CN113942626A - 一种用于无人潜航器的浮心补偿装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无人潜航器的浮心补偿装置及其使用方法，涉及无人潜航器技术领域。本发明包括浮力调节系统、姿态调节系统和自动控制系统；浮力调节系统由压载水舱、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、电磁阀D、水泵和过滤器组成；姿态调节系统包括调整机构、旋转机构、压载质量块和重心调节驱动电机；自动控制系统包括气压传感器、水深传感器、MEMS惯导、位置编码器、浮力调节软件、姿态调节软件、主控板软件和上位机软件。本发明通过采用波浪补偿算法，使无人潜航器在水面工作时可降低海浪对无人潜航器稳定性的干扰，同时采用浮心‑重心补偿算法，能够大大提高无人潜航器的移动速度，从而提升潜航器反应的即时性。

Description

一种用于无人潜航器的浮心补偿装置及其使用方法

技术领域

本发明属于无人潜航器技术领域，特别是涉及一种用于无人潜航器的浮心补偿装置及其使用方法。

背景技术

无人潜航器作为深海探测与研究的重要工具，在探索、侦察等领域具有重要的作用。随着无人潜航器应用海域和海况的变化，对其灵敏度和稳性具有新的要求。

在无人潜航器从栅状管脱离上浮至水面过程中，水流与外壳的阻力和剪切应力会影响无人潜航器的运动方向和速度，从而会影响实际工作任务的准确性和即时性，不能很好的满足不同环境条件下的工作任务要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于无人潜航器的浮心补偿装置及其使用方法，其主要由浮力调节系统、姿态调节系统和自动控制系统三部分组成，主要是通过自动控制系统利用特定传感器经过软件调节无人潜航器的姿态和浮力调节系统，解决了无人潜航器作业过程中准确性和即时性较差，不能很好的满足不同环境条件下的工作任务要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，包括浮力调节系统、姿态调节系统和自动控制系统，所述自动控制系统用于对浮力调节系统和姿态调节系统的控制；所述浮力调节系统由压载水舱、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、电磁阀D、水泵和过滤器组成；所述电磁阀A与电磁阀B之间以及电磁阀C与电磁阀D之间均连接有第一管路，所述电磁阀A与电磁阀C之间以及电磁阀B与电磁阀D之间均连接有第二管路；所述电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路上连接有第三管路，所述第三管路与压载水舱连接；所述电磁阀C与电磁阀D之间的第一管路上连接有进出管路，所述过滤器设置于进出管路上；所述电磁阀A与电磁阀C之间的第二管路与电磁阀B与电磁阀D之间的第二管路之间连接有第四管路，所述水泵设置于第四管路上；所述姿态调节系统包括调整机构、旋转机构、压载质量块和重心调节驱动电机，所述调整机构用于实现无人潜航器俯仰的动作，所述旋转机构用于将无人潜航器从水平状态转变为竖直状态；所述自动控制系统包括气压传感器、水深传感器、MEMS惯导、位置编码器、浮力调节软件、姿态调节软件、主控板软件和上位机软件，所述气压传感器、水深传感器、MEMS惯导和位置编码器均与主控板软件电性连接，所述主控板软件与上位机软件电性连接；所述主控板软件与重心调节驱动电机电性连接，所述水泵以及各个电磁阀均与主控板软件电性连接。

优选地，所述气压传感器设置于压载水舱内的舱壁上。

优选地，所述调整机构和旋转机构均通过重心调节驱动电机进行驱动。

优选地，所述气压传感器用于将压载水舱中的水量信号传递至主控板软件；所述水深传感器用于将无人潜航器的水深信号传递至主控板软件；所述MEMS惯导用于将无人潜航器的姿态和速度信号传递至主控板软件；所述位置编码器用于将压载质量块的位置信号传递至主控板软件。

