CN114715344B - 移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法 - Google Patents

移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其中监测系统包括拖船、拖曳链、潜航器，拖曳链连接拖船和潜航器，拖船上设有拖曳链收放机构；拖曳链上设有至少三个传感器，传感器和拖曳链之间通过电磁耦合方式实现供电和数据传输；控制方法具体包括以下步骤：步骤一、布放潜航器和拖曳链；步骤二、拖船和潜航器航行状态监测；步骤三、拖曳链姿态预测；步骤四、拖曳链姿态控制：求解得到潜航器位置和拖曳链调整长度，进而控制潜航器移动。

Description

移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法
技术领域
本发明涉及海洋环境监测领域，特别涉及一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法。
背景技术
海水参数监测方式可分为采样检测和原位在线监测，采样检测通过人工或机械力进行多次海水采样后带回岸上检测，该方法适用于复杂的海水参数检测分析，但效率低。原位在线监测通过布置在海水中的传感器系统，实时监测海水参数，并将监测结果存储或通过无线方式实时发送至岸端，这种方式可以大范围快速监测海水常规参数。原位在线检测的形式较多，可分为定点式监测和移动式监测，例如锚系浮标监测、波浪艇拖曳监测、移动平台拖曳监测等。
定点式监测系统操作简单，只需在监测点布置海水监测传感器系统即可，但对于海域环境监测，需要布置大量监测系统，成本高，并且定点式监测系统长期固定在海洋环境中，易遭破坏且维护不便。移动式监测系统多采用拖曳链的形式监测海水参数，拖曳链上布置海水监测传感器，通过波浪艇或拖船拖动拖曳链移动，可实现多点位、分层监测海水参数。但传统拖曳式传感器体积较大，快速移动时，会在传感器周围产生紊流，各个传感器深度方向间距小，易造成紊流影响，导致传感器测得的海水参数误差大，此外，传统传感器拖曳阻力大浪费能源。
专利“基于移动平台的海洋断面观测链”(ZL201820944599.8)通过移动平台带动观测链移动，观测链上设有传感器、浮体和配重块，能快速监测海洋断面环境参数；专利申请“一种海洋环境监测装置”(CN202110100186.8)通过遥控船带动可收放的监测装置实现不同深度海水参数的快速测量；专利“基于波浪滑翔器的海洋环境噪声测量装置”(ZL201810071039.0)采用波浪艇作为测量平台搭载监测装置实现定点测量和走航测量。但上述专利中拖链或电缆在不同拖行速度情况下姿态无法控制，易导致传感器分层监测参数不准确，并且监测装置拖行阻力较大，易导致拖曳角变大，使传感器测量深度不足，同时拖行能耗大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其中监测系统包括拖船、拖曳链、潜航器，拖曳链连接拖船和潜航器，拖船上设有拖曳链收放机构；拖曳链上设有至少三个传感器，传感器和拖曳链之间通过电磁耦合方式实现供电和数据传输；控制方法具体包括以下步骤：
步骤一、布放潜航器和拖曳链
将拖曳链与潜航器固定后，将潜航器投入海中，通过拖船上的拖曳链收放机构释放拖曳链，直至潜航器下潜至固定探测深度H；当拖船运行速度一定时，拖曳链分为近似水平段与测量段两段，近似水平段记为A段，其拖曳角即拖曳链与铅直方向夹角记为α1，测量段记为B段，其拖曳角记为α2；各个传感器均布在拖曳链的B段上；
步骤二、拖船和潜航器航行状态监测
潜航器在固定深度H处航行，将拖船和潜航器的航行位置简化至平面坐标系中，通过拖船和潜航器自带的定位导航系统，以固定时间间隔t获得拖船的位置P1(X1，Y1)、航速V1；
步骤三、拖曳链姿态预测
拖船航速V1与拖曳链的A段长度L1的函数关系记为L1＝F(V1)，拖曳链材质确定后由仿真软件分析计算得出L1和V1的映射关系F；拖曳链测量段B段的拖曳角α2＝arccos((L-L1)/H)；
步骤四、拖曳链姿态控制
根据拖船的航速V1和位置P1实时调整拖曳链长度和潜航器的新位置P2(X2，Y2)以保证拖曳链测量段B段拖曳角α2∈[0,20°]，从而满足翼型传感器在深度方向上间距满足监测要求，拖船和潜航器在平面坐标系中的间距记为L，拖曳链调整的长度记为△L；调整关系满足以下条件；
Figure GDA0004061759340000031
其中，V1′为上一时间间隔获取的速度值；
求解得到P2(X2，Y2)和△L，进而控制潜航器移动，控制拖曳链收放；
