CN208498772U - 油囊与推进器混合控制rov水下悬停及定深控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及无人潜水器技术领域，为提出一种能够灵活控制浮力以适应不同环境及工作任务，并且在工作过程中能减小能源消耗的混合控制的水下控制装置，本实用新型，油囊与推进器混合控制ROV水下悬停及定深控制装置，由控制箱，脐带缆，ROV控制系统，ROV密封、耐压壳体，左舷垂直推进器，右舷垂直推进器，艏部油囊式浮力调节装置，艉部油囊式浮力调节装置组成；控制箱通过脐带缆连接ROV控制系统；设于ROV密封、耐压壳体内的ROV控制系统由系统控制模块、深度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成的姿态控制模块，推进器驱动模块，浮力调节装置驱动模块组成。本实用新型主要应用于无人潜水器设计制造场合。

Description

油囊与推进器混合控制ROV水下悬停及定深控制装置

技术领域

本实用新型属于遥控无人潜水器技术领域，特别是涉及一种油囊与推进器混合控制的ROV 水下悬停及定深控制装置。具体讲,涉及油囊与推进器混合控制ROV水下悬停及定深控制装置。

背景技术

遥控无人潜水器(Remotely Operated Vehicle，简称ROV)是拖带电缆，由船上或岸上操作人员控制其航行和作业的潜水器，在渔业、水下救援、海洋资源探测、水下工程等领域具有广泛的应用。ROV在对目标进行观测及定点作业的过程中，为保证好的作业效果，要求其在一定深度处保持悬停，一般ROV在静态时具有微小的正浮力，通过ROV的垂直推进器产生的推力来改变其受力情况，从而实现定深及悬停的功能。然而这样的设计具有两方面的缺陷：(1)ROV在不同海域工作时，海水密度变化导致ROV预置浮力的变化，以及在水下作业时捡取或抛载物品导致的重力变化，会使其整体受力发生变化，从而影响其航行动力参数，严重时会导致其定深及悬停功能失效，(2)小型观测型ROV一般自身携带电池，传统的通过垂直推进器抵消微正浮力实现定深及悬停的控制装置，需要推进器持续工作，能耗高，会严重缩短ROV的续航时间。

油囊式浮力调节装置是利用油囊的柔性，通过向油囊中打进或抽出液压油来改变油囊的体积，进而在不改变潜水器重量的情况下改变浮力，从而改变潜水器的受力情况。与推进器相比，油囊式浮力调节装置具有功耗低、成本低、浮力调节精度高等优点。对于降低水下潜水器能耗、降低系统成本，提高水下潜水器操作性具有重要意义，然而与推进器相比，油囊式浮力调节装置具有动态响应慢，在复杂海况下无法实现快速反应的缺点，因而在ROV中无法完全替代推进器。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决现有的ROV水下定深及悬停控制装置重力及浮力变化适应性差以及能源消耗量大的问题，本实用新型旨在提出一种能够灵活控制ROV浮力以适应其在不同环境及工作任务下重力和浮力的变化，并且在工作过程中能减小能源消耗的油囊与推进器混合控制的ROV水下悬停及定深控制装置。为此，本实用新型采用的技术方案是，油囊与推进器混合控制ROV水下悬停及定深控制装置，由控制箱，脐带缆，ROV控制系统，ROV密封、耐压壳体，左舷垂直推进器，右舷垂直推进器，艏部油囊式浮力调节装置，艉部油囊式浮力调节装置组成；控制箱通过脐带缆连接ROV控制系统；设于ROV密封、耐压壳体内的ROV控制系统由系统控制模块、深度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成的姿态控制模块，推进器驱动模块，浮力调节装置驱动模块组成。

系统控制模块分别连接左舷垂直推进器和右舷垂直推进器；

系统控制模块与艏部油囊式浮力调节装置和艉部油囊式浮力调节装置相连并对其进行控制。

本实用新型的特点及有益效果是：

本实用新型能够有效克服现有的ROV水下定深及悬停控制装置重力及浮力变化适应性差以及能源消耗量大的缺陷，当工作环境和载重发生变化到导致其整体受力发生变化时，能够快速调节使ROV的整体受力恢复平衡状态，并且利用油囊式浮力调节装置的特点，能够实现低功耗的静态悬浮和定深工作，延长了ROV的续航时间。

附图说明：

本实用新型的其它目的和方面将参考附图从以下具体实施方式中变得清楚，附图中：

图1示出本实用新型的ROV水下悬停及定深控制系统的总体方案结构图。

图2示出本实用新型的ROV控制系统框图。

图1中：1为控制箱1；2为脐带缆；3为ROV控制系统；4为ROV密封、耐压壳体；5 为左舷垂直推进器；6为右舷垂直推进器；7为艏部油囊式浮力调节装置；8为艉部油囊式浮力调节装置。

