CN112389612B - 一种深海拖体应急避障机构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深海拖体应急避障机构及其控制方法，所述应急避障机构包括减速变向机构和急停机构，利用电机带动侧翼旋转并配合推进器实现减速变向机构的减速功能和变向功能，急停机构通过释放阻力伞，并利用阻力伞的流体阻力实现急停机构的急停功能，克服传统的通过收放拖缆和调节船速进行避障的方法的滞后性以及操作繁琐、效率低下等缺点，保证拖体在遇到海山等突变海底地形时可智能、自主、连续的完成应急避障，提高拖体在应急避障时的响应速度和避障效率，且该应急避障机构控制流程为闭环控制，可通过应急避障机构进行实时、连续避障，不仅减少工作量和工作成本，而且提高作业效率，降低设备受损的几率。

Description

一种深海拖体应急避障机构及其控制方法

技术领域

本发明涉及深海拖体应急避障领域,具体涉及一种深海拖体应急避障机构及其控制方法。

背景技术

作为人类探索海洋的一种重要工具，深海拖曳系统(深拖系统)是由拖船、拖缆(缆绳)、拖体为主要组成部分的综合探测系统，它可应用于海底地貌拍摄、海洋资源勘探、沉没物体搜寻等水下作业；拖体可以在航行中连续、快速、大面积地测量各种海洋要素，并能及时将数据传送到船只用计算机进行实时处理。

深拖系统在深水崎岖海底作业时，海山等海底地形的突变对深拖设备安全影响极大，因此需要拖体在作业过程中碰到海山时能够及时避障。常见的应急避障的方法主要是通过收放拖缆和调节船速来调节拖体高度，但常用的拖缆绞车平均速率为0.5m/s，拖体高度响应速率为0.17m/s，收放拖缆和调节船速在调节拖体高度方面存在滞后性，且该方法作业方案单一，操作繁琐，效率低下，会对设备安全带来极大的风险。

发明内容

本发明为解决现有的拖体应急避障措施的不足，提出一种用于深海拖体应急避障机构及其控制方法，以提高拖体在应急避障时的响应速度和避障效率，降低设备受损的几率。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种深海拖体应急避障机构，包括承载拖体的拖体框架、减速变向机构和急停机构，拖体框架的前端安装有声呐，拖体框架内安装有控制装置和仪器舱，减速变向机构、急停机构和仪器舱均与控制装置电连接；

所述减速变向机构对称固定安装在拖体框架的左右两侧，减速变向机构包括侧翼、推进器和电机，推进器固定安装在侧翼上，侧翼与电机输出轴相连，通过电机驱动侧翼以电机输出轴所在直线为旋转轴在竖直面内旋转；

所述急停机构安装在拖体框架的尾部，包括伞舱、阻力伞、以及弹出机构，阻力伞与弹出机构相连并折叠安装在伞舱内；

所述仪器舱中搭载有多普勒速度计程仪以及超短基线定位系统的应答器和深度传感器。

进一步的，所述侧翼与电机输出轴之间安装有驱动轴和联轴器，侧翼通过锁紧螺母与驱动轴转接，驱动轴与联轴器的一端相连，联轴器的另一端与电机输出轴相连。

进一步的，所述弹出机构包括弹簧组件、释放机构和冲击板，弹簧组件安装在冲击板和伞舱的内侧壁之间，释放机构一端与伞舱内侧壁相连，另一端与冲击板相连，释放机构与控制装置电连接；正常工作时，弹簧组件处于压缩状态，阻力伞安装在伞舱内并处于折叠状态，在控制装置控制下释放释放机构，使处于压缩状态下的弹簧组件推动冲击板进而将阻力伞弹出。

