CN112389615B - 深海拖体及深海拖体姿态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下装备技术领域，特别是一种深海拖体及深海拖体姿态调节方法。包括拖体框架、姿态调节系统、深度控制系统、拖体控制系统和两侧翼，其中，所述姿态调节系统、深度控制系统和拖体控制系统分别通过子系统支撑架固定在拖体框架上，两侧翼对称设置在拖体框架内，姿态调节系统和深度控制系统位于侧翼的下方，两侧翼的底部表面分别与姿态调节系统连接，两姿态调节系统之间呈对称设置。可以通过调节侧翼俯仰和横滚两个姿态保证深海拖体在拖曳过程中的运动稳定性。

Description

深海拖体及深海拖体姿态调节方法

技术领域

本发明涉及水下装备技术领域，特别是一种深海拖体及深海拖体姿态调节方法。

背景技术

深海拖曳系统，主要由拖曳母船、拖缆和拖体三部分组成。深海拖曳系统通常其本身没有推进功能，靠母船拖带运动，可在拖体上搭载各种仪器设备，进行近海底、远距离、长时间的海底地形地貌、浅层地质和海水物理化学等调查，具有探测面积广，作业效率高，操控性能好等诸多优势，是深海探测领域中一种重要的技术手段。

随着探测仪器的不断发展，对于深海拖体的运动姿态的要求越来越高。其中，横滚与俯仰是深海拖体运动过程中两个最主要的姿态，当搭载有探测仪器的拖体通过拖缆在水中被母船拖曳时，由于受到海流以及水面母船晃动的影响，有时不能保持稳定的运动姿态，从而影响设备的探测精度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种深海拖体及深海拖体姿态调节方法，可以通过调节侧翼俯仰和横滚两个姿态保证深海拖体在拖曳过程中的运动稳定性。

本发明的技术方案是：一种深海拖体，包括拖体框架、姿态调节系统、深度控制系统、拖体控制系统和两侧翼，其中，所述姿态调节系统、深度控制系统和拖体控制系统分别通过子系统支撑架固定在拖体框架上，两侧翼对称设置在拖体框架内，姿态调节系统和深度控制系统位于侧翼的下方，两侧翼的底部表面分别与姿态调节系统连接，两姿态调节系统之间呈对称设置；

所述姿态调节系统包括俯仰调节机构和横滚调节机构，俯仰调节机构和横滚调节机构之间通过电机间连接件连接，所述俯仰调节机构包括俯仰调节电机、俯仰调节联轴器、俯仰调节传动轴和连接板，俯仰调节电机的输出轴通过俯仰调节联轴器与俯仰调节传动轴连接，连接板位于侧翼的下方，且连接板与侧翼的底部表面固定连接，俯仰调节传动轴的一端与俯仰调节联轴器连接，另一端通过锁紧螺母与连接板连接，俯仰调节电机固定在电机间连接件上；

所述横滚调节机构包括横滚调节电机、横滚调节联轴器、横滚调节传动轴和电机固定支架，横滚调节电机的输出轴通过横滚调节联轴器与横滚调节传动轴连接，横滚调节传动轴20的一端与横滚调节联轴器连接，另一端与电机间连接件转动连接，横滚调节电机固定在电机固定支架上，电机固定支架与拖体框架之间固定连接。

本发明中，还包括尾翼、配重和浮力材料，尾翼、配重、浮力材料均固定在拖体框架上，浮力材料位于拖体框架的前部，尾翼和配重位于拖体框架的后部。

所述电机间连接件上固定连接有活页，伸缩杆的底端与活页通过螺栓固定连接，伸缩杆的顶端与浮力材料固定连接。通过活页和伸缩杆对侧翼的横滚动作起到导向作用，同时活页对俯仰调节调节起到了支撑作用。

