电子罗盘反馈的横滚角，其中，M为载体理论质量，M艏、M艉分别为初配时艏部配重质量、艉部配重质量。
8.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于：
俯仰电位计标定时的设定值具体为：配平前对俯仰机构的工作范围标定时，选取俯仰机构工作范围的中间值对应的电位计值作为设定值。
9.根据权利要求1所述的一种水下滑翔机用水池配平方法，其特征在于：
浮力电位计标定时的设定值具体为：配平前对浮力机构的工作范围标定时，选取浮力机构工作范围的中间值对应的电位计值作为设定值。
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