进一步的，所述拖体框架的顶部安装有浮力部件，拖体框架内还安装有配重块，可通过调节配重块的质量调节拖体的深度。

进一步的，所述拖体框架尾部顶端的两侧安装有尾翼，所述尾翼和侧翼均选用NACA0012翼型。

本发明另外还提出一种深海拖体应急避障机构的控制方法，包括以下步骤：

步骤1、设定拖体的有效避障距离为S，拖体工作过程中，通过声呐实时探测前方障碍物，并设拖体上的声呐检测到海山时与海山的直线距离为L；

步骤2、将实时检测到的拖体与海山之间的直线距离L与设定的有效避障距离S进行比较：若S＜L，则由控制装置控制减速变向机构进行避障，若S≥L，执行步骤3；

步骤21、测得拖体的深度为H₁，海山顶部的水深为H₂，则拖体相对于海山顶部的高度差为H＝H₁-H₂；通过测得此时拖体的水平速度为V₀，得到推进器能提供给拖体垂直方向上的最大稳定速度V，则对VL/V₀与H的大小进行判定；

步骤22、若判定VL/V₀＞H，则通过减速变向机构的变向避开海山，通过电机驱动侧翼逆时针旋转90度，使推进器位于正下方，同时推进器启动，带动拖体上升直至完全避开海山，当检测到拖体完全越过海山山体后，电机驱动侧翼顺时针旋转180度，使推进器位于正上方，推进器反向驱动拖体直至回归至初始深度，推进器断电，电机驱动侧翼逆时针旋转90度回归初始状态；

步骤23、若判定VL/V₀≤H，则通过减速变向机构进行减速避障，电机驱动侧翼直接旋转180度，使推进器反向推进，迫使拖体减速直至停止运动，并通过回收拖缆进行拖体的后续避障；

步骤3、若S≥L，则启动急停机构，打开伞舱门并张开阻力伞，利用阻力伞提供的流体阻力迫使拖体急停，并通过回收拖体进行重新布放。

进一步的，所述步骤1中关于有效避障距离S的设定，具体采用以下方式：

设左右侧翼上的推进器提供的最大推力和为F_max，拖体的质量为m，且拖体利用减速变向机构进行减速时的运动视为匀减速直线运动，则拖体的有效避障距离S满足：

即

进一步的，所述步骤21中，推进器能提供给拖体垂直方向上的最大稳定速度为V通过以下方式确定：

设拖体在水中受到的浮力为F₀，拖体匀速运动时的阻力系数为k，忽略垂直方向上的加速过程，有F_max+F₀-mg-kV²＝0，即可得到推进器给拖体垂直方向上的最大稳定速度

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、应急避障机构包括减速变向机构和急停机构，利用电机带动侧翼旋转并配合推进器实现减速变向机构的减速功能和变向功能，急停机构通过释放阻力伞，并利用阻力伞的流体阻力实现急停机构的急停功能，可根据控制装置的判定灵活选择变向、减速、急停三种避障方式，能够大大降低设备受损的风险；克服传统的通过收放拖缆和调节船速进行避障的方法的滞后性以及操作繁琐、效率低下等缺点，保证拖体在遇到海山等突变海底地形时可智能、自主、连续的完成应急避障，提高拖体在应急避障时的响应速度和避障效率；

2、该应急避障机构控制流程为闭环控制，可通过应急避障机构进行实时、连续避障，并可根据实际情况智能自主的选择多种避障方式，从而避免拖体在拖曳过程中受损；保证拖体在遇到海山等突变海底地形时能够根据实际情况灵活选择避障方式，智能、自主、连续的完成应急避障，不仅减少工作量和工作成本，提高作业效率，降低设备受损的几率。

附图说明

图1为本发明实施例所述拖体主体结构示意图；

图2为本发明实施例减速变向机构示意图；

图3为本发明实施例所述急停机构示意图；

图4为本发明实施例急停机构工作示意图；

图5为本发明实施例避障原理示意图；

图6为本发明实施例应急避障机构控制流程示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，本实施例中所述的尾部、后方等位置关系，以图1所示方向为准，尾翼10所在位置方向为尾部或后方，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。