所述深度控制系统包括耐压舱Ⅰ、伺服驱动电机、电池组、高压柱塞泵、油路块、二位二通电磁阀阀组、内油囊、外油囊、流量计和深度传感器，电池组固定在耐压舱Ⅰ上，伺服驱动电机固定在电池组上，伺服驱动电机与高压柱塞泵连接，高压柱塞泵通过二位二通电磁阀阀组与外油囊连接，高压柱塞泵通过二位二通电磁阀阀组与内油囊连接，外油囊处设有深度传感器，内油囊的进油口处设有流量计，液压油在外油囊和内油囊之间来回流动。

所述拖体控制系统包括耐压舱Ⅱ、主控板和姿态传感器，主控板和姿态传感器均设置在耐压舱Ⅱ内，主控板分别与姿态传感器、深度传感器、流量计电连接。

本方还包括一种上述深海拖体的姿态调节方法，包括以下步骤：

设深海拖体横滚角的期望范围为(-φ₀,φ₀)，其中0≤φ₀≤π/2，侧翼的张开角为φ_wing，其中0≤φ_wing≤π/2，当姿态传感器检测到深海拖体的横滚角φ超出期望范围时，深海拖体的横滚运动剧烈，横滚调节电机动作，通过横滚调节联轴器和横滚调节传动轴加大侧翼的张开角φ_wing，且0≤φ_wing≤π/2，增加深海拖体水平面的受力面积，减少深海拖体的横滚角度，同时姿态传感器实时监测深海拖体的横滚角φ₀是否满足-φ₀≤φ≤φ₀，若满足，停止横滚调节，若不满足，继续增大侧翼的张开角φ_wing；

设深海拖体俯仰角的期望范围为(-θ₀,θ₀)，其中0≤θ₀≤π/2，侧翼的俯仰角为θ_wing，其中-π/2≤θ_wing≤π/2，当姿态传感器检测到深海拖体的俯仰角π/2≥θ≥θ₀时，拖体的上仰角度过大，俯仰调节电机动作，通过俯仰调节联轴器和俯仰调节传动轴调节侧翼的俯仰角θ_wing，且-π/2<θ_wing<0，侧翼受到的流体阻力F分解为垂直于侧翼向下的分力F₁和平行于翼板的分力F₂，利用垂直于侧翼向下的分力F₁使深海拖体下俯，同时姿态传感器实时监测深海拖体的俯仰角θ是否满足-θ₀≤θ≤θ₀，若满足，停止俯仰调节，若不满足，继续减小侧翼的俯仰角θ_wing；

当姿态传感器检测到深海拖体的俯仰角-π/2≤θ≤θ₀时，拖体的下俯角度过大，俯仰调节电机动作，通过俯仰调节联轴器和俯仰调节传动轴调节侧翼的俯仰角θ_wing，且0<θ_wing<π/2，侧翼受到的流体阻力F分解为垂直于侧翼向上的分力F₃和平行于侧翼的分力F₄，利用垂直于侧翼向上的分力F₃使深海拖体上仰，同时姿态传感器实时监测深海拖体的俯仰角θ是否满足-θ₀≤θ≤θ₀，若满足，停止俯仰调节，若不满足，继续增大侧翼的俯仰角θ_wing。

本发明的有益效果是：

(1)通过姿态调节系统调节侧翼，可以实现对拖体的俯仰角和横滚角的调节，提高了拖体的运动稳定性与数据采集质量；

(2)根据探测需求，通过深度控制系统实时调节深海拖体的深度，实现了深海拖体的定深运动并可调节深海拖体至期望深度。

综上所述，本发明能够实现深海拖体的姿态调节并能实时控制拖体的拖曳深度，提高拖体的运动稳定性与作业灵活度，对于海洋环境参数的获取具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是姿态调节系统的立体结构示意图一；