优选地，所述主控板软件用于将无人潜航器的各种参数和指标传递至上位机软件，所述上位机软件用于将控制指令传递至主控板软件。

一种用于无人潜航器的浮心补偿装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步、当无人潜航器需要上浮时，所述自动控制系统的气压传感器得到此信号，并将此信号传输至主控板软件，所述主控板软件将此信号传递至上位机软件，通过上位机软件对主控板软件发送控制指令，再通过主控板软件控制电磁阀A和电磁阀D开启，同时控制水泵运行；

第二步、压载水舱中的水依次通过第三管路、电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路、电磁阀A、第四管路、水泵、电磁阀D和过滤器排出，当压载水舱中的压力达到相应浮力要求时，气压传感器得到的电信号传输至自动控制系统，通过自动控制系统控制电磁阀A和电磁阀D关闭；

第三步、当无人潜航器需要下沉时，所述自动控制系统的气压传感器得到此信号，并将此信号传输至主控板软件，所述主控板软件将此信号传递至上位机软件，通过上位机软件对主控板软件发送控制指令，再通过主控板软件控制电磁阀B和电磁阀C开启，同时控制水泵运行；

第四步、外部的水依次通过过滤器、进出管路、电磁阀C与电磁阀D之间的第一管路、电磁阀C、第四管路、水泵、电磁阀B、电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路和第三管路进入到压载水舱内，当无人潜航器到达悬浮位置时，气压传感器得到的电信号传输至自动控制系统，通过自动控制系统控制电磁阀B和电磁阀C关闭；

第五步、通过自动控制系统控制重心调节驱动电机驱动调整机构，控制压载质量块前后移动来实现无人潜航器重心前后X方向的调节，通过自动控制系统控制重心调节驱动电机驱动旋转机构，控制压载质量块转动180°实现无人潜航器重心Z方向的调节。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用波浪补偿算法，使无人潜航器在水面工作时，可大大降低海浪对无人潜航器稳定性的干扰。

2、本发明采用浮心-重心补偿算法，使无人潜航器在水下上浮和下潜的过程中，能够大大提高移动速度，从而提升潜航器反应的即时性。

3、本发明优化了系统的自动控制系统，通过调节姿态控制系统和浮力控制系统，实现无人潜航器在不同复杂环境工况下的整体控制。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中无人潜航器的结构示意图。

图2为本发明浮力调节系统简图。

图3为本发明姿态调节系统简图。

图4为本发明自动控制系统整体程序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1-4，本实施例中的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，包括浮力调节系统、姿态调节系统和自动控制系统，自动控制系统用于对浮力调节系统和姿态调节系统的控制；利用自动控制系统对浮力调节系统进行控制，实现无人潜航器的上升和下沉作业，根据作业需要可利用自动控制系统控制姿态调节系统，实现无人潜航器姿态的转换；

浮力调节系统由压载水舱、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、电磁阀D、水泵和过滤器组成；电磁阀A与电磁阀B之间以及电磁阀C与电磁阀D之间均连接有第一管路，电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路设置于电磁阀A和电磁阀B之间的中间位置，电磁阀C与电磁阀D之间的第一管路设置于电磁阀C和电磁阀D之间的中间位置，电磁阀A与电磁阀C之间以及电磁阀B与电磁阀D之间均连接有第二管路；

电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路上连接有第三管路，第三管路设置于电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路的中间位置，第三管路与压载水舱连接；电磁阀C与电磁阀D之间的第一管路上连接有进出管路，过滤器设置于进出管路上，通过过滤器的设置，可有效防止外部的杂物进入到各个管路以及压载水舱中，避免导致电磁阀和水泵堵塞而影响无人潜航器的正常使用；

电磁阀A与电磁阀C之间的第二管路与电磁阀B与电磁阀D之间的第二管路之间连接有第四管路，水泵设置于第四管路上；

姿态调节系统包括调整机构、旋转机构、压载质量块和重心调节驱动电机，调整机构用于实现无人潜航器俯仰的动作，旋转机构用于将无人潜航器从水平状态转变为竖直状态；姿态调节系统主要通过控制旋转机构和调整机构来控制压载质量块，实现对无人潜航器的重心调整，从而完成装置水平至竖直状态的转换；