当拖船加速快行时，拖曳链拖曳阻力增大，引起拖曳链的A段拖曳角增大，将拖曳链长度增加△L，同时调整控制潜航器位置至P2(X2，Y2)；
当拖船减速缓行时，拖曳链拖曳阻力减小，引起拖曳链的A段拖曳角减小，将拖曳链长度减小△L，避免拖曳链下垂，同时调整潜航器位置至P2(X2，Y2)。
作为一种优选的方案，所述传感器为翼型传感器。
作为一种优选的方案，所述翼型传感器外表面为翼型曲面，其截面曲线方程为：
y＝a1 sin(b1x+c1)+a2 sin(b2x+c2)+a3 sin(b3x+c3)；
其中，a1∈(-3.716e4,3.726e4)、b1∈(-3.897,3.98)、c1∈(-304.9,302.9)、a2∈(-7.677e5,7.679e5)、b2∈(-25.41,25.53)、c2∈(-1872,1873)、a3∈(-8.049e5,8.051e5)、b3∈(-21.18,21.3)、c3∈(-1545,1552)；
作为一种优选的方案，所述间隔时间t为10s至60s间任意值。
作为一种优选的方案，所述拖曳链上设有10个以上所述翼型传感器。
作为一种优选的方案，所述拖曳链为电缆。
本发明的有益效果是：
(1)通过拖船和潜航器位置协同控制，实现拖曳链测量段的拖曳角控制，避免拖曳链测量段拖曳角过大，引起传感器深度方向间距过小，进而导致传感器之间相互干扰，影响测量结果；
(2)通过实时调整拖曳链收放长度，避免在拖船加速或减速情况下引起拖曳链测量段拖曳角过大或拖曳链下垂，影响传感器测量结果；
(3)设计翼型曲面传感器，可有效减小拖曳阻力，减小拖曳链测量段拖曳角，有利于保障传感器测量深度，同时降低拖行能耗。
附图说明
图1为本发明移动式多层海洋环境剖面监测系统图；
图2为本发明平面坐标系下位置示意图；
图3为本发明翼型传感器轴测图；
图4为本发明翼型传感器截面图；
图5为本发明翼型传感器拖曳阻力分析结果图。
图中：1-拖船；2-拖曳链；3-潜航器；4-翼型传感器；41-翼型曲面。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
如图1-5所示，一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其中监测系统包括拖船1、拖曳链2、潜航器3，拖曳链2连接拖船1和潜航器3，拖船1上设有拖曳链收放机构；拖曳链2为电缆。拖曳链2上设有10个以上传感器4，传感器4和拖曳链2之间通过电磁耦合方式实现供电和数据传输；
所述传感器为翼型传感器。翼型传感器4外表面为翼型曲面，其截面曲线方程为：
y＝a1 sin(b1x+c1)+a2 sin(b2x+c2)+a3 sin(b3x+c3)；
其中，a1∈(-3.716e4,3.726e4)、b1∈(-3.897,3.98)、c1∈(-304.9,302.9)、a2∈(-7.677e5,7.679e5)、b2∈(-25.41,25.53)、c2∈(-1872,1873)、a3∈(-8.049e5,8.051e5)、b3∈(-21.18,21.3)、c3∈(-1545,1552)；
本方案中a1＝51.33、b1＝0.04132、c1＝-1、a2＝105.7、b2＝0.05788、c2＝0.8981、a3＝69.89、b3＝0.06255、c3＝3.698；该曲面构成的翼型传感器拖行阻力与矩形外形的传感器拖行阻力比较结果如图5所示，在高速拖行情况下，翼型传感器4的拖行阻力可比矩形传感器的拖行阻力降低40％；
控制方法具体包括以下步骤：
步骤一、布放潜航器和拖曳链
将拖曳链2与潜航器3固定后，将潜航器3投入海中，通过拖船1上的拖曳链收放机构释放拖曳链2，直至潜航器3下潜至固定探测深度H；当拖船1运行速度一定时，拖曳链2分为A、B两段，A段为近似水平段，其拖曳角即拖曳链与铅直方向夹角记为α1，B段为测量段，其拖曳角记为α2；各个传感器4均布在拖曳链2的B段上；
步骤二、拖船和潜航器航行状态监测
潜航器3在固定深度H处航行，将拖船1和潜航器3的航行位置简化至平面坐标系中，通过拖船1和潜航器3自带的定位导航系统，以固定时间间隔t(10s≤t≤60s)获得拖船1的位置P1(X1，Y1)、航速V1；
步骤三、拖曳链姿态预测
拖船1航速V1与拖曳链2的A段长度L1具有函数关系，定义为L1＝F(V1)，函数关系F受拖曳链2材质影响，拖曳链2材质确定后，可由仿真软件(orcaflex)分析计算得出L1和V1的映射关系F；则拖曳链2测量段B段的拖曳角α2＝arccos((L-L1)/H)；
步骤四、拖曳链姿态控制
