CN113984329A - 一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法 - Google Patents

一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于水下机器人最大航速续航力试验的方法，在水下机器人中安装记录装置，在符合要求的水域布放水下机器人，下潜到预定深度，在指定试验区内以最大功率航速航行，完成样本采集，水下机器人返回回收之后下载数据，进行预设试验条件比对，试验环境满足试验设定的情况下进行数据分析，计算最大功率航速下的续航里程。该方法融合了航行的机动性与实航的可循环性，将航行过程的最大航行速度均值以及实时输出功率作为续航力考核的因素，具有更好的实用价值，便于水下机器人实航使用，完成了水下机器人可循环实况条件下的续航力量化运算。

Description

一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，涉及一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法。
背景技术
水下机器人有三大问题亟待提高和优化，水下机器人的续航能力、导航技术与通信技术。当前，水下机器人多采用电池释放的电能来提供动力，但是电池的造价昂贵，且储能有限，极大限制了水下机器人的续航能力。不同水下机器人由于结构、控制方式以及所搭载的动力源的不同，动力能源的续航能力并不能实际代表水下机器人本身的续航能力。与陆上新能源动力车的测试环境不同，水下机器人领域尚未有业内认可的续航标准，一方面在水下构建循环工况的模拟环境难度较大，另一方面即使是同一水下机器人在不同速度下其续航能力有很大差异。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，该方法通过在水下机器人上安装的记录装置，获取并记录水下机器人航行数据信息，确保水下机器人在航行过程中按照试验预订的深度、区域以及流程完成试验。
本发明所采用的技术方案是，一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，具体包括如下步骤：
步骤1，检查水下机器人；
步骤2，将水下机器人布放到指定水域；
步骤3，水下机器人下潜到指定深度；
步骤4，水下机器人变速进入到测试区，逐步达到最大设计航速；
步骤5，在测试区域内保持最大航速航行完成6个位置航行样本采集；
步骤6，水下机器人上浮、返回布放回收点；
步骤7，回收水下机器人；
步骤8，从水下机器人的记录装置中下载航行数据；
步骤9，分析记录装置下载的航行数据，与试验规定的下潜深度、测速区数据做信息比对，判断水下机器人有无按规定区域与深度航行；如符合试验规定区域继续进行续航力的计算，若不符合试验规定则试验数据无效；
步骤10，计算最大航速与最大航速续航时间；
步骤11，计算最大巡航速度下的续航里程。
本发明的特点还在于：
步骤1的具体过程为：
步骤1.1，水下机器人动力源满电；
步骤1.2，检查水下机器人通信状态正常，记录装置工作正常；
步骤1.3，检查水下机器人导航状态正常。
步骤2中指定水域满足以下要求：水域水面范围：≥20km x 10km，水深≥50m，无干扰船只，海况3级以下。
步骤10的具体过程为：
步骤10.1，计算最大航速，具体为：
通过如下公式(1)计算每个航次通过测速段的平均航速：
Figure BDA0003253594280000031
通过如下公式(2)计算最大航速：
Figure BDA0003253594280000032
其中，k＝1，2，......，N；代表每个航次序号；Vk表示每个航次通过测速段的平均航速，Vmax表示最大航速，L表示测速段长度，tk表示水下机器人通过测速段用的时间；
步骤10.2计算最大续航时间，具体为：
根据试验中各航次记录的电源输出电压和输出电流，计算水下机器人在最大航速巡航时的平均电源输出电压
Figure BDA0003253594280000033
和电流
Figure BDA0003253594280000034
Figure BDA0003253594280000035
Figure BDA0003253594280000036
其中，
Figure BDA0003253594280000037
表示最大航速过程水下机器人电源平均输出电压，单位V；Uk表示试验中各航次水下机器人电源的输出电压，单位V；
Figure BDA0003253594280000038