实施例1，一种深海拖体应急避障机构，如图1所示，包括拖体框架6、配重块7、减速变向机构8和急停机构9，拖体框架6内安装有控制装置2和仪器舱3，仪器舱3和控制装置2分别通过对应的子系统支撑架5固定在拖体框架6上，减速变向机构8通过电机支撑架13固定在拖体框架6上，拖体框架6的顶部安装有浮力部件1，拖体框架6尾部顶端的两侧安装有尾翼10，拖体框架6的前端安装有声呐4；所述浮力部件1，配重块7，声呐4，急停机构9以及尾翼11直接固定在拖体框架6上，其中浮力部件采用泡棉、XPE等浮力材料，在此不做限制。

具体的：

所述减速变向机构8对称安装在拖体框架6的左右两侧，如图2所示，减速变向机构8包括侧翼11、推进器17、电机12和电机支撑架13，推进器17固定安装在侧翼11的后方侧棱上，侧翼11通过锁紧螺母16与一驱动轴15转接，电机12固定在电机支撑架13上并通过联轴器14和驱动轴15带动侧翼11以电机输出轴所在直线为旋转轴进行旋转，为了提高结构强度，也可以采用双轴或多轴驱动侧翼旋转。

另外，考虑到减速变向机构直接暴露在水下环境中，且要求对侧翼旋转角度有很高的控制精度，所述电机12为防水伺服电机；为使拖体在水下运动时具有良好的水动力性能，所述尾翼10和侧翼11均选用NACA0012翼型。

所述急停机构9安装在拖体框架6的尾部，如图3所示，急停机构9包括伞舱18、阻力伞19以及弹出机构，所述弹出机构包括弹簧组件20、释放机构21和冲击板22，弹簧组件20安装在冲击板22和伞舱18的内侧壁之间，释放机构21一端与伞舱内侧壁相连，另一端与冲击板22相连，释放机构21与控制装置电连接；正常工作时，伞舱门关闭，弹簧组件20处于压缩状态，阻力伞19安装在伞舱18内并处于折叠状态，在控制装置控制下释放释放机构，使处于压缩状态下的弹簧组件20推动冲击板22进而将阻力伞弹出，后续工作状态如图4所示，当然，所述弹出机构除了采用上述方式外，亦可将采用其他设计形式，能够将阻力伞顺利弹出即可。

其中，所述释放机构21为已有成熟部件，可采用熔断释放机构，其原理是给固定连接用的金属合金丝通电，加速金属丝的电化学反应，使其在较短的时间内腐蚀，释放相应的连接机构，其释放速度取决于通过金属丝的电流大小，电流越大则释放速度越快，该形式的释放机构具有体积小、结构简单有效、可靠性高等特点，被广泛应用于各类海洋仪器装备，具体不做详细阐述。

所述仪器舱3中搭载有多普勒速度计程仪(DVL)以及超短基线定位系统(USBL)的应答器和深度传感器，以采集相应的航速、位置及深度等参数；

正常工作时，两侧翼8保持完全张开状态以保持拖体的稳定姿态，急停机构9中的阻力伞19处于压缩状态并置于伞舱18中，当拖体上的声呐探测到前方存在海山等障碍物时，若控制装置2判定已无法通过减速变向机构8进行避障，如图4，则启动急停机构9，打开伞舱门并张开阻力伞19，利用阻力伞19提供的流体阻力迫使拖体急停，从而避免拖体受损，同时母船停船回收拖体并进行后续的重新布放。

若控制装置2判定可通过减速变向机构8进行避障并判定可通过变向功能进行避障，则电机上电并驱动侧翼逆时针方向旋转90度(如图1，X方向为主视图)，同时推进器启动，带动拖体上升直至完全避开障碍物，当通过超短基线定位系统检测到拖体完全越过海山山体后，电机驱动侧翼顺时针旋转180度，推进器反向驱动拖体直至拖体回到初始深度，推进器断电，电机驱动侧翼逆时针旋转90度，侧翼回归初始状态；若控制装置判定已无法通过变向功能进行避障，则通过机构的减速功能进行避障，电机驱动侧翼直接旋转180度，推进器反向推进，迫使拖体减速直至停止运动，从而避免拖体受损，可选择通过母船回收拖缆进行拖体的后续避障。

