一种适用于全海深AUV的浮力测量方法技术

本发明专利技术提供的是一种适用于全海深AUV的浮力测量方法。通过挂载不同质量的下潜抛载P1和P2来得到两个不同的受力方程构成二元一次方程组，对其求解得到全海深AUV无动力下潜的时受力表达式

【技术实现步骤摘要】
一种适用于全海深AUV的浮力测量方法
本专利技术涉及的是一种浮力测量方法，具体地说是一种全海深AUV的浮力测量方法。
技术介绍
随着海洋开发的迅猛发展，人类探索海洋的深度也在不断增加，一些适用于深海探测的水下机器人应运而生。世界上目前最深的海域是位于马里亚纳海沟的“挑战者深渊”，吸引着很多海洋探测强国的目光，能够达到挑战者深渊底部的水下机器人则具备全海深作业能力。全海深AUV由于作业深度太大，故其一般采用无动力下潜方式达到指定工作深度，下潜过程中海水的物理参数(温度、盐度、压力、密度等)变化幅度较大，对于AUV载体浮力计算影响的本质是海水密度，而AUV载体本身在海水压力变化和海水温度变化下也会发生体积收缩，导致其排水体积发生变化，由于海水密度增加率和AUV载体的体积收缩率变化不一致，故在AUV下潜过程中其受到的浮力是变化的。由于AUV载体本身各部分材料和形状的多样性，以及影响其排水体积的因素的复杂性，故传统的浮力估算方法并不适用，需要提出一种适用于全海深AUV的浮力测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够在复杂多变的深海环境下测定AUV浮力的适用于全海深AUV的浮力测量方法。本专利技术的目的是这样实现的：步骤一：获取全海深AUV载体本身的质量MAUV、下潜抛载P1的质量MP1、下潜抛载P2的质量MP2、上浮抛载P的质量MP；步骤二：测定全海深AUV作业海域的重力加速度g；步骤三：得到海域海水在深度方向上的物理参数曲线，所述物理参数曲线主要包括压力曲线、温度曲线、密度曲线；步骤四：通过上述步骤三得到的海水物理参数曲线，得到全海深AUV所处深度剖面处的海水物理参数，计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力BP1、BP2、BP；步骤五：通过CFD计算，得到全海深AUV载体与下潜抛载P1、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量MA1，以及全海深AUV载体与下潜抛载P2、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量MA2；步骤六：将下潜抛载P1和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v1以及垂向加速度步骤七：将下潜抛载P2和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v2以及垂向加速度步骤八：通过步骤六、七测得的实验数据，结合全海深AUV无动力下潜受力表达式构建两次无动力下潜过程中全海深AUV在同一深度depth1下的受力状态方程组，具体如下：令M1＝MAUV+MP1+MP,M2＝MAUV+MP1+MP+MA1,M3＝MAUV+MP2+MP，M4＝MAUV+MP2+MP+MA2,则上式化简为：则通过上述方程组得到全海深AUV在某一深度depth1下的浮力BAUV，具体表示如下：MAUV为全海深AUV载体本身的质量，MP1为全海深AUV载体挂载的下潜抛载的质量，MP为全海深AUV载体挂载的上浮抛载，D(v)为粘滞阻力系数。步骤四中所述的计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力BP1、BP2、BP，具体包括以下步骤：4.1、结合步骤三得到此全海深AUV作业海域的海水物理参数曲线，得到此区域海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ0、温度t0、压力p0，以及此区域海面的海水温度t；4.2、通过步骤一获得的下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P的质量，并查阅其密度ρ1、ρ2、ρ，得到其在海面处的排水体积VP1、VP2、VP；4.3、查阅下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P所用材料的资料，得到其各自的热膨胀系数βt1、βt2、βt和其各自的体积压缩系数βω1、βω2、βω，计算得到在需要计算浮力的深度处其各自的排水体积，具体为：ΔVt＝3βtΔtV0，其中，Δt＝t-t0，V0为其在海面处的体积，ΔVt为温度变化影响下的抛载体积变化量；ΔVp＝βωΔpV0，其中，Δp为压力变化量，V0为其在海面处的体积，ΔVp为压力变化影响下的抛载体积变化量；则抛载在此深度处体积为：V＝V0-ΔVt-ΔVp，其中，V为抛载在该深度处的排水体积；4.4、结合步骤4.1得到的海水在需要计算浮力的深度剖面处的密度ρ0和步骤4.3得到的下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在需要计算浮力的深度处的排水体积，计算出下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在某一特定深度处的浮力BP1、BP2、BP，具体为：B＝ρ0gV其中，B为此深度处的抛载的浮力，g为此海域的重力加速度，V为抛载在该深度处的排水体积；将三个抛载的相关参数代入上述公式的相关变量中，得到其各自的浮力BP1、BP2、BP。本专利技术提供了一种能够在复杂多变的深海环境下测定全海深AUV浮力的方法，因为深海条件下海水物理参数在深度方向变化幅度较大，故全海深AUV在各个深度剖面处受到的浮力也有较大变化，因此传统的浮力计算方法不完全适用。本专利技术提供了一种利用全海深AUV实现无动力下潜所挂的抛载来测定全海深AUV在各个深度剖面处的受到的浮力的方法。全海深AUV实现无动力下潜的时受力分为重力、浮力和阻力，具体表达式为：其中，MAUV为AUV载体本身的质量，MP1为AUV挂载的下潜抛载的质量，MP为AUV挂载的上浮抛载，g为此海域的重力加速度，BAUV、BP1、BP分别为AUV载体本身产生的浮力、下潜抛载P1产生的浮力和上浮抛载P产生的浮力,MA1为AUV和下潜抛载P1、上浮抛载P构成的整个系统的附加质量，v、分别为全海深AUV无动力下潜过程中的速度和加速度，D(v)为粘滞阻力系数。上式中，除了粘滞阻力系数D(v)和AUV载体本身的浮力BAUV为未知量外，其余的量均可以直接或者间接得到。故可通过挂载不同质量的下潜抛载P1和P2来得到两个不同的受力方程构成二元一次方程组，对其求解即可得到粘滞阻力系数D(v)和AUV载体本身的浮力BAUV这两个未知量，以达到测定全海深AUV在某个深度剖面处的浮力的目的。附图说明图1是本专利技术的适用于全海深AUV测量浮力方法的流程图。具体实施方式下面举例对本专利技术做更详细的描述。具体的实施方式分为两大部分：1、第一部分主要是分析该全海深AUV无动力下潜过程中的受力情况，建立其受力表达式，并逐项考虑当中的系数等。无动力下潜过程中分别受到浮力、重力、阻力，具体受力方程可表示为：其中，MAUV为AUV载体本身的质量，MP1为AUV挂载的下潜抛载P1的质量，MP为AUV挂载的上浮抛载，g为此海域的重力加速度，BAUV、BP1、BP分别为AUV载体本身产生的浮力、下潜抛载P1产生的浮力和上浮抛载P产生的浮力,MA1为AUV和下潜抛载P1、上浮抛载P构成的整个系统的附加质量，v、分别为全海深AUV无动力下潜过程中的速度和加速度，D(v)为粘滞阻力系数。上述提到的变量中，AUV载体本身的质量MAUV、下潜抛载P1的质量MP1、上浮抛载P的质量MP均可以通过测量得到，AUV工作海域的重力加速度加速度g也可测得，下潜抛载P1产生的浮力和上浮抛载P产生的浮力BP1、BP可以通过AUV所处深度剖面处的海水物理参数和下潜抛载P1和上浮抛载P本身的物理性质计算得到，具体方法下面会做具体陈述。MA1为AUV和下潜抛载P1、上浮抛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于全海深AUV的浮力测量方法，其特征是：步骤一：获取全海深AUV载体本身的质量MAUV、下潜抛载P1的质量MP1、下潜抛载P2的质量MP2、上浮抛载P的质量MP；步骤二：测定全海深AUV作业海域的重力加速度g；步骤三：得到海域海水在深度方向上的物理参数曲线，所述物理参数曲线主要包括压力曲线、温度曲线、密度曲线；步骤四：通过上述步骤三得到的海水物理参数曲线，得到全海深AUV所处深度剖面处的海水物理参数，计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力BP1、BP2、BP；步骤五：通过CFD计算，得到全海深AUV载体与下潜抛载P1、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量MA1，以及全海深AUV载体与下潜抛载P2、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量MA2；步骤六：将下潜抛载P1和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v1以及垂向加速度