图3是姿态调节系统的立体结构示意图二；

图4是深度控制系统的结构示意图；

图5是深度控制系统的液压原理图；

图6(a)是当-π/2<θ_wing<0时侧翼受到的流体阻力；

图6(b)是当0<θ_wing<π/2时侧翼受到的流体阻力；

图7是深海拖体姿态调节方法流程图；

图8是深海拖体深度调节方法流程图。

图中：1尾翼；2拖体框架；3配重；4姿态调节系统；5深度控制系统；6子系统支撑架；7拖体控制系统；8浮力材料；9侧翼；10伸缩杆；11活页；12电机间连接件；13电机固定支架；14横滚调节电机；15俯仰调节电机；16俯仰调节联轴器；17锁紧螺母；18俯仰调节传动轴；19横滚调节联轴器；20横滚调节传动轴；21耐压舱Ⅰ；22伺服驱动电机；23电池组；24高压柱塞泵；25油路块；26二位二通电磁阀；27内油囊；28外油囊；29流量计；30深度传感计；31连接板。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1所示，本发明所述的深海拖体包括尾翼1、拖体框架2、配重3、姿态调节系统4、深度控制系统5、拖体控制系统7、浮力材料8和两侧翼9，尾翼1、配重3、浮力材料8均固定在拖体框架2上，其中浮力材料8位于拖体框架2的前部，尾翼1和配重3位于拖体框架2的后部、姿态调节系统4、深度控制系统5和拖体控制系统7分别通过子系统支撑架6固定在拖体框架2上。两侧翼9均位于拖体框架2内，两侧翼9呈对称设置，姿态调节系统4和深度控制系统5位于侧翼9的下方，两侧翼9的底部表面分别与姿态调节系统4连接，通过姿态调节系统4对侧翼的运动姿态进行调节，从而实现对深海拖体的俯仰角和横滚角的调节，通过深度控制系统5对深海拖体的深度进行调节。

两侧翼9下方设置的两姿态调节系统4之间呈对称设置。姿态调节系统包括俯仰调节机构和横滚调节机构，俯仰调节机构和横滚调节机构之间通过电机间连接件12连接。如图2和图3所示，俯仰调节机构包括俯仰调节电机15、俯仰调节联轴器16、俯仰调节传动轴18和连接板31，俯仰调节电机15的输出轴通过俯仰调节联轴器16与俯仰调节传动轴18连接，连接板31位于侧翼9的下方，且连接板31与侧翼9的底部表面固定连接，俯仰调节传动轴18的一端与俯仰调节联轴器16连接，另一端通过锁紧螺母17与连接板31连接，从而实现了俯仰调节机构与侧翼9的连接。当俯仰调节电机15工作时，通过俯仰调节传动轴18调节侧翼9的俯仰角度。

俯仰调节电机15固定在电机间连接件12上，电机间连接件12上通过螺栓固定连接有活页11，伸缩杆10的底端与活页11通过螺栓固定连接，伸缩杆10的顶端与浮力材料8固定连接。通过活页11和伸缩杆10对侧翼的横滚动作起到导向作用，同时活页11对俯仰调节调节15起到了支撑作用。

横滚调节机构包括横滚调节电机14、横滚调节联轴器19、横滚调节传动轴20和电机固定支架13，横滚调节电机14的输出轴通过横滚调节联轴器19与横滚调节传动轴20连接，横滚调节传动轴20的一端与横滚调节联轴器19连接，另一端与电机间连接件12连接，从而实现了横滚调节机构与俯仰调节机构的连接。横滚调节电机14动作时，通过横滚调节传动轴20调节俯仰调节机构和与俯仰调节机构连接的侧翼9的横滚角度。横滚调节电机14通过螺栓固定在电机固定支架13上，电机固定支架13与拖体框架2之间通过螺栓固定连接。