根据拖船1的航速V1和位置P1实时调整拖曳链2长度和潜航器3的新位置P2(X2，Y2)以保证拖曳链2测量段B段拖曳角α2∈[0,20°]，从而满足翼型传感器在深度方向上间距满足监测要求，拖船1和潜航器3在平面坐标系中的间距记为L，拖曳链2调整的长度记为△L；调整关系满足以下条件；
Figure GDA0004061759340000061
其中，V1′为上一时间间隔获取的速度值；
求解得到P2(X2，Y2)和△L，进而控制潜航器3移动，控制拖曳链2收放；
当拖船1加速快行时，拖曳链2拖曳阻力增大，引起拖曳链2的A段拖曳角增大，将拖曳链2长度增加△L，同时调整控制潜航器3位置至P2(X2，Y2)；
当拖船1减速缓行时，拖曳链2拖曳阻力减小，引起拖曳链2的A段拖曳角减小，将拖曳链2长度减小△L，避免拖曳链2下垂，同时调整潜航器3位置至P2(X2，Y2)。
上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其中监测系统包括拖船、拖曳链、潜航器，拖曳链连接拖船和潜航器，拖船上设有拖曳链收放机构；拖曳链上设有至少三个传感器，传感器和拖曳链之间通过电磁耦合方式实现供电和数据传输；控制方法具体包括以下步骤：
步骤一、布放潜航器和拖曳链
将拖曳链与潜航器固定后，将潜航器投入海中，通过拖船上的拖曳链收放机构释放拖曳链，直至潜航器下潜至固定探测深度H；当拖船运行速度一定时，拖曳链分为近似水平段与测量段两段，近似水平段记为A段，其拖曳角即拖曳链与铅直方向夹角记为α1，测量段记为B段，其拖曳角记为α2；各个传感器均布在拖曳链的B段上；
步骤二、拖船和潜航器航行状态监测
潜航器在固定深度H处航行，将拖船和潜航器的航行位置简化至平面坐标系中，通过拖船和潜航器自带的定位导航系统，以固定时间间隔t获得拖船的位置P1(X1，Y1)、航速V1；
步骤三、拖曳链姿态预测
拖船航速V1与拖曳链的A段长度L1的函数关系记为L1＝F(V1)，拖曳链材质确定后由仿真软件分析计算得出L1和V1的映射关系F；拖曳链测量段B段的拖曳角α2＝arccos((L-L1)/H)；
步骤四、拖曳链姿态控制
根据拖船的航速V1和位置P1实时调整拖曳链长度和潜航器的新位置P2(X2，Y2)以保证拖曳链测量段B段拖曳角α2∈[0,20o]，从而满足翼型传感器在深度方向上间距满足监测要求，拖船和潜航器在平面坐标系中的间距记为L，拖曳链调整的长度记为△L；调整关系满足以下条件；
Figure FDA0004061759330000021
其中，V1′为上一时间间隔获取的速度值；
求解得到P2(X2，Y2)和△L，进而控制潜航器移动，控制拖曳链收放；
当拖船加速快行时，拖曳链拖曳阻力增大，引起拖曳链的A段拖曳角增大，将拖曳链长度增加△L，同时调整控制潜航器位置至P2(X2，Y2)；
当拖船减速缓行时，拖曳链拖曳阻力减小，引起拖曳链的A段拖曳角减小，将拖曳链长度减小△L，避免拖曳链下垂，同时调整潜航器位置至P2(X2，Y2)。
2.如权利要求1所述的一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其特征在于：所述传感器为翼型传感器。
3.如权利要求2所述的一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其特征在于：所述翼型传感器外表面为翼型曲面，其截面曲线方程为：
y＝a1sin(b1x+c1)+a2sin(b2x+c2)+a3sin(b3x+c3)；
其中，a1∈(-3.716e4,3.726e4)、b1∈(-3.897,3.98)、c1∈(-304.9,302.9)、a2∈(-7.677e5,7.679e5)、b2∈(-25.41,25.53)、c2∈(-1872,1873)、a3∈(-8.049e5,8.051e5)、b3∈(-21.18,21.3)、c3∈(-1545,1552)。
4.如权利要求1所述的一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其特征在于：所述间隔时间t为10s至60s间任意值。
5.如权利要求1所述的一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其特征在于：所述拖曳链上设有10个以上所述翼型传感器。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的一种移动式多层海洋环境剖面监测系统的控制方法，其特征在于：所述拖曳链为电缆。
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