表示最大航速过程中水下机器人电源平均输出电流，单位A；Ik表示试验中各航次电源输出电流，单位A，k表示航次序号；
计算水下机器人最大巡航速度情况下的续航时间：
Figure BDA0003253594280000041
其中，
Figure BDA0003253594280000042
表示最大航速水下机器人续航时间，单位：小时；W总表示水下机器人可释放的总电能，单位：千瓦时；
Figure BDA0003253594280000043
表示最大航速过程水下机器人电源平均输出电压，单位V；
Figure BDA0003253594280000044
表示最大航速过程中水下机器人电源平均输出电流，单位A；Qz表示数据记录装置功率，单位：瓦特。
步骤11的具体过程为：通过如下公式(6)计算最大巡航速度下的续航里程：
Figure BDA0003253594280000045
其中，
Figure BDA0003253594280000046
表示最大航速水下机器人续航里程，单位：海里；Vmax表示水下机器人最大航速，单位：节；
Figure BDA0003253594280000047
表示最大航速水下机器人的续航时间，单位：小时。
本发明的有益效果是：本发明将水下机器人的续航力的计算与简单的动力源储能多少区别开来；提出了将实航工况与规定流程化的航行试验相结合，分析航行数据计算最大巡航速度情况下的续航里程；本发明在实航中具有较强的可操作性并且可以高效执行。
附图说明
图1是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法的水下机器人试验区域实航工作纵切剖面图；
图2是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法的实施工作流程图；
图3是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置的结构示意图；
图4是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中记录装置主机的结构示意图；
图5是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中记录装置主机的俯视图；
图6是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中嵌入式主板电路的结构示意图；
图7是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中防水耐压天线的结构示意图；
图8是本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法中采用的用于水下机器人的记录装置中防水耐压天线的剖视图。
图中，1.壳体，2.电源/网络接口，3.深度计接口，4.调试口接口，5.天线接口，6.底板，7.安装弯角，8.安装孔，9.嵌入式主板电路，10.记录装置主机；
11.防水耐压天线，11-1.防水耐压壳帽，11-2.卫星天线，11-3.防水耐压壳底座，11-4.水密胶圈I，11-5.水密胶圈II，11-6.水密耐压线缆，11-7.支撑底座，11-8.通孔；
12.深度计。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：
步骤1、检查水下机器人，具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、水下机器人动力源满电；
步骤1.2、检查水下机器人通信状态正常，记录装置工作正常；
步骤1.3、检查水下机器人导航状态正常。
步骤2、水下机器人布放到指定水域，如图1所示，指定水域满足以下要求：
1.水域水面范围：≥20km x 10km，水深≥50m，无干扰船只，海况3级以下；
2.测试水域以按图1所示在测试区域布置水下标志。
步骤3、水下机器人下潜到指定深度；
步骤4、水下机器人变速进入到测试区，逐步达到最大设计航速；
步骤5、在测试区域内保持最大航速航行完成6个位置航行样本采集；
步骤6、水下机器人上浮、返回布放回收点；
步骤7、回收水下机器人；
步骤8、从记录装置下载航行数据；
用于水下机器人的记录装置，如图3所示，包括记录仪主机10，记录仪主机10分别连接防水耐压天线11和深度计12。记录仪主机10负责数据的采集、记录和管理；防水耐压天线11负责接收卫星信号，获取位置信息；深度计12负责输出水深的压力数据。
