專利名稱：一種大深度無人潛水器及其深度復(fù)合控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種潛器的深度控制方法，特別是一種大深度無人潛水器運 動控制方法。
(二)
背景技術(shù)：
隨著科技的不斷進步，機器人技術(shù)有了突飛猛進的發(fā)展。大深度無人潛水器 作為船舶與海洋工程，機器人技術(shù)的學(xué)科交叉領(lǐng)域，得到了世界各國的廣泛重視。 大深度無人潛水器在可廣泛用于海底生物資源探查，礦產(chǎn)資源采樣，海底地形勘 測，沉物打撈，地震地?zé)峄顒拥谋O(jiān)測，海洋環(huán)境監(jiān)測，海洋工程維護等。經(jīng)過多 年來各國學(xué)者的努力，大深度無人潛水器的運動控制水平不斷提高。但在研究試 驗中也逐漸暴露出了 一些問題大深度下潛過程中單純采用凈浮力調(diào)整裝置(如 水搶、油艙)，執(zhí)行機構(gòu)響應(yīng)較慢，容易出現(xiàn)較大的超調(diào)；而采用垂向槽道槳進 行大深度下潛，消耗能源很大，不利于進入指定深度后的長時間停留和作業(yè)；采 用水平翼調(diào)節(jié)縱傾，也需要無人潛水器艉部主螺旋槳保持軸向運動，大深度下潛 過程中消耗能源也很大。
因此，研制出一種能有效適用于無人潛水器大深度下潛，較少消耗能源，又 便于精確定深的復(fù)合控制方法，是無人潛水器大深度航行控制的關(guān)鍵性技術(shù)問 題。
《海洋工程》(2006年，24巻3期)上刊登的"大深度載人潛水器低速大漂 角模糊滑模航向控制研究"中公開了一種技術(shù)方案，它主要包括"通過模型試驗 測量大深度載人潛水器低速大漂角運動時所受到的非線性水動力?；谝环N新的 模糊滑?？刂撇呗?，為潛水器設(shè)計了魯棒航向控制器。在不同的漂角子區(qū)間內(nèi)分 別設(shè)計局部鎮(zhèn)定的滑?？刂破?，然后通過Takagi-Sugeno模糊推理系統(tǒng)將它們光 滑連接，得到模糊滑?？刂啤７抡嬗嬎憬Y(jié)果充分顯示了該控制策略的有效性。" 但其對象是一種載人潛水器，另外，其提出的航向控制器是用來控制艏向而非深 度。
(三) 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以有效地適應(yīng)無人大深度下潛，能源消耗低， 又便于精確定深的一種大深度無人潛水器。本發(fā)明的目的還在于提供一種大深度 無人潛水器的深度復(fù)合控制方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明的大深度無人潛水器的組成包括潛器主體，安裝在潛器主體艉部的艉 部主螺旋槳，安裝在潛器主體艏部的艏部水平翼，安裝在潛器主體艉部的艉部水 平翼，在潛器主體內(nèi)部設(shè)置有浮力調(diào)節(jié)水艙，在潛器主體的艉部和艏部分別設(shè)置 有艉垂向槽道槳和艏垂向槽道槳，浮力調(diào)節(jié)水艙、艏水平翼、艉水平翼、艉部主 螺旋槳、艏垂向槽道槳、艉垂向槽道槳都連接一臺嵌入有控制核心程序的在主控 耐壓艙內(nèi)一臺PC/104計算機，PC/104計算機包括CPU核心板卡、DA/AD卡、8 串口卡、數(shù)字I0板、脈沖發(fā)生板和電源板，所有板卡通過PC/104總線進行電源 和數(shù)據(jù)的傳輸，深度測量傳感器設(shè)置在潛器主體的底部，深度測量傳感器的信號 輸入PC/104計算機。