实施例2，基于实施例1所提出的深海拖体应急避障机构，本实施例提出一种其对应的控制方法，如图6所示，主要包括以下步骤：

步骤1、设定拖体的有效避障距离为S，如图5所示，拖体工作过程中，通过声呐实时探测前方障碍物，设拖体上的声呐检测到海山时与海山的直线距离为L；

其中，关于有效避障距离S的设定，需满足以下条件，设左右侧翼上的推进器提供的最大推力和为F_max，拖体的质量为m，且拖体利用减速变向机构进行减速时的运动视为匀减速直线运动，则拖体的有效避障距离S满足：

即

步骤2、将实时检测到的拖体与海山之间的直线距离L与设定的有效避障距离S进行比较：若S＜L，则控制装置判定可通过减速变向机构中的变向功能进行避障，否则执行步骤3；

步骤21、利用超短基线定位系统测得拖体的深度为H₁，利用船载多波束测深系统测得海山顶部的水深为H₂，则拖体相对于海山顶部的高度差为H＝H₁-H₂，利用拖体搭载的多普勒速度计程仪测得此时拖体的水平速度为V₀；假设电机转动侧翼的时间可以忽略不计，拖体可视为质点，得到推进器能提供给拖体垂直方向上的最大稳定速度为V，则对VL/V₀与H的大小进行判定；

其中，关于V通过以下方式确定：设拖体在水中受到的浮力为F₀，拖体匀速运动时的阻力系数为k，由于推进器的响应速度快，推进器在垂直方向上对拖体加速时可以保证拖体很快到达稳定状态，则垂直方向上的加速过程可忽略不计，故有F_max+F₀-mg-kV²＝0，即推进器能提供给拖体垂直方向上的最大稳定速度

步骤22、若控制装置判定VL/V₀＞H，则控制装置判定可通过减速变向机构的变向功能避开海山，电机上电并驱动侧翼逆时针旋转90度(如图1，X方向为主视图)，同时推进器启动，带动拖体上升直至完全避开海山，当通过超短基线定位系统检测到拖体完全越过海山山体后，电机驱动侧翼顺时针旋转180度，推进器反向驱动拖体直至由深度传感器检测到拖体回归至初始深度，推进器断电，电机驱动侧翼逆时针旋转90度，侧翼回归初始状态；

步骤23、若控制装置判定VL/V₀≤H，则控制装置判定已无法通过变向功能进行避障，通过减速变向机构的减速功能进行避障，电机驱动侧翼直接旋转180度，推进器反向推进，迫使拖体减速直至停止运动，从而避免拖体受损，可选择通过母船回收拖缆进行拖体的后续避障；

步骤3、若S≥L，则控制装置判定已无法通过减速变向机构进行避障，如图4，则启动急停机构，打开伞舱门并张开阻力伞，利用阻力伞提供的流体阻力迫使拖体急停，从而避免拖体受损，同时母船停船回收拖体并进行重新布放。

本发明利用一种应急避障机构自主驱动拖体进行水下避障，克服传统的通过收放拖缆和调节船速进行避障的方法的滞后性以及操作繁琐、效率低下等缺点，提高了拖体在应急避障时的响应速度和避障效率，降低了设备受损的几率；且该应急避障机构控制流程为闭环控制，可通过应急避障机构进行实时、连续避障，并可根据实际情况智能自主的选择多种避障方式，从而避免拖体在拖曳过程中受损。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种深海拖体应急避障机构，其特征在于：包括承载拖体的拖体框架(6)、减速变向机构(8)和急停机构(9)，拖体框架(6)的前端安装有声呐(4)，拖体框架(6)内安装有控制装置(2)和仪器舱(3)，减速变向机构(8)、急停机构(9)和仪器舱(3)均与控制装置(2)电连接；

