[發明專利]油囊式水下滑翔機浮力精確控制方法

在審

• 申請號: 201710667016.1
• 申請日: 2017-08-07
• 公開（公告）號: CN107544526A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 宗正;熊學軍;胡筱敏;李小龍
• 申請（專利權）人: 熊學軍
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06;B63G8/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

油囊式水下滑翔機浮力控制技術。

背景技術

水下滑翔機是一種結合了浮標技術和水下機器人技術的自主式水下無人航行器。水下滑翔機由凈浮力驅動航行，通過浮力調節機構實現正浮力和負浮力的周期性轉換，通過姿態調整機構達到適當的俯仰角，兩者結合使水下滑翔機在上浮或下潛的同時向前滑翔運動。水下滑翔機可搭載多種用于海洋觀測的傳感器，并具備通信系統，可以在浮出水面時進行數據傳輸與遠程控制。水下滑翔機具有目標尋址、隨體觀測、原位觀測、中性體控制的特點，在海洋調查領域具有廣闊的應用前景。

絕大多數水下滑翔機的浮力調節機構屬于油液壓系統，由油囊、液壓泵、液壓閥、管路、內油箱等組成，油囊安裝在水下滑翔機殼體外部，通過管路與內部液壓元件相連。當液壓泵將內油箱的液壓油泵入油囊后，油囊體積增大，從而增大了水下滑翔機的浮力；當液壓泵將油囊里的液壓油泵入內油箱，油囊體積縮小，則減小了水下滑翔機的浮力。水下滑翔機由主控系統驅動電機，帶動液壓泵工作，完成對浮力的調節。

到目前為止，水下滑翔機的浮力控制方法主要是在上浮或下潛過程中保持一定的凈浮力，在上浮與下潛轉換的位置對浮力進行調整，使凈浮力的方向反轉，反映在水下滑翔機的運動方式上，是以連續的折線形軌跡航行。這種浮力控制方法對于水下滑翔機觀測有著一定的局限性，主要表現為在連續上浮、下潛的同時進行觀測，導致水下滑翔機不能有效捕捉海洋現象，無法保證對海洋現象的原位觀測。所以，基于油囊式水下滑翔機，提出一種能夠使水下滑翔機在上浮觀測的任意深度中性懸停的浮力控制方法具有重要意義。

發明內容

本發明的目的是發明一種油囊式水下滑翔機浮力精確控制方法，能夠控制水下滑翔機在水下任意工作深度懸停。

本發明的內容包括：

1.建立海洋溫鹽密剖面模型，根據輸入的深度輸出對應的海水密度，在水下滑翔機實際觀測中，利用觀測結果對溫鹽密剖面模型進行校正。

2.提出油囊式水下滑翔機浮力系統的液壓泵控制算法，根據溫鹽密剖面模型輸出的密度，計算水下滑翔機達到浮力與重力平衡所需的外皮囊油液體積，并將其轉化為浮力系統液壓泵的轉數作為控制參數。

3.設定水下滑翔機中性懸停標志，以設定懸停深度的海水壓力為中心設定壓力區間，將外部海水壓力保持在此區間內作為水下滑翔機達到中性懸停的標志。

附圖說明

圖1為浮力系統的液壓泵控制算法流程圖。

圖2為水下滑翔機上浮過程中懸停的液壓泵轉數變化。

圖中：1、水下滑翔機在海表面達到中性狀態時油囊體積參考零線；2、水下滑翔機在水下一定深度達到中性狀態時油囊體積參考零線；3、水下滑翔機下潛時的油囊體積；4、水下滑翔機上浮時的油囊體積。

具體實施方式

1.建立海洋溫鹽密剖面模型。利用歷史觀測資料、水下滑翔機初次剖面觀測數據等建立基本的溫鹽剖面模型，得到目標區域海水溫度、鹽度、密度的垂直分布，在水下滑翔機后續的水文剖面觀測中，針對海洋要素的變化，利用觀測結果對溫鹽密模型進行校正。

2.提出浮力系統的液壓泵控制算法。

1)由壓力試驗，標定水下滑翔機的耐壓殼體在不同水壓下的體積V₂；

2)按照海表面的海水密度和常壓下的水下滑翔機體積，取外皮囊油量變化范圍的一個中間值V₀₁，作為水下滑翔機中性體狀態時的參考值；

3)根據不同深度h的海水密度ρ，由Mg＝ρg(V₂+V₀₂)，計算水下滑翔機在不同深度，保持浮力重力相等所需要的外皮囊排水體積V₀₂

V₀₂＝M/ρ-V₂；

4)由液壓泵的轉數和排量V計算油囊體積變化，當水下滑翔機在海表面，控制液壓泵轉動n₁，油囊體積減小n₁×V，浮力小于重力，水下滑翔機開始下潛；到達最大工作深度時，液壓泵轉動n₂，油囊體積增大n₂×V，浮力大于重力，水下滑翔機開始上?。蝗鐖D2所示，水下滑翔機在不同深度達到中性狀態，油囊體積的參考零線會變化(V₀₁-V₀₂)，所以到達設定懸停深度h時，為調整浮力等于重力，油囊體積需減小

V’＝(n₂×V-n₁×V)+(V₀₁-V₀₂)