如图4、5所示，记录仪主机10包括壳体1，壳体1上设有电源/网络接口2、深度计接口3、调试口接口4、天线接口5，壳体1与底板6连接，壳体1和四个安装弯角7使用螺钉紧固，安装弯角7上设有安装孔8，壳体1内安装有嵌入式主板电路9。
如图6所示，嵌入式主板电路9包括处理器AM3359，处理器AM3359连接RS422串口收发芯片ADM2582，处理器AM3359连接PHY芯片AR8031，PHY芯片AR8031连接网络变压器HY682405E，处理器AM3359连接存储芯片THGBMJG9C8LBAU8，存储芯片THGBMJG9C8LBAU8连接存储器自毁模块DSP1-L2-DC5V-F，处理器AM3359连接接收机P327。
嵌入式主板电路9中各部件的功能如下：
处理器AM3359：为嵌入式主板电路9的处理器，处理接收到的数据并存储。
芯片ADM2582：为RS422串口隔离芯片，实现RS422电平转换以及电气隔离。
芯片AR8031：为网络PHY芯片，实现以太网信号的物理接口信号收发。
网络变压器HY682405E：网络变压器实现以太网信号的隔离以及传输。
芯片THGBMJG9C8LBAU8：存储器芯片，用于存储数据。
电源模块VRB2412S-10WR3：12V电源模块，用于烧毁存储器。
继电器DSP1-L2-DC5V-F：处理器通过IO控制器继电器来切换电源实现烧毁存储器。
接收机P327：卫星接收机，配合外部天线实现差分定位。
嵌入式主板电路9基于AM3359处理器，处理器通过网络控制电路和RS422串口从电源/网络接口2和深度计接口3接收的数据、处理器完成数据解析并存储到存储器，嵌入式主板电路9上的接收机通过天线接口5与卫星天线相连，从而获取差分定位数据，处理器将卫星定位数据存储到存储器。
当处理器解析到烧毁存储器的指令时，主处理器通过存储器自毁电路烧毁存储器。
航行结束后通过电源/网络接口2进行数据下载。通过调试口接口4对记录仪主机的进行运行参数的设定或修改。
如图7、8所示，防水耐压天线11包括包括防水耐压壳底座11-3，防水耐压壳底座11-3上方套接有防水耐压壳帽11-1，防水耐压壳帽11-1与防水耐压壳底座11-3之间放置有卫星天线11-2，防水耐压壳底座11-3的下方连接有中空的支撑底座11-7，支撑底座11-7内设有水密耐压线缆11-6，水密耐压线缆11-6的一端与卫星天线11-2连接，水密耐压线缆11-6的另一端从支撑底座11-7的侧面伸出。
防水耐压壳帽11-1和防水耐压壳底座11-3之间通过螺纹连接。防水耐压壳帽11-1和防水耐压壳底座11-3的连接端面处设有水密胶圈I11-4，水密胶圈I11-4的直径为
Figure BDA0003253594280000091
防水耐压壳底座11-3与支撑底座11-7通过螺纹连接。防水耐压壳底座11-3与支撑底座11-7的连接端面处设有水密胶圈II11-5。水密胶圈II11-5的直径为
Figure BDA0003253594280000092
卫星天线11-2与水密耐压线缆11-6之间通过专用TNC接口连接。支撑底座11-7的侧面设有通孔11-8，水密耐压线缆11-6的另一端从通孔11-8中穿出。
防水耐压天线中主要部件的作用分别如下：
防水耐压壳帽11-1与防水耐压壳底座11-3为黑色POM材质铣削成型，高硬度、高刚性，高耐磨性，具有良好绝缘性，二者通过螺纹连接，为卫星天线提供非金属耐压防水环境；。
3M注胶：使零件支撑底座11-7的空腔注满3M胶，保证支撑座底座11-7的耐压与防水性能，使水密线缆定型固定，将卫星天线和水密线缆TNC接头包裹在3M注胶中，从而达到其防水耐压性能。
防水耐压壳帽11-1和防水耐压壳底座11-3由黑色POM材质铣削成型，具有高硬度、高刚性、高耐磨性。具有良好的绝缘性，几乎不受温度和湿度的影响，所以对卫星天线的信号的接收影响极低。
支撑底座11-7为不锈钢材质加工而成，为防水耐压天线整体提供牢固支撑。
防水耐压天线11采用侧出线方式(水密耐压线缆11-6从支撑底座11-7侧面的通孔11-8伸出)，可以有效节约所搭载设备的高度方向空间。用于水下机器人的记录装置，记录仪主机10固定在水下机器人内部，防水耐压天线11固定在水下机器人的外壳顶部，深度计12固定在水下机器人的壳体上并且感压面与水接触。
记录仪主机10与水下机器人的内部设备通过供电和通讯线缆连接。
防水耐压天线11与记录仪主机10的连接线缆分为两部分，水下机器人内部为普通同轴线缆，水下机器人外部采用防水耐压同轴线缆，中间通过穿舱连接器连接。
深度计12与记录仪主机通过深度计12的线缆连接。
记录仪主机10还通过调试、下载线缆与连接器连接。
用于水下机器人的记录装置的工作过程为：