图2中：9为系统控制模块；10为深度传感器；11为三轴加速度传感器；12为三轴陀螺仪；13为三轴磁力计；14为姿态控制模块；15为推进器驱动模块；16为浮力调节装置驱动模块；17为左舷垂直推进器；18为右舷垂直推进器；19为艏部油囊式浮力调节装置；20为艉部油囊式浮力调节装置。

具体实施方式

本实用新型的目的是克服现有的ROV水下定深及悬停控制装置重力及浮力变化适应性差以及能源消耗量大的缺陷，提供一种能够灵活控制ROV浮力和减小能源消耗能源的ROV水下定深及悬停控制装置。

为达到上述目标，本实用新型采取的技术方案是，一种油囊与推进器混合控制的ROV水下悬停及定深控制装置，包括：

首先确定ROV水下悬停及定深控制系统的总体方案，ROV水下悬停及定深控制系统的总体方案如图1所示，他主要由控制箱1，脐带缆2，ROV控制系统3，ROV密封、耐压壳体4，左舷垂直推进器5，右舷垂直推进器6，艏部油囊式浮力调节装置7，艉部油囊式浮力调节装置8组成；

设于ROV密封、耐压壳体4内的ROV控制系统3如图2所示，它主要由系统控制模块9，深度传感器10，三轴加速度传感器11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13组成的姿态控制模块14，推进器驱动模块15，浮力调节装置驱动模块16组成；

进一步，设计了ROV动态悬停浮力微调装置，当ROV到达水下目标深度时，其在垂直方向上所受浮力和重力不平衡，系统控制模块9首先通过推进器驱动模块15控制左舷垂直推进器5和右舷垂直推进器6，使ROV在目标深度处动态悬停；

进一步，利用推进器输入的PWM脉宽转速和推力关系，分别推算出左舷垂直推进器5的推力Thrust_L和右舷垂直推进器6的推力Thrust_R，将Thrust_L和Thrust_R相加，得到出ROV的垂向剩余静载力F_static，然后逐步减小推进器推力两个推进器的推力直至变为零，在减小推进器推力的同时，利用浮力调节装置驱动模块16，控制艏部油囊式浮力调节装置7 和艉部油囊式浮力调节装置8进行抽油或打油，改变其油囊体积，从而对ROV整体所受浮力进行微调，使其所受浮力＝重力且悬停在目标深度处；

进一步，当系统控制模块9接受到了控制箱1发送的静态下潜命令，则向浮力调节装置驱动模块16发送命令，控制艏部和艉部的油囊式浮力调节装置从油囊中抽油，减小油囊体积，使ROV所受浮力<重力，ROV下潜；

进一步，当到达指定深度时，对ROV进行动态悬停浮力微调，实现静态下潜悬停及定深；

进一步，当系统控制模块9接受到了控制箱1发送的静态上浮命令，则向浮力调节装置驱动模块16发送命令，控制艏部和艉部的油囊式浮力调节装置向油囊中打油，增大其体积，使ROV所受浮力>重力，ROV上浮；

进一步，当到达指定深度时，对ROV进行动态悬停浮力微调，实现静态下潜悬停及定深。

进一步，当系统控制模块9接受到了控制箱1发送的动态下潜或动态上浮命令，则首先对ROV进行动态悬停浮力微调，然后控制左舷垂直推进器5和右舷垂直推进器6实现ROV水下动态悬停及定深。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。

本实用新型的目的是克服现有的ROV水下定深及悬停控制装置重力及浮力变化适应性差以及能源消耗量大的缺陷，提供一种能够灵活控制ROV浮力和减小能源消耗能源的ROV水下定深及悬停控制装置。

为达到上述目标，本实用新型采取的技术方案是，一种油囊与推进器混合控制的ROV水下悬停及定深控制装置，包括：

首先确定ROV水下悬停及定深控制系统的总体方案，ROV水下悬停及定深控制系统的总体方案如图1所示，他主要由控制箱1，脐带缆2，ROV控制系统3，ROV密封、耐压壳体4，左舷垂直推进器5，右舷垂直推进器6，艏部油囊式浮力调节装置7，艉部油囊式浮力调节装置8组成；

设于ROV密封、耐压壳体4内的ROV控制系统3如图2所示，它主要由系统控制模块9，深度传感器10，三轴加速度传感器11、三轴陀螺仪12和三轴磁力计13组成的姿态控制模块14，推进器驱动模块15，浮力调节装置驱动模块16；系统控制模块9采用STM32F407IGT6 作为主控芯片，其与各模块和传感器之间通过直接接口或RS485接口或SPI接口进行通讯，数据存储在SD卡中；