本發(fā)明的大深度無人潛水器的組成還包括在潛器主體的兩側(cè)設(shè)置有左右壓 載鉛塊，壓載鉛塊與潛器主體之間通過爆破螺栓相連，爆破螺栓由PC/104計算 機控制，利用核心程序控制數(shù)字IO板激活爆破螺栓。本發(fā)明的大深度無人潛水器的深度復(fù)合控制方法為從水面狀態(tài)開始，向浮力調(diào)節(jié)水艙注水，使無人潛水器重力〉浮力，向大深 度無縱傾下潛；在距離預(yù)定深度還有50m距離時，啟動高壓氣泵排除浮力調(diào)解水艙中的壓載 水，恢復(fù)到原來的水量，使無人潛水器回到初始的零浮力狀態(tài)；啟動垂向槽道槳，依靠垂向槽道槳向下推水，提供向上的力；待無人潛水器的下沉速度減緩到0.5m/s以下時，關(guān)閉垂向槽道槳，艉部主 推螺旋槳開啟，進入定速航行狀態(tài)，依靠艏、艉水平翼控制縱傾，進而耦合軸向 運動，精確控制深度。若在大深度定深航行中，以上執(zhí)行機構(gòu)都失效的情況下，核心程序控制數(shù)字 10板激活爆破螺栓，引爆爆破螺栓，拋掉無人潛水器底部壓載鉛塊，使浮力〉〉 重力，迅速上浮，等待水面母船救援。本發(fā)明將浮力調(diào)節(jié)水艙、艏水平翼、艉水平翼、艉部主螺旋槳、艏垂向槽道4槳、艉垂向槽道槳等潛器的驅(qū)動、控制機構(gòu)同時布置在一個潛器主體上，通過嵌 有控制核心程序的一臺PC/104計算機及可以實現(xiàn)復(fù)合控制，既可以實現(xiàn)無人潛 水器的大深度下潛，又便于精確定深度。本發(fā)明可有效地適應(yīng)無人潛水器大深度下潛，較少消耗能源，又便于精確定 深，實際應(yīng)用于大深度無人潛水器控制系統(tǒng)設(shè)計，可有效進行大深度海域水下探 測，采樣，資源探查等活動。這樣既避免了大深度下潛過程中， 一直采用垂向槽 道槳帶來的能源大量消耗，也可以在指定大深度實現(xiàn)精確定深巡航。對于大深度 海域的探查，如海溝中礦物和生物資源的探測開發(fā)，大深度海域沉船的調(diào)查，以 及海底熱液黑煙自區(qū)域的科考都具有積極意義。(四)


圖1是本發(fā)明的大深度無人潛水器結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)； 圖2是圖1的仰視圖(浮力調(diào)節(jié)水搶注滿水，開始垂向下潛時)； 圖3是圖1的仰視圖(浮力調(diào)節(jié)水艙向外排水，恢復(fù)零浮力，依靠垂向槽道 槳抵御下沉的慣性時)；圖4是圖1的仰視圖(零浮力狀態(tài)下，依靠艏、艉水平翼和主推控制深度時)； 圖5是圖1的仰視圖(拋掉無人潛水器底部壓載鉛塊時)； 圖6是本發(fā)明的控制方法的流程圖；圖7(a)和圖7 (b)是無人潛水器大深度下潛數(shù)據(jù)曲線，其中圖7(b)為下 潛1000ra的全過程數(shù)據(jù)，是圖7 (a)接近1000m的數(shù)據(jù)片斷。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述結(jié)合圖l，大深度無人潛水器的組成包括潛器主體，安裝在潛器主體艉部的 艉部主螺旋槳l,安裝在潛器主體艏部的艏部水平翼8，安裝在潛器主體艉部的 艉部水平翼2，在潛器主體內(nèi)部設(shè)置有浮力調(diào)節(jié)水艙4，在潛器主體的艉部和艏 部分別設(shè)置有艉垂向槽道槳3和艏垂向槽道槳7，浮力調(diào)節(jié)水艙、艏水平翼、艉 水平翼、艉部主螺旋槳、艏垂向槽道槳、艉垂向槽道槳都連接一臺嵌入有控制核 心程序的在主控耐壓艙內(nèi) 一 臺PC/104計算機，PC/104計算機包括CPU核心板卡、 DA/AD卡、8串口卡、數(shù)字I0板、脈沖發(fā)生板和電源板，所有板卡通過PC/104 總線進行電源和數(shù)據(jù)的傳輸，深度測量傳感器設(shè)置在潛器主體的底部，深度測量入PC/104計算機，在潛器主體的兩側(cè)設(shè)置有左右壓載鉛塊6、 5, 壓載鉛塊與潛器主體之間通過爆破螺栓相連，爆破螺栓由PC/104計算機控制， 利用核心程序控制數(shù)字10板激活爆破螺栓。