所述减速变向机构(8)对称固定安装在拖体框架(6)的左右两侧，减速变向机构(8)包括侧翼(11)、推进器(17)和电机(12)，推进器(17)固定安装在侧翼(11)上，侧翼(11)与电机(12)输出轴相连，通过电机(12)驱动侧翼(11)以电机输出轴所在直线为旋转轴在竖直面内旋转，所述侧翼(11)与电机(12)输出轴之间安装有驱动轴(15)和联轴器(14)，侧翼(11)通过锁紧螺母(16)与驱动轴(15)转接，驱动轴(15)与联轴器(14)的一端相连，联轴器(14)的另一端与电机(12)输出轴相连；

所述急停机构(9)安装在拖体框架(6)的尾部，包括伞舱(18)、阻力伞(19)以及弹出机构，阻力伞(19)与弹出机构相连并折叠安装在伞舱(18)内；弹出机构包括弹簧组件(20)、熔断释放机构(21)和冲击板(22)，弹簧组件(20)安装在冲击板(22)和伞舱(18)的内侧壁之间，熔断释放机构(21)一端与伞舱内侧壁相连，另一端与冲击板(22)相连，熔断释放机构(21)与控制装置电连接；

所述仪器舱(3)中搭载有多普勒速度计程仪以及超短基线定位系统的应答器和深度传感器。

2.根据权利要求1所述的深海拖体应急避障机构，其特征在于：所述拖体框架(6)的顶部安装有浮力部件(1)，拖体框架(6)内还安装有配重块(7)。

3.根据权利要求1所述的深海拖体应急避障机构，其特征在于：所述拖体框架(6)尾部顶端的两侧安装有尾翼(10)，所述尾翼(10)和侧翼(11)均选用NACA0012翼型。

4.基于权利要求1-3任一项所述深海拖体应急避障机构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将拖体的有效避障距离记为S，拖体工作过程中，通过声呐实时探测前方障碍物，并将检测到海山时与海山的直线距离记为L；

步骤2、将实时检测到的拖体与海山之间的直线距离L与设定的有效避障距离S进行比较：若S<L，则由控制装置控制减速变向机构进行避障，若S≥L，执行步骤3；

步骤21、测得拖体的深度H₁，海山顶部的水深H₂，得到拖体相对于海山顶部的高度差H＝H₁-H₂；通过测得此时拖体的水平速度为V₀，并基于得到的推进器提供给拖体垂直方向上的最大稳定速度V，对VL/V₀与H的大小进行判定；

步骤22、若判定VL/V₀> H，则通过减速变向机构的变向避开海山，通过电机驱动侧翼逆时针旋转90度，使推进器位于正下方，同时推进器启动，带动拖体上升直至完全避开海山，当检测到拖体完全越过海山山体后，电机驱动侧翼顺时针旋转180度，使推进器位于正上方，推进器反向驱动拖体直至回归至初始深度，推进器断电，电机驱动侧翼逆时针旋转90度回归初始状态；

步骤23、若判定VL/V₀≤H，则通过减速变向机构进行减速避障，电机驱动侧翼直接旋转180度，使推进器反向推进，迫使拖体减速直至停止运动，并通过回收拖缆进行拖体的后续避障；

步骤3、若S≥L，则启动急停机构，打开伞舱门并张开阻力伞，利用阻力伞提供的流体阻力迫使拖体急停，并通过回收拖体进行重新布放。

5.根据权利要求4所述的深海拖体应急避障机构，其特征在于：所述步骤1中关于有效避障距离S的设定，具体采用以下方式：

设左右侧翼上的推进器提供的最大推力和为F_max，拖体的质量为m，且拖体利用减速变向机构进行减速时的运动视为匀减速直线运动，则拖体的有效避障距离S满足：

即

6.根据权利要求4所述的深海拖体应急避障机构，其特征在于：所述步骤21中，推进器能提供给拖体垂直方向上的最大稳定速度为V通过以下方式确定：

设拖体在水中受到的浮力为F₀，拖体匀速运动时的阻力系数为k，忽略垂直方向上的加速过程，有F_max+F₀-mg-kV²＝0，即可得到推进器给拖体垂直方向上的最大稳定速度

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