一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位装置及其定位方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位装置及其定位方法，属于无人潜航器领域。无源定位装置由液压连杆机构、两套张紧索系统组成。当UUV在航行过程中，张紧索收于UUV内部；当UUV需要在抵近海底水域内进行长期停留时，两套跟踪器支架从UUV内部伸出，并控制下锚。当UUV偏离原有位置时，利用中部张紧索系统计算出UUV实际偏移位置，并通过罗经所测角度，得出UUV的艏向角偏移。当需要回到原有位置继续航行时，控制UUV移动到初始位置，控制起锚，并将张紧索系统收于UUV内部，实现UUV起航。本发明专利技术可以使UUV在抵近海底水域内进行长期停留时利用无源定位保持UUV定位准确性以及自身隐蔽性，避免了有源定位的定位发散现象。

A passive location device with UUV reaching the bottom of the sea and its location method

The invention discloses a passive positioning device and a positioning method for UUV long-term residence near the seabed, belonging to the field of unmanned submarine vehicles. The passive location device consists of a hydraulic link mechanism and two sets of tensioning cable systems. When the UUV is in navigation, the tension cable is closed inside the UUV; when the UUV needs to stay in the offshore waters for a long time, the two sets of tracker brackets extend from the inside of the UUV and control the anchor. When the UUV deviates from its original position, the actual displacement of the UUV is calculated by using the central tension cable system, and the bow angle deviation of the UUV is obtained by measuring the angle of the compass. When it is necessary to go back to the original position and continue to sail, control the UUV to move to the initial position, control the anchoring, and tighten the cable system inside the UUV to realize the UUV sailing. The invention can make UUV use of passive positioning to maintain UUV positioning accuracy and self-concealment when it stays in offshore bottom waters for a long time, and avoid the positioning divergence phenomenon of active positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位装置及其定位方法
本专利技术属于无人潜航器领域，具体涉及一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位装置及其定位方法。
技术介绍