水下机器人设备启动后给记录仪通电工作；水下机器人将自身的各项运行数据通过通讯协议发送到记录仪主机；记录仪主机10根据通讯协议接收有效信息并存储；在水下机器人处于水面上方时，记录仪主机10获取卫星天线11-2的卫星信号数据，存储在记录仪主机10的存储介质中，同时接收卫星时间以校准记录仪主机的系统时间；
记录仪主机10接收深度计12传回的压力数据并存储。
步骤9、分析记录装置下载的航行数据，与试验规定的下潜深度、测速区数据做信息比对，判断水下机器人有无按规定区域与深度航行；如符合试验规定区域继续进行续航力的计算，若不符合试验规定择试验数据无效；
步骤10、计算最大航速与最大航速续航时间：
步骤10.1、计算最大航速
每个航次通过测速段的平均航速：
Figure BDA0003253594280000111
最大航速:
Figure BDA0003253594280000112
其中，k＝1，2，......，N；代表每个航次序号；Vk表示每个航次通过测速段的平均航速，Vmax表示最大航速，L表示测速段长度，tk表示水下机器人通过测速段用的时间；
步骤10.2、最大航速续航时间
根据试验中各航次记录的电源输出电压和输出电流，计算水下机器人在最大航速巡航时的平均电源输出电压
Figure BDA0003253594280000113
和电流
Figure BDA0003253594280000114
Figure BDA0003253594280000115
Figure BDA0003253594280000116
其中，
Figure BDA0003253594280000117
表示最大航速过程水下机器人电源平均输出电压，单位V；Uk表示试验中各航次水下机器人电源的输出电压，单位V；
Figure BDA0003253594280000118
表示最大航速过程中水下机器人电源平均输出电流，单位A；Ik表示试验中各航次电源输出电流，单位A，k表示航次序号；k取1～6。
计算水下机器人最大巡航速度情况下的续航时间：
Figure BDA0003253594280000119
其中，
Figure BDA00032535942800001110
表示最大航速水下机器人续航时间，单位：小时；
W总表示水下机器人可释放的总电能，单位：千瓦时；
Figure BDA0003253594280000121
表示最大航速过程水下机器人电源平均输出电压，单位V；
Figure BDA0003253594280000122
表示最大航速过程中水下机器人电源平均输出电流，单位A；Qz表示数据记录装置功率，单位：瓦特。(数据记录装置为试验使用，水下机器人正常使用时无次设备，计算最大续航力需要将数据记录装置的功率去掉)。
步骤11，计算最大巡航速度下的续航里程：
Figure BDA0003253594280000123
其中，
Figure BDA0003253594280000124
表示最大航速水下机器人续航里程，单位：海里；Vmax表示水下机器人最大航速，单位：节；
Figure BDA0003253594280000125
表示最大航速水下机器人的续航时间，单位：小时。
步骤12、保存步骤10和步骤11的计算结果。
在本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法中：步骤1的作用在于确定水下机器人在实航过程中工作状态正常从而获得稳定准确的试验数据。
步骤2～9的作用在于确立规范的实航环境和试验流程，实现试验的可循环实况。
步骤10、11的作用为从实航的航行数据中获取航行信息，通过公式计算水下机器人的续航力。试验采用参试设备在指定区域指定深度上的6次样本作为计算依据，取样本数据的算术平均值作为最大巡航速度，结合水下机器人本身的总电能、多次样本数据中的平均输出功率、记录装置功率计算最大航速水下机器人续航时间，进一步可以通过公式(6)计算得到水下机器人的最大巡航速度下的续航里程。
计算水下机器人最大续航力，既要考虑航行速度也要兼顾续航时间，根据此方法计算所得的续航里程与航行速度、续航时间不是简单的正相关，融合了航行的机动性与实航的可循环性，将航行过程的最大航行速度均值以及实时输出功率作为续航力考核的因素，具有更好的实用价值，便于水下机器人实航使用。
本发明一种适用于水下机器人最大航速续航力试验的方法，在水下机器人中安装记录装置，在符合要求的水域布放水下机器人，下潜到预定深度，在指定试验区内以最大功率航速航行，完成样本采集，水下机器人返回回收之后下载数据，进行预设试验条件比对，试验环境满足试验设定的情况下进行数据分析，计算最大功率航速下的续航里程。该方法融合了航行的机动性与实航的可循环性，将航行过程的最大航行速度均值以及实时输出功率作为续航力考核的因素，具有更好的实用价值，便于水下机器人实航使用，完成了水下机器人可循环实况条件下的续航力量化运算。

