一种实现联合运动控制的深海潜航器制造技术

本申请公开了一种实现联合运动控制的深海潜航器，涉及深海潜航器领域，该深海潜航器中的运动控制器根据目标深度处的理论海水密度对应的超前调节量控制耐压舱艏部的剩余浮力调节装置，可以超前调节使得深海潜航器产生埋首纵倾角并处于负浮力状态，埋首纵倾角和负浮力状态可以使得深海潜航器快速下潜，负浮力状态可以抵消大深度下的密度增加量，使得深海潜航器快速适应海水密度变化，然后利用螺旋桨和尾舵对深海潜航器实现实时调节可以控制深海潜水器的快速下潜到达目标深度，通过多个装置的联合运动控制，有助于解决深海潜航器在深海环境下因海水密度急剧变化导致的水下无人航行器控制不稳、下潜困难问题的问题。下潜困难问题的问题。下潜困难问题的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种实现联合运动控制的深海潜航器


[0001]本申请涉及深海潜航器领域，尤其是一种实现联合运动控制的深海潜航器。

技术介绍

[0002]水下无人航行器是一种进行海洋环境探测的重要装备，可以下潜到所需深度执行各类所需的海洋作业，目前水下无人航行器下潜深度已经能够覆盖全海深，达到万米级深度。但是深海环境中，相比于海面，海水密度的急剧增加会导致深海无人潜航器下潜困难问题尤其突出，制约了无人潜航器在深海环境中的使用。