无人潜航器(UUV)在执行水下侦查、海底潜伏等任务时，需要在接近海底某一点上进行长期停留，实现高隐蔽性且能耗极低的潜伏作业。为了实现UUV在航行时的易操控性，常将UUV设计成浮力等于自身重力。这样在UUV进行水下停留时，就会受到海流的影响，偏离给定位置。因此，设计一种能够进行长期、低功耗的水下定位装置对于UUV的水下潜伏任务是十分必要的。对于传统的INS/DVL组合导航方法，利用多普勒测速仪对惯性导航系统进行漂移误差的校正，广泛用于水下潜航器的定位导航。当UUV在小范围水域内进行长时间停留时，由于机体的扰动的影响，多普勒测速系统会产生较大测量噪声影响，并且随时间累积，惯性导航系统会产生累积误差，使得INS/DVL组合导航系统产生较大的定位误差，且长时间处于运行状态会损耗机体电量，同时有源定位也不利于潜器的隐蔽性。可见，INS/DVL组合导航系统对于UUV的水下长期潜伏行为并不适用。对此，找到一种可以满足长期水下运行并且电量损耗低的定位系统显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是：针对UUV水下长期停留时，易受到海流影响而偏离给定位置的问题，提出一种UUV水下张紧索定位装置及方法，且能实现长期稳定的水下定位。本专利技术的目的是这样实现的：一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位装置，包括液压驱动臂、UUV无人潜航器和张紧锁装置；其特征在于：所述的液压驱动臂布置在UUV无人潜航器上，所述的张紧锁装置和液压驱动臂相连；所述的张紧锁装置包括张紧锁、索位跟踪器、传感器万向机构和角度传感器。一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一当UUV运行到指定停留点时，通过开启中侧舱壁，控制液压臂将张紧索装置放出，通过控制盘放出锚，在锚触底后，通过INS/DVL组合导航系统测量并记录下此时的UUV位置，作为基准点；步骤二设中部张紧索系统锚位为中部的张紧索安装误差夹角为αTWS；张紧索系船点相对于船舶基准点的偏移为受到海流影响时，UUV偏离初始位置，其中为张紧锁系统锚位与系船点的偏移矩阵；则得到：其中，θxm1为张紧索含传感器x轴的平面上的测量角；θym1为张紧索含传感器y轴的平面上的测量角；hTW1为张紧索系船点和锚之间的垂直距离；并由罗经得出则UUV相对于初始停泊位置艏向角ψ；步骤三由中部张紧索得出含传感器x轴与y轴的平面上的测量角为θxm与θym，在忽略索缆悬链效应以及海流的影响情况下，则由传统张紧索计算公式得出UUV位置的偏移矩阵为：步骤四考虑到海流以及索缆自重的影响，作用在索上的水流阻力以及索缆重量造成了实际偏移角和测量偏移角之差，为了计算出实际的和测量的偏移角之差，设水流均匀作用在整个索缆上，设其单位长度自重为q，对索缆取微元，两端分别受到拉力T和T+dT的共同作用，则对微元列方程为：其中，径向力Fτ和切向力Fπ分别为：其中cosβv＝V-1(V·uη)ρ为海水密度；Cn为索缆伸长系数；Cτ1、Cτ2、Cπ1、Cπ2为经验常数；设误差为：其中，为张紧索系船点所测偏移角；Δ为UUV的实际偏移；对索缆列微分方程得：其中，y为弦的横向位移；z为UUV距海底的距离；t为时间；T为弦的张力；W为水中单位弦长的重量；q为单位弦长的质量；F为单位长度的横向负荷；设水流均匀作用在整个索缆上，并且流速随水深的平方递减，则索缆受到的横向负荷表示为：其中，Δy为UUV横向的实际偏移；ε为UUV横向表观偏移与实际偏移之差；q0为UUV主体受到的水流负荷；hTW为张紧索长度；式中第一项代表索的悬链效应，第二项和第三项描述作用在索上的水流效应；同理得到沿纵向的偏移距离Δx，即得到实际中锚位相对于张紧锁系船点的偏移则UUV的实际偏移矩阵为：步骤五在索缆收回过程中，通过控制绞车收回锚，并通过液压装置收回张紧锁机构，关闭舱壁以保持其流线外形。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：在UUV进行长期水下潜伏过程中，通过位于机体中部的两套张紧锁系统进行水下无源定位，利用中部张紧索得出UUV实际偏移坐标，并结合罗经所得角度信息推算出UUV艏向偏移角。由于所使用的角度传感器不存在累积误差的影响，其误差仅取决于器件系统误差以及安装误差。不随时间而积累，避免了有源定位如INS/DVL组合导航产生的定位发散情况。由于采用无源定位，保证了UUV的隐蔽性，该专利技术可使UUV在抵近海底某一小范围区域内做长期的停留，并在需要启用时，提供准确的当前位置，保证了水下长期潜伏任务的完成。