結(jié)合圖2至圖6，當(dāng)初始下潛時，采用浮力調(diào)節(jié)水搶調(diào)節(jié)潛水器的靜浮力。 核心程序控制數(shù)字IO板輸出一路高電平(5V),打開控制注水口的繼電器，放 開注水口。這時浮力調(diào)節(jié)7^艙開始注水， 一直到注滿為止。這時重力〉浮力，無 縱傾下潛。當(dāng)距離預(yù)定深度還有50m距離時，需要排出浮力調(diào)節(jié)水搶內(nèi)的水。浮力調(diào)節(jié) 水艙的水由高壓空氣排出。高壓空氣的氣泵是通過DA卡控制的。若讓氣泵向浮 力調(diào)節(jié)水搶壓入空氣，通過DA卡給其控制單元一個電壓信號，氣泵開始工作。 氣泵的壓力與控制給出的電壓信號成正比。排出水的多少原則是^吏艇恢復(fù)到零浮 力，這是事先測試好的數(shù)值。雖然較短時間內(nèi)，經(jīng)過浮力調(diào)節(jié)水艙的調(diào)節(jié)，無人潛水器恢復(fù)到了重力=浮 力的狀態(tài)，但由于對于下沉的慣性，無人潛水器依然處于無縱傾下潛狀態(tài)。核心 程序根據(jù)下潛速度和加速度計算出垂直方向應(yīng)提供的向上力，控制DA板輸出指 定電壓給垂向槽道槳，向下推水，提供向上的力，如圖3。 DA板輸出電壓與垂向 槽道槳的轉(zhuǎn)速是線性關(guān)系。這是可以通過螺旋槳的敞水試驗預(yù)先標定的。待無人潛水器的下沉速度減緩到0. 5m/s以下時，核心程序通過數(shù)字10板關(guān) 閉垂向槽道槳供電繼電器，使垂向槽道槳停止轉(zhuǎn)動。這時核心程序控制DA板輸 出指定電壓給艉部主推螺旋槳，進入定速航行狀態(tài)；控制脈沖發(fā)生板輸出指定頻 率指定個數(shù)的脈沖給艏、艉水平翼。如圖4,水平翼轉(zhuǎn)動，控制縱傾，耦合軸向 運動，精確控制深度，進行穩(wěn)定深度巡航。所有環(huán)境感知傳感器(圖像聲納、側(cè) 掃聲納、攝像機、溫鹽深、濁度計等)打開，進入探測狀態(tài)。壓載鉛塊是一種自救措施， 一般情況下不采用。只有在大深度定深航行中， 以上執(zhí)行機構(gòu)都失效的情況下，利用核心程序控制數(shù)字IO板激活爆破螺栓，如 圖5，拋掉無人潛水器底部壓載鉛塊。使浮力》重力，迅速上浮，等待水面母船 救援。整個流程如圖6所示。采用上述方法進行了某無人潛水器大深度下潛實驗。數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。在前794秒，該無人潛水器以約1. 26m/s的速度接近勻速下潛。這是由于浮力調(diào) 節(jié)水搶注滿水后，艇的重力與浮力的差是一個定值。約1. 26m/s的速度下潛時的 垂向水阻力與這個差，大小相等，方向相反。所以，艇會以一個均勻速度下潛。 當(dāng)接近1000m時，經(jīng)過恢復(fù)零浮力，垂推工作減緩下潛速度，艉部主推螺旋槳開 啟，進入定速航行狀態(tài)。依靠艏、艉水平翼控制縱傾，進而耦合軸向運動，精確 控制深度。圖7 (b)為接近1000m的放大數(shù)據(jù)，是圖7 (a)的一個數(shù)據(jù)片斷。
權(quán)利要求