技术实现思路

[0003]本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种实现联合运动控制的深海潜航器，本申请的技术方案如下：
[0004]一种实现联合运动控制的深海潜航器，该深海潜航器包括运动控制器、布置在深海潜航器的耐压舱的艏部的剩余浮力调节装置，以及布置在耐压舱外的艉部处的螺旋桨和尾舵；运动控制器连接控制浮力调节装置、螺旋桨和尾舵；
[0005]运动控制器执行的方法包括：
[0006]执行超前调节操作：确定深海潜航器的目标深度处的理论海水密度ρ1，确定理论海水密度ρ1对应的超前调节量V
f
，并按照超前调节量V
f
控制剩余浮力调节装置以调节深海潜航器至负浮力状态，使得深海潜航器产生埋首纵倾角开始下潜；
[0007]在完成对剩余浮力调节装置的控制而完成超前调节操作后，执行实时调节操作：控制螺旋桨工作，并根据目标深度、深海潜航器所处的实时深度以及深海潜航器的实时纵倾角利用双层参数分离控制器控制尾舵直至深海潜航器下潜到达目标深度，双层参数分离控制器以纵倾角控制环为内环、以深度控制环为外环构成双闭环控制结构。
[0008]其进一步的技术方案为，剩余浮力调节装置包括设置在耐压舱的艏部且通过油路连接的外油囊和内油囊，外油囊设置在耐压舱外，内油囊设置在耐压舱内；
[0009]运动控制器确定理论海水密度ρ1对应的超前调节量V
f
并按照超前调节量V
f
控制剩余浮力调节装置的方法包括：
[0010]确定理论海水密度ρ1对应的超前调节量并按照超前调节量V
f
控制外油囊经由油路向内油囊回油，其中，V是深海潜航器的排水体积，ρ0是海面海水密度，V
y
是深海潜航器在目标深度处的压缩量。
[0011]其进一步的技术方案为，尾舵包括上下一对垂直舵以及左右一对水平舵，运动控制器控制垂直舵调节深海潜航器的航向，运动控制器利用双层参数分离控制器控制尾舵中的水平舵调节深海潜航器的深度的方法包括：
[0012]在深度控制环中，目标深度与实时深度的差值输入PID控制器产生目标纵倾角并输入纵倾角控制环；
[0013]在纵倾角控制环中，目标纵倾角与实时纵倾角的差值输入PD控制器产生水平舵的目标舵角；
[0014]按照水平舵的目标舵角控制水平舵。
[0015]其进一步的技术方案为，对于双层参数分离控制器：
[0016]在深度控制环中，当PID控制器产生的纵倾角度在纵倾角范围内时，则将纵倾角度直接作为目标纵倾角输入纵倾角控制环；当PID控制器产生的纵倾角度超出纵倾角范围时，根据纵倾角范围对纵倾角度执行限幅处理后得到目标纵倾角输入纵倾角控制环；
[0017]在纵倾角控制环中，当PD控制器产生的候选舵角在水平舵的舵角范围内时，则将候选舵角直接作为目标舵角；当PD控制器产生的候选舵角超出水平舵的舵角范围时，根据水平舵的舵角范围对候选舵角执行限幅处理后得到目标舵角。
[0018]其进一步的技术方案为，运动控制器执行的方法还包括：
[0019]当深海潜航器下潜到达目标深度并在目标深度下航行作业的过程中，持续执行实时调节操作：控制螺旋桨持续工作，并根据目标深度、深海潜航器所处的实时深度以及深海潜航器的实时纵倾角利用双层参数分离控制器持续控制尾舵，稳定深海潜航器在目标深度处定深航行。
[0020]其进一步的技术方案为，深海潜航器还包括设置在耐压舱外部并与运动控制器电性连接的传感器组件，当深海潜航器下潜到达目标深度后，运动控制器还执行精细调节操作，包括：
[0021]当深海潜航器下潜到达目标深度后，通过传感器组件采集深海潜航器周围海水的海水温度和海水电导率；
[0022]根据海水温度和海水电导率计算得到目标深度处的实测海水密度ρ
1s
；
[0023]确定实测海水密度ρ
1s
对应的实际调节量V
fs
，并将按照超前调节量V
f
控制剩余浮力调节装置修正为按照实际调节量V
fs
控制剩余浮力调节装置。
[0024]其进一步的技术方案为，深海潜航器还包括设置在耐压舱内的姿态调节装置，运动控制器连接并控制姿态调节装置；当深海潜航器下潜到达目标深度后，运动控制器还执行叠加调节操作，包括：
[0025]当深海潜航器下潜到达目标深度后，根据对剩余浮力调节装置的实际调节量V
fs
控制姿态调节装置平衡调节剩余浮力调节装置产生的埋首纵倾角。
[0026]其进一步的技术方案为，姿态调节装置包括设置在滑动机构上的滑块，运动控制器连接并控制滑动机构带动滑块滑动，运动控制器执行的叠加调节操作包括：
[0027]控制滑动机构带动滑块向靠近深海潜航器艉部方向滑动的距离为其中，L
f
是外油囊和内油囊之间的距离，m是滑块的重量。