自动控制系统包括气压传感器、水深传感器、MEMS惯导、位置编码器、浮力调节软件、姿态调节软件、主控板软件和上位机软件，气压传感器、水深传感器、MEMS惯导和位置编码器均与主控板软件电性连接，主控板软件与上位机软件电性连接；主控板软件与重心调节驱动电机电性连接，水泵以及各个电磁阀均与主控板软件电性连接；当无人潜航器处于水平航行过程中，通过水深传感器控制浮力调节软件使无人潜航器悬浮于水下5m处，通过MEMS惯导控制姿态调节软件使无人潜航器稳定于水平姿态，通过重心调节驱动电机使无人潜航器保持水平航行；当无人潜航器处于悬浮状态时，通过MEMS惯导控制姿态调节软件使无人潜航器进行姿态的转换；通过水深传感器控制浮力调节软件使无人潜航器保持悬浮状态和进行上浮运动。

本实施例中，气压传感器设置于压载水舱内的舱壁上；调整机构和旋转机构均通过重心调节驱动电机进行驱动。

本实施例中，气压传感器用于将压载水舱中的水量信号传递至主控板软件；水深传感器用于将无人潜航器的水深信号传递至主控板软件；MEMS惯导用于将无人潜航器的姿态和速度信号传递至主控板软件；位置编码器用于将压载质量块的位置信号传递至主控板软件；

主控板软件用于将无人潜航器的各种参数和指标传递至上位机软件，上位机软件用于将控制指令传递至主控板软件；整个装置主要是通过自动控制系统对其他两个系统进行调节控制，其中气压传感器控制压载水舱的水量，水深传感器控制无人潜航器水深，MEMS惯导控制无人潜航器的姿态和速度，位置编码器控制压载质量块的位置，这种分工明确能够优化装置的系统控制，实现装置在复杂环境工况下的程序控制，满足灵敏度高，平稳性强的要求。

实施例2

请参阅图1-4，本实施例中的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置的使用方法，包括如下步骤：

第一步、当无人潜航器需要上浮时，自动控制系统的气压传感器得到此信号，并将此信号传输至主控板软件，主控板软件将此信号传递至上位机软件，通过上位机软件对主控板软件发送控制指令，再通过主控板软件控制电磁阀A和电磁阀D开启，同时控制水泵运行；

第二步、压载水舱中的水依次通过第三管路、电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路、电磁阀A、第四管路、水泵、电磁阀D和过滤器排出，当压载水舱中的压力达到相应浮力要求时，气压传感器得到的电信号传输至自动控制系统，通过自动控制系统控制电磁阀A和电磁阀D关闭；在第一步和第二步中的电磁阀A和电磁阀D的开关，是通过将此开关量信号传递至自动控制系统，通过自动控制系统的主控板软件对电磁阀A和电磁阀D进行开关控制；

第三步、当无人潜航器需要下沉时，自动控制系统的气压传感器得到此信号，并将此信号传输至主控板软件，主控板软件将此信号传递至上位机软件，通过上位机软件对主控板软件发送控制指令，再通过主控板软件控制电磁阀B和电磁阀C开启，同时控制水泵运行；

第四步、外部的水依次通过过滤器、进出管路、电磁阀C与电磁阀D之间的第一管路、电磁阀C、第四管路、水泵、电磁阀B、电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路和第三管路进入到压载水舱内，当无人潜航器到达悬浮位置时，气压传感器得到的电信号传输至自动控制系统，通过自动控制系统控制电磁阀B和电磁阀C关闭；在第三步和第四步中的电磁阀B和电磁阀C的开关，是通过将此开关量信号传递至自动控制系统，通过自动控制系统的主控板软件对电磁阀B和电磁阀C进行开关控制；

第五步、通过自动控制系统控制重心调节驱动电机驱动调整机构，控制压载质量块前后移动来实现无人潜航器重心前后X方向的调节，通过自动控制系统控制重心调节驱动电机驱动旋转机构，控制压载质量块转动180°实现无人潜航器重心Z方向的调节。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于：包括浮力调节系统、姿态调节系统和自动控制系统，所述自动控制系统用于对浮力调节系统和姿态调节系统的控制；