【技术特征摘要】
1.一种适用于全海深AUV的浮力测量方法，其特征是：步骤一：获取全海深AUV载体本身的质量MAUV、下潜抛载P1的质量MP1、下潜抛载P2的质量MP2、上浮抛载P的质量MP；步骤二：测定全海深AUV作业海域的重力加速度g；步骤三：得到海域海水在深度方向上的物理参数曲线，所述物理参数曲线主要包括压力曲线、温度曲线、密度曲线；步骤四：通过上述步骤三得到的海水物理参数曲线，得到全海深AUV所处深度剖面处的海水物理参数，计算下潜抛载P1、下潜抛载P2和上浮抛载P在所需要计算浮力的深度条件下的浮力BP1、BP2、BP；步骤五：通过CFD计算，得到全海深AUV载体与下潜抛载P1、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量MA1，以及全海深AUV载体与下潜抛载P2、上浮抛载P构成的完整系统的附加质量MA2；步骤六：将下潜抛载P1和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v1以及垂向加速度步骤七：将下潜抛载P2和上浮抛载P挂载在全海深AUV载体上，进行无动力下潜，在下潜过程中记录下潜深度depth、垂向速度v2以及垂向加速度步骤八：通过步骤六、七测得的实验数据，结合全海深AUV无动力下潜受力表达式构建两次无动力下潜过程中全海深AUV在同一深度depth1下的受力状态方程组，具体如下：令M1＝MAUV+MP1+MP,M2＝MAUV+MP1+MP+MA1,M3＝MAUV+MP2+MP，M4＝MAUV+MP2+MP+MA2,则上式化简为：则通过上述方程组得到全海深AUV在某一深度depth1下的浮力BAUV，具体表示如下：MAUV为全海深AUV载体本身的质量，MP1为全海深AUV载体挂载的下潜抛载的质量，MP为全海深AUV载体挂载的上...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晔，王友康，姜言清，安力，孙叶义，何佳雨，张伟，丛正，潘凯文，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23