本实施例中，俯仰调节电机15和横滚调节电机14均为为防水伺服电机。

如图4所示，深度控制系统5包括耐压舱Ⅰ21、伺服驱动电机22、电池组23、高压柱塞泵24、油路块25、二位二通电磁阀阀组26、内油囊27、外油囊28、流量计29和深度传感器30，电池组23为深度控制模块单独供电，固定在耐压舱Ⅰ21上，伺服驱动电机22与高压柱塞泵24连接并固定在电池组23上。如图5所示，外油囊28和内油囊27呈并联连接，高压柱塞泵24通过油路块25、二位二通电磁阀阀组26及液压管与外油囊28连接，同时高压柱塞泵24通过油路块25、二位二通电磁阀阀组26及液压管与内油囊27连接。外油囊28进油口处设有深度传感器30，深度传感器30用于监测拖体是否处于设定的深度波动范围内。内油囊27的进油口处设有流量计29，对浮力调节时间内的流量计29的流量进行积分可以得到内油囊实际体积变化量。在深度控制系统中，通过液压油在外油囊28和内油囊27之间来回流动，使拖体保持定深状态，因此通过内油囊的实际体积变化量即可得到外油囊的实际体积变化量。

通过深度控制系统控制深海拖体的过程如图8所示，当要求深海拖体保持定深运动时，通过深度传感器30监测深海拖体的定深深度，当检测到深海拖体的深度超出预设范围时，通过高压柱塞泵1和二位二通电磁阀阀组26在内油囊27和外油囊28之间来回倒油，使深海拖体保持定深状态，同时深度传感器30实时监测深海拖体是否处于设定的深度波动范围内。当要求深海拖体变换工作深度时，由拖体控制系统7计算出深海拖体需要的浮力变化量，从而得到需要的外油囊体积变化量V₂，深度控制系统5开始工作，通过高压柱塞泵1和二位二通电磁阀阀组26在内油囊27和外油囊28之间来回倒油，对浮力调节时间内的流量计29的流量进行积分得到外油囊实际体积变化量V₁，若V₁大于等于需要的外油囊28体积变化量V₂时，深度控制系统5停止工作。

拖体控制系统包括耐压舱Ⅱ、主控板和姿态传感器，主控板和姿态传感器均设置在耐压舱Ⅱ内，通过姿态传感器实时检测深海拖体的横滚角和俯仰角。同时拖体控制系统还与深度传感器30、流量计29电连接，深度传感器30实时监测拖体深度，并反馈给拖体控制系统7。通过对流量计29一段时间内的流量进行积分，即可得到外油囊28的体积变化量，并反馈到拖体控制系统7。

本发明还包括一种深海拖体姿态调节方法，该方法包括以下步骤：

当拖体控制系统7中的姿态传感器探测到深海拖体的横滚角超出预先设定的期望范围时，横滚调节电机14上电，通过俯仰调节联轴器16和俯仰调节传动轴18调节侧翼的横滚角，当姿态传感器检测到深海拖体的横滚角回归到期望范围内时，横滚调节电机14断电；

设深海拖体横滚角的期望范围为(-φ₀,φ₀)，其中0≤φ₀≤π/2，侧翼9的张开角为φ_wing，其中张开角为侧翼与拖体侧面之间的夹角，且0≤φ_wing≤π/2，当姿态传感器检测到深海拖体的横滚角φ超出期望范围时，深海拖体的横滚运动剧烈，横滚调节电机14动作，通过横滚调节联轴器19和横滚调节传动轴20加大侧翼9的张开角φ_wing且0≤φ_wing≤π/2，增加深海拖体水平面的受力面积，减少深海拖体的横滚角度，姿态传感器实时监测深海拖体的横滚角φ₀是否满足-φ₀≤φ≤φ₀，若满足，停止横滚调节，若不满足，继续增大侧翼的张开角φ_wing；

当拖体控制系统7中的姿态传感器探测到深海拖体的俯仰角超出预先设定的期望范围时，俯仰调节电机15上电，通过俯仰调节联轴器16和俯仰调节传动轴18调节侧翼9的俯仰角，姿态传感器检测到深海拖体的俯仰角回归到期望范围内时，俯仰调节电机15断电；