所述浮力调节系统由压载水舱、电磁阀A、电磁阀B、电磁阀C、电磁阀D、水泵和过滤器组成；所述电磁阀A与电磁阀B之间以及电磁阀C与电磁阀D之间均连接有第一管路，所述电磁阀A与电磁阀C之间以及电磁阀B与电磁阀D之间均连接有第二管路；

所述电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路上连接有第三管路，所述第三管路与压载水舱连接；所述电磁阀C与电磁阀D之间的第一管路上连接有进出管路，所述过滤器设置于进出管路上；

所述电磁阀A与电磁阀C之间的第二管路与电磁阀B与电磁阀D之间的第二管路之间连接有第四管路，所述水泵设置于第四管路上；

所述姿态调节系统包括调整机构、旋转机构、压载质量块和重心调节驱动电机，所述调整机构用于实现无人潜航器俯仰的动作，所述旋转机构用于将无人潜航器从水平状态转变为竖直状态；

所述自动控制系统包括气压传感器、水深传感器、MEMS惯导、位置编码器、浮力调节软件、姿态调节软件、主控板软件和上位机软件，所述气压传感器、水深传感器、MEMS惯导和位置编码器均与主控板软件电性连接，所述主控板软件与上位机软件电性连接；

所述主控板软件与重心调节驱动电机电性连接，所述水泵以及各个电磁阀均与主控板软件电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于，所述气压传感器设置于压载水舱内的舱壁上。

3.根据权利要求1所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于，所述调整机构和旋转机构均通过重心调节驱动电机进行驱动。

4.根据权利要求1所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于，所述气压传感器用于将压载水舱中的水量信号传递至主控板软件。

5.根据权利要求1所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于，所述水深传感器用于将无人潜航器的水深信号传递至主控板软件。

6.根据权利要求1所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于，所述MEMS惯导用于将无人潜航器的姿态和速度信号传递至主控板软件。

7.根据权利要求1所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于，所述位置编码器用于将压载质量块的位置信号传递至主控板软件。

8.根据权利要求1所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置，其特征在于，所述主控板软件用于将无人潜航器的各种参数和指标传递至上位机软件，所述上位机软件用于将控制指令传递至主控板软件。

9.如权利要求1-8任意一项所述的一种用于无人潜航器的浮心补偿装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、当无人潜航器需要上浮时，所述自动控制系统的气压传感器得到此信号，并将此信号传输至主控板软件，所述主控板软件将此信号传递至上位机软件，通过上位机软件对主控板软件发送控制指令，再通过主控板软件控制电磁阀A和电磁阀D开启，同时控制水泵运行；

第二步、压载水舱中的水依次通过第三管路、电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路、电磁阀A、第四管路、水泵、电磁阀D和过滤器排出，当压载水舱中的压力达到相应浮力要求时，气压传感器得到的电信号传输至自动控制系统，通过自动控制系统控制电磁阀A和电磁阀D关闭；

第三步、当无人潜航器需要下沉时，所述自动控制系统的气压传感器得到此信号，并将此信号传输至主控板软件，所述主控板软件将此信号传递至上位机软件，通过上位机软件对主控板软件发送控制指令，再通过主控板软件控制电磁阀B和电磁阀C开启，同时控制水泵运行；

第四步、外部的水依次通过过滤器、进出管路、电磁阀C与电磁阀D之间的第一管路、电磁阀C、第四管路、水泵、电磁阀B、电磁阀A与电磁阀B之间的第一管路和第三管路进入到压载水舱内，当无人潜航器到达悬浮位置时，气压传感器得到的电信号传输至自动控制系统，通过自动控制系统控制电磁阀B和电磁阀C关闭；

第五步、通过自动控制系统控制重心调节驱动电机驱动调整机构，控制压载质量块前后移动来实现无人潜航器重心前后X方向的调节，通过自动控制系统控制重心调节驱动电机驱动旋转机构，控制压载质量块转动180°实现无人潜航器重心Z方向的调节。

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