[0028]其进一步的技术方案为，运动控制器执行的方法还包括：
[0029]执行超前调节操作：控制剩余浮力调节装置恢复至深海潜航器位于海面上时的初始状态，使得深海潜航器产生抬首纵倾角开始上浮；
[0030]在完成对剩余浮力调节装置的控制而完成超前调节操作后，执行实时调节操作：保持螺旋桨工作并利用双层参数分离控制器控制尾舵直至深海潜航器上浮至海面。
[0031]其进一步的技术方案为，当深海潜航器上浮到达海面后，运动控制器还执行叠加
调节操作，包括：
[0032]当深海潜航器上浮至海面后，根据对剩余浮力调节装置的实际调节量V
fs
控制姿态调节装置平衡剩余浮力调节装置产生的抬首纵倾角。
[0033]本申请的有益技术效果是：
[0034]本申请公开了一种实现联合运动控制的深海潜航器，该深海潜航器利用运动控制器对剩余浮力调节装置进行超前调节使得深海潜航器产生埋首纵倾角并处于负浮力状态，并利用螺旋桨和尾舵对深海潜航器实现实时调节，埋首纵倾角和负浮力状态可以使得深海潜航器快速下潜，负浮力状态可以抵消大深度下的密度增加量，使得深海潜航器快速适应海水密度变化，结合对尾舵的控制可以完成深海潜水器的快速下潜，到达目标深度，尤其适用于深海场景下。
[0035]该深海潜航器在到达目标深度后，利用事后精细调节过程实现对剩余浮力调节装置的精确调节，并通过叠加调节过程平衡剩余浮力调节装置产生的埋首纵倾角，平衡深海潜航器的姿态，有利于深海本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现联合运动控制的深海潜航器，其特征在于，所述深海潜航器包括运动控制器、布置在所述深海潜航器的耐压舱的艏部的剩余浮力调节装置，以及布置在所述耐压舱外的艉部处的螺旋桨和尾舵；所述运动控制器连接控制所述浮力调节装置、所述螺旋桨和所述尾舵；所述运动控制器执行的方法包括：执行超前调节操作：确定所述深海潜航器的目标深度处的理论海水密度ρ1，确定所述理论海水密度ρ1对应的超前调节量V
f
，并按照所述超前调节量V
f
控制所述剩余浮力调节装置以调节所述深海潜航器至负浮力状态，使得所述深海潜航器产生埋首纵倾角开始下潜；在完成对所述剩余浮力调节装置的控制而完成超前调节操作后，执行实时调节操作：控制所述螺旋桨工作，并根据所述目标深度、所述深海潜航器所处的实时深度以及所述深海潜航器的实时纵倾角利用双层参数分离控制器控制所述尾舵直至所述深海潜航器下潜到达所述目标深度，所述双层参数分离控制器以纵倾角控制环为内环、以深度控制环为外环构成双闭环控制结构。2.根据权利要求1所述的深海潜航器，其特征在于，所述剩余浮力调节装置包括设置在所述耐压舱的艏部且通过油路连接的外油囊和内油囊，所述外油囊设置在所述耐压舱外，所述内油囊设置在所述耐压舱内；所述运动控制器确定所述理论海水密度ρ1对应的超前调节量V
f
并按照所述超前调节量V
f
控制所述剩余浮力调节装置的方法包括：确定所述理论海水密度ρ1对应的超前调节量并按照所述超前调节量V
f
控制所述外油囊经由油路向所述内油囊回油，其中，V是所述深海潜航器的排水体积，ρ0是海面海水密度，V
y
是所述深海潜航器在所述目标深度处的压缩量。3.根据权利要求1所述的深海潜航器，其特征在于，所述尾舵包括上下一对垂直舵以及左右一对水平舵，所述运动控制器控制所述垂直舵调节所述深海潜航器的航向，所述运动控制器利用双层参数分离控制器控制所述尾舵中的水平舵调节所述深海潜航器的深度的方法包括：在所述深度控制环中，所述目标深度与实时深度的差值输入PID控制器产生目标纵倾角并输入所述纵倾角控制环；在所述纵倾角控制环中，所述目标纵倾角与所述实时纵倾角的差值输入PD控制器产生所述水平舵的目标舵角；按照所述水平舵的目标舵角控制所述水平舵。4.根据权利要求3所述的深海潜航器，其特征在于，对于所述双层参数分离控制器：在所述深度控制环中，当PID控制器产生的纵倾角度在纵倾角范围内时，则将所述纵倾角度直接作为所述目标纵倾角输入所述纵倾角控制环；当所述PID控制器产生的纵倾角度超出所述纵倾角范围时，根据所述纵倾角范围对所述纵倾角度执行限幅处理后得到目标纵倾角输入所述纵倾角控制环；在所述纵倾角控制环中，当所述PD控制器产生的候选舵角在所述水平舵的舵角范围内时，则将所述候选舵角直接作为所述目标舵角；当所述PD控制器产生的候选舵角超出所述水平舵的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，王文涛，张华，肖冬林，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：