设深海拖体俯仰角的期望范围为(-θ₀,θ₀)，其中0≤θ₀≤π/2，侧翼9的俯仰角为θ_wing，-π/2≤θ_wing≤π/2，当姿态传感器检测到深海拖体的俯仰角π/2≥θ≥θ₀时，拖体的上仰角度过大，俯仰调节电机15动作，通过俯仰调节联轴器16和俯仰调节传动轴15调节侧翼9的俯仰角θ_wing，且-π/2<θ_wing<0，如图6(a)所示，侧翼9受到的流体阻力F可以分解为方向分别垂直于侧翼向下的分力F₁和平行于翼板的分力F₂，利用垂直于侧翼向下的分力F₁使深海拖体下俯，同时姿态传感器实时监测深海拖体的俯仰角θ是否满足-θ₀≤θ≤θ₀，若满足，停止俯仰调节，若不满足，继续减小侧翼9的俯仰角θ_wing；当姿态传感器检测到深海拖体的俯仰角-π/2≤θ≤θ₀时，拖体的下俯角度过大，俯仰调节电机15动作，通过俯仰调节联轴器16和俯仰调节传动轴15调节侧翼9的俯仰角θ_wing，且0<θ_wing<π/2，如图6(b)所示，侧翼9受到的流体阻力F可以分解为方向分别垂直于侧翼向上的分力F₃和平行于侧翼的分力F₄，利用垂直于侧翼向上的分力F₃使深海拖体上仰，同时姿态传感器实时监测深海拖体的俯仰角θ是否满足-θ₀≤θ≤θ₀，若满足，停止俯仰调节，若不满足，继续增大侧翼的俯仰角θ_wing。

以上对本发明所提供的深海拖体及深海拖体姿态调节方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种深海拖体，包括拖体框架(2)、姿态调节系统(4)、深度控制系统(5)、拖体控制系统(7)和两侧翼(9)，其特征在于：所述姿态调节系统(4)、深度控制系统(5)和拖体控制系统(7)分别通过子系统支撑架(6)固定在拖体框架(2)上，两侧翼(9)对称设置在拖体框架(2)内，姿态调节系统(4)和深度控制系统(5)位于侧翼(9)的下方，两侧翼(9)的底部表面分别与姿态调节系统(4)连接，两姿态调节系统(4)之间呈对称设置；

所述姿态调节系统包括俯仰调节机构和横滚调节机构，俯仰调节机构和横滚调节机构之间通过电机间连接件(12)连接，所述俯仰调节机构包括俯仰调节电机(15)、俯仰调节联轴器(16)、俯仰调节传动轴(18)和连接板(31)，俯仰调节电机(15)的输出轴通过俯仰调节联轴器(16)与俯仰调节传动轴(18)连接，连接板(31)位于侧翼(9)的下方，且连接板(31)与侧翼(9)的底部表面固定连接，俯仰调节传动轴(18)的一端与俯仰调节联轴器(16)连接，另一端通过锁紧螺母(17)与连接板(31)连接，俯仰调节电机(15)固定在电机间连接件(12)上；

所述横滚调节机构包括横滚调节电机(14)、横滚调节联轴器(19)、横滚调节传动轴(20)和电机固定支架(13)，横滚调节电机(14)的输出轴通过横滚调节联轴器(19)与横滚调节传动轴(20)连接，横滚调节传动轴(20)的一端与横滚调节联轴器(19)连接，另一端与电机间连接件(12)转动连接，横滚调节电机(14)固定在电机固定支架(13)上，电机固定支架(13)与拖体框架(2)之间固定连接；