进一步，设计了ROV动态悬停浮力微调装置，当ROV到达水下目标深度Depth_target 时，其在垂直方向上所受浮力和重力不平衡，系统控制模块9首先通过推进器驱动模块15控制左舷垂直推进器5和右舷垂直推进器6，使ROV在目标深度处动态悬停；

动态悬停及定深时推进器推力输出量采用增量式PID算法来计算：

△u₁＝K_P·(e_k-e_k-1)+K_I·e_k+K_D·(e_k-2e_k-1+e_k-2)，

式中k(k＝2,...,n)为常数，△u₁为推进器驱动模块输入增量，K_P、K_I和K_D分别为PID 算法的比例、积分和微分系数，e_k为目标深度值Depth_target与深度传感器10第k次测量的实际深度值Depth_real与之差；

进一步，本系统控制模块9根据输出到左舷垂直推进器5的PWM脉宽PWM_width_L和输出到右舷垂直推进器6的PWM脉宽PWM_width_R，通过脉宽PWM_width(单位：μs)和推力Thrust(单位：kgf)之间的函数关系：

分别推算出左舷垂直推进器5的推力Thrust_L和右舷垂直推进器6的推力Thrust_R，将Thrust_L和Thrust_R相加，得到ROV的垂向剩余静载力F_static，然后逐步减小推进器推力两个推进器的推力直至变为零，在减小推进器推力的同时，利用浮力调节装置驱动模块 16，控制艏部油囊式浮力调节装置7和艉部油囊式浮力调节装置8进行抽油或打油，改变其油囊体积，从而对ROV整体所受浮力进行微调，使其所受浮力＝重力且悬停在目标深度处，此时三轴加速度传感器11测量的纵向加速度Acceleration_z＝0且Depth_measurement＝Depth_ target；

油囊抽油或打油的量采用增量式PID算法来计算：

△u₂＝K_P·(e_k-e_k-1)+K_I·e_k+K_D·(e_k-2e_k-1+e_k-2)，

式中k(k＝2,...,n)为常数，△u₂为浮力调节装置驱动模块16输入增量，K_P、K_I和K_D分别为PID算法的比例、积分和微分系数，e_k为目标深度值Depth_target与深度传感器10第k次测量的实际深度值Depth_real与之差；

进一步，当系统控制模块9接收到了控制箱1发送的静态下潜命令Static_down，则向浮力调节装置驱动模块16发送命令Oil_down，控制艏部和艉部的油囊式浮力调节装置从油囊中抽油，减小油囊体积，使ROV所受浮力<重力，此时三轴加速度传感器11测量的纵向加速度Acceleration_z<0，ROV下潜；

进一步，当到达目标深度Depth_target时，对ROV进行动态悬停浮力微调，实现静态下潜悬停及定深；

进一步，当系统控制模块9接受到了控制箱1发送的静态上浮命令Static_up，则向浮力调节装置驱动模块16发送命令Oil_up，控制艏部和艉部的油囊式浮力调节装置向油囊中打油，增大其体积，使ROV所受浮力>重力，，此时三轴加速度传感器11测量的纵向加速度Acceleration_z>0，ROV上浮；

进一步，当到达指定深度Depth_target时，对ROV进行动态悬停浮力微调，实现静态下潜悬停及定深。

进一步，当系统控制模块9接受到了控制箱1发送的动态下潜命令Dynamic_down或动态上浮命令Dynamic_up，则首先对ROV进行动态悬停浮力微调，然后控制左舷垂直推进器5和右舷垂直推进器6实现ROV水下动态悬停及定深，动态悬停及定深时推进器推力输出量采用增量式PID算法来计算：

△u₃＝K_P·(e_k-e_k-1)+K_I·e_k+K_D·(e_k-2e_k-1+e_k-2)，

式中k(k＝2,...,n)为常数，△u₃为推进器驱动模块输入增量，K_P、K_I和K_D分别为PID 算法的比例、积分和微分系数，e_k为目标深度值Depth_target与深度传感器10第k次测量的实际深度值Depth_real与之差。

Claims (2)

1.一种油囊与推进器混合控制ROV水下悬停及定深控制装置，其特征是，由控制箱，脐带缆，ROV控制系统，ROV密封、耐压壳体，左舷垂直推进器，右舷垂直推进器，艏部油囊式浮力调节装置，艉部油囊式浮力调节装置组成；控制箱通过脐带缆连接ROV控制系统；设于ROV密封、耐压壳体内的ROV控制系统由系统控制模块、深度传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪和三轴磁力计组成的姿态控制模块，推进器驱动模块，浮力调节装置驱动模块组成。

2.如权利要求1所述的油囊与推进器混合控制ROV水下悬停及定深控制装置，其特征是，系统控制模块分别连接左舷垂直推进器和右舷垂直推进器；系统控制模块与艏部油囊式浮力调节装置和艉部油囊式浮力调节装置相连并对其进行控制。