Claims (5)

1.一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，检查水下机器人；
步骤2，将水下机器人布放到指定水域；
步骤3，水下机器人下潜到指定深度；
步骤4，水下机器人变速进入到测试区，逐步达到最大设计航速；
步骤5，在测试区域内保持最大航速航行完成6个位置航行样本采集；
步骤6，水下机器人上浮、返回布放回收点；
步骤7，回收水下机器人；
步骤8，从水下机器人的记录装置中下载航行数据；
步骤9，分析记录装置下载的航行数据，与试验规定的下潜深度、测速区数据做信息比对，判断水下机器人有无按规定区域与深度航行；如符合试验规定区域继续进行续航力的计算，若不符合试验规定则试验数据无效；
步骤10，计算最大航速与最大航速续航时间；
步骤11，计算最大巡航速度下的续航里程。
2.根据权利要求1所述的一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：
步骤1.1，水下机器人动力源满电；
步骤1.2，检查水下机器人通信状态正常，记录装置工作正常；
步骤1.3，检查水下机器人导航状态正常。
3.根据权利要求1所述的一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，其特征在于：所述步骤2中指定水域满足以下要求：水域水面范围：≥20km x 10km，水深≥50m，无干扰船只，海况3级以下。
4.根据权利要求1所述的一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，其特征在于：所述步骤10的具体过程为：
步骤10.1，计算最大航速，具体为：
通过如下公式(1)计算每个航次通过测速段的平均航速：
Figure FDA0003253594270000021
通过如下公式(2)计算最大航速：
Figure FDA0003253594270000022
其中，k＝1，2，......，N；代表每个航次序号；Vk表示每个航次通过测速段的平均航速，Vmax表示最大航速，L表示测速段长度，tk表示水下机器人通过测速段用的时间；
步骤10.2计算最大续航时间，具体为：
根据试验中各航次记录的电源输出电压和输出电流，计算水下机器人在最大航速巡航时的平均电源输出电压
Figure FDA0003253594270000023
和电流
Figure FDA0003253594270000024
Figure FDA0003253594270000025
Figure FDA0003253594270000026
其中，
Figure FDA0003253594270000031
表示最大航速过程水下机器人电源平均输出电压，单位V；Uk表示试验中各航次水下机器人电源的输出电压，单位V；
Figure FDA0003253594270000032
表示最大航速过程中水下机器人电源平均输出电流，单位A；Ik表示试验中各航次电源输出电流，单位A，k表示航次序号；
计算水下机器人最大巡航速度情况下的续航时间：
Figure FDA0003253594270000033
其中，
Figure FDA0003253594270000034
表示最大航速水下机器人续航时间，单位：小时；
W总表示水下机器人可释放的总电能，单位：千瓦时；
Figure FDA0003253594270000035
表示最大航速过程水下机器人电源平均输出电压，单位V；
Figure FDA0003253594270000036
表示最大航速过程中水下机器人电源平均输出电流，单位A；Qz表示数据记录装置功率，单位：瓦特。
5.根据权利要求4所述的一种适用于水下机器人最大航速续航力试验方法，其特征在于：所述步骤11的具体过程为：通过如下公式(6)计算最大巡航速度下的续航里程：
Figure FDA0003253594270000037
其中，
Figure FDA0003253594270000038
表示最大航速水下机器人续航里程，单位：海里；Vmax表示水下机器人最大航速，单位：节；
Figure FDA0003253594270000039
表示最大航速水下机器人的续航时间，单位：小时。
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