附图说明图1为本专利技术流程图；图2为本专利技术总体概览图；图3为本专利技术张紧锁系统呈放出状态示意图；图4为本专利技术张紧索系统的基本元件；图5为本专利技术理想张紧索系统测量几何图形；图6为本专利技术张紧索系统平面几何图形；图7为本专利技术海流和索重对张紧索系统静态性能影响；图8为本专利技术对张紧锁微元进行受力分析示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的新概念减摇减阻船舶作出以下详细说明：无源定位装置由液压连杆机构、两套张紧索系统组成。当UUV在航行过程中，张紧索收于UUV内部；当UUV需要在抵近海底水域内进行长期停留时，两套跟踪器支架从UUV内部伸出，并控制下锚。当UUV偏离原有位置时，利用中部张紧索系统计算出UUV实际偏移位置，并通过罗经所测角度，得出UUV的艏向角偏移。当需要回到原有位置继续航行时，控制UUV移动到初始位置，控制起锚，并将张紧索系统收于UUV内部，实现UUV起航。本专利技术可以使UUV在抵近海底水域内进行长期停留时利用无源定位保持UUV定位准确性以及自身隐蔽性，避免了有源定位的定位发散现象。结合图2与图4，本专利技术的一种UUV海底长期停留的无源定位装置由位于机体中部的张紧索装置组成，并通过液压驱动臂与UUV内壁相连，涉及张紧索、索位跟踪器和传感器万向机构以及角度传感器。安装位置应保证索位跟踪器位于UUV中线上。(1)当UUV运行到指定停留点时，通过开启中侧舱壁，控制液压臂将张紧索装置放出，如图3，通过控制盘放出锚，在锚触底后，通过INS/DVL组合导航系统测量并记录下此时的UUV位置，作为基准点。(2)如图6，设中部张紧索系统锚位为中部的张紧索安装误差夹角为αTWS；张紧索系船点相对于船舶基准点的偏移为假定受到海流影响时，UUV偏离初始位置，其中为张紧锁系统锚位与系船点的偏移矩阵。如图5所示，则可得到θxm1——张紧索含传感器x轴的平面上的测量角θym1——张紧索含传感器y轴的平面上的测量角hTW1——张紧索系船点和锚之间的垂直距离(m)并由罗经得出则UUV相对于初始停泊位置艏向角ψ。(3)由中部张紧索得出含传感器x轴与y轴的平面上的测量角为θxm与θym，在忽略索缆悬链效应以及海流的影响情况下，则由传统张紧索计算公式得出UUV位置的偏移矩阵为(4)考虑到海流以及索缆自重的影响，作用在索上的水流阻力以及索缆重量造成了实际偏移角和测量偏移角之差，为了计算出实际的和测量的偏移角之差，假设水流均匀作用在整个索缆上，设其单位长度自重为q，如图8，对索缆取微元，两端分别受到拉力T和T+dT的共同作用，则对微元可列方程为其中，径向力F本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位装置，包括液压驱动臂、UUV无人潜航器和张紧锁装置；其特征在于：所述的液压驱动臂布置在UUV无人潜航器上，所述的张紧锁装置和液压驱动臂相连；所述的张紧锁装置包括张紧锁、索位跟踪器、传感器万向机构和角度传感器。

【技术特征摘要】
2018.04.17 CN 20181034034071.一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位装置，包括液压驱动臂、UUV无人潜航器和张紧锁装置；其特征在于：所述的液压驱动臂布置在UUV无人潜航器上，所述的张紧锁装置和液压驱动臂相连；所述的张紧锁装置包括张紧锁、索位跟踪器、传感器万向机构和角度传感器。2.一种UUV抵近海底长期驻留的无源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一当UUV运行到指定停留点时，通过开启中侧舱壁，控制液压臂将张紧索装置放出，通过控制盘放出锚，在锚触底后，通过INS/DVL组合导航系统测量并记录下此时的UUV位置，作为基准点；步骤二设中部张紧索系统锚位为中部的张紧索安装误差夹角为αTWS；张紧索系船点相对于船舶基准点的偏移为受到海流影响时，UUV偏离初始位置，其中为张紧锁系统锚位与系船点的偏移矩阵；则得到：其中，θxm1为张紧索含传感器x轴的平面上的测量角；θym1为张紧索含传感器y轴的平面上的测量角；hTW1为张紧索系船点和锚之间的垂直距离；并由罗经得出则UUV相对于初始停泊位置艏向角ψ；步骤三由中部张紧索得出含传感器x轴与y轴的平面上的测量角为θxm与θym，在忽略索缆悬链效应以及海流的影响情况下，则由传统张紧索计算公式得出...

【专利技术属性】
技术研发人员：严浙平，宫榕杉，杜雪，徐健，张伟，林荣鹏，郝勇帅，
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