所述深度控制系统(5)包括耐压舱Ⅰ(21)、伺服驱动电机(22)、电池组(23)、高压柱塞泵(24)、油路块(25)、二位二通电磁阀阀组(26)、内油囊(27)、外油囊(28)、流量计(29)和深度传感器(30)，电池组(23)固定在耐压舱Ⅰ(21)上，伺服驱动电机(22)固定在电池组(23)上，伺服驱动电机(22)与高压柱塞泵(24)连接，高压柱塞泵(24)通过二位二通电磁阀阀组(26)与外油囊(28)连接，高压柱塞泵(24)通过二位二通电磁阀阀组(26)与内油囊(27)连接，外油囊(28)处设有深度传感器(30)，内油囊(27)的进油口处设有流量计(29)，液压油在外油囊(28)和内油囊(27)之间来回流动；

所述拖体控制系统包括耐压舱Ⅱ、主控板和姿态传感器，主控板和姿态传感器均设置在耐压舱Ⅱ内，主控板分别与姿态传感器、深度传感器(30)、流量计(29)电连接。

2.根据权利要求1所述的深海拖体，其特征在于：还包括尾翼(1)、配重(3)和浮力材料(8)，尾翼(1)、配重(3)、浮力材料(8)均固定在拖体框架(2)上，浮力材料(8)位于拖体框架(2)的前部，尾翼(1)和配重(3)位于拖体框架(2)的后部。

3.根据权利要求2所述的深海拖体，其特征在于：所述电机间连接件(12)上固定连接有活页(11)，伸缩杆(10)的底端与活页(11)通过螺栓固定连接，伸缩杆(10)的顶端与浮力材料(8)固定连接。

4.一种权利要求1-3任一权利要求所述深海拖体的姿态调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

设深海拖体横滚角的期望范围为(-φ₀,φ₀)，其中0≤φ₀≤π/2，侧翼的张开角为φ_wing，其中0≤φ_wing≤π/2，当姿态传感器检测到深海拖体的横滚角φ超出期望范围时，深海拖体的横滚运动剧烈，横滚调节电机动作，通过横滚调节联轴器和横滚调节传动轴加大侧翼的张开角φ_wing，且0≤φ_wing≤π/2，增加深海拖体水平面的受力面积，减少深海拖体的横滚角度，同时姿态传感器实时监测深海拖体的横滚角φ₀是否满足-φ₀≤φ≤φ₀，若满足，停止横滚调节，若不满足，继续增大侧翼的张开角φ_wing；

设深海拖体俯仰角的期望范围为(-θ₀,θ₀)，其中0≤θ₀≤π/2，侧翼的俯仰角为θ_wing，其中-π/2≤θ_wing≤π/2，当姿态传感器检测到深海拖体的俯仰角π/2≥θ≥θ₀时，拖体的上仰角度过大，俯仰调节电机动作，通过俯仰调节联轴器和俯仰调节传动轴调节侧翼的俯仰角θ_wing，且-π/2<θ_wing<0，侧翼受到的流体阻力F分解为垂直于侧翼向下的分力F₁和平行于翼板的分力F₂，利用垂直于侧翼向下的分力F₁使深海拖体下俯，同时姿态传感器实时监测深海拖体的俯仰角θ是否满足-θ₀≤θ≤θ₀，若满足，停止俯仰调节，若不满足，继续减小侧翼的俯仰角θ_wing；

当姿态传感器检测到深海拖体的俯仰角-π/2≤θ≤θ₀时，拖体的下俯角度过大，俯仰调节电机动作，通过俯仰调节联轴器和俯仰调节传动轴调节侧翼的俯仰角θ_wing，且0<θ_wing<π/2，侧翼受到的流体阻力F分解为垂直于侧翼向上的分力F₃和平行于侧翼的分力F₄，利用垂直于侧翼向上的分力F₃使深海拖体上仰，同时姿态传感器实时监测深海拖体的俯仰角θ是否满足-θ₀≤θ≤θ₀，若满足，停止俯仰调节，若不满足，继续增大侧翼的俯仰角θ_wing。

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