1、一種大深度無人潛水器，其組成包括潛器主體，安裝在潛器主體艉部的艉部主螺旋槳，安裝在潛器主體艏部的艏部水平翼，安裝在潛器主體艉部的艉部水平翼，其特征是在潛器主體內(nèi)部設(shè)置有浮力調(diào)節(jié)水艙，在潛器主體的艉部和艏部分別設(shè)置有艉垂向槽道槳和艏垂向槽道槳，浮力調(diào)節(jié)水艙、艏水平翼、艉水平翼、艉部主螺旋槳、艏垂向槽道槳、艉垂向槽道槳都連接一臺嵌入有控制核心程序的在主控耐壓艙內(nèi)一臺PC/104計算機，PC/104計算機包括CPU核心板卡、DA/AD卡、8串口卡、數(shù)字IO板、脈沖發(fā)生板和電源板，所有板卡通過PC/104總線進行電源和數(shù)據(jù)的傳輸，深度測量傳感器設(shè)置在潛器主體的底部，深度測量傳感器的信號輸入PC/104計算機。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大深度無人潛水器，其特征是在潛器主體 的兩側(cè)設(shè)置有左右壓載鉛塊，壓載鉛塊與潛器主體之間通過爆破螺栓相連，爆 破螺栓由PC/104計算機控制，利用核心程序控制數(shù)字10板激活爆破螺栓。
3、 一種權(quán)利要求1和2所述的大深度無人潛水器的深度復(fù)合控制方法，其 特征是從水面狀態(tài)開始，向浮力調(diào)節(jié)水搶注水，使無人潛水器重力〉浮力，向大深 度無縱傾下潛；在距離預(yù)定深度還有50m距離時，啟動高壓氣泵排除浮力調(diào)解水艙中的壓 載水，恢復(fù)到原來的水量，使無人潛水器回到初始的零浮力狀態(tài)； 啟動垂向槽道槳，依靠垂向槽道槳向下推水，提供向上的力； 待無人潛水器的下沉速度減緩到0. 5m/s以下時，關(guān)閉垂向槽道槳，艉部主 推螺旋槳開啟，進入定速航行狀態(tài)，依靠艏、艉水平翼控制縱傾，進而耦合軸 向運動，精確控制深度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的大深度無人潛水器的深度復(fù)合控制方法，其特征是若在大深度定深航行中，以上執(zhí)行機構(gòu)都失效的情況下，核心程序控制數(shù) 字IO板激活爆破螺栓，引爆爆破螺栓，拋掉無人潛水器底部壓載鉛塊，使浮力 》重力，迅速上浮，等待水面母船救援。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種大深度無人潛水器及其深度復(fù)合控制方法。其組成包括潛器主體，安裝在潛器主體艉部的艉部主螺旋槳，安裝在潛器主體艏部的艏部水平翼，安裝在潛器主體艉部的艉部水平翼，在潛器主體內(nèi)部設(shè)置有浮力調(diào)節(jié)水艙，在潛器主體的艉部和艏部分別設(shè)置有艉垂向槽道槳和艏垂向槽道槳，由一臺嵌入有控制核心程序的在主控耐壓艙內(nèi)一臺PC/104計算機進行控制。從水面狀態(tài)開始，向浮力調(diào)節(jié)水艙注水；在距離預(yù)定深度還有50m距離時開始吹除浮力調(diào)解水艙中的壓載水；依靠垂向槽道槳提供向上的力；待無人潛水器的下沉速度減緩到0.5m/s以下時，進入定速航行狀態(tài)，依靠艏、艉水平翼控制縱傾，進而耦合軸向運動，精確控制深度。
文檔編號B63G8/22GK101323363SQ20081013682
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者磊 萬, 翀 呂, 唐旭東, 孫俊嶺, 龐永杰, 磊 張, 曄 李, 勁 鄒, 陳小龍 申請人:哈爾濱工程大學(xué)