一种基于水下浮沉装置的控制方法与流程

本发明涉及水下浮沉装置，具体涉及一种基于水下浮沉装置的控制方法。

背景技术：

原来仿生机器在水中自由沉浮系统采用的是改变重心位置法，和胸鳍法。重心位置法:改变重心位置法的原理是在仿生机器体内装备一个可以活动的配重物，通过调节配重物的位置，改变仿生机器的重心位置，从而改变仿生机器的整个身体的倾斜方向，进而改进推进力的方向，得到垂直于水面的分力，控制仿生机器的上浮和下沉运动。当重物向前移，仿生机器身体重心向前移动，身体头部向下倾斜，分力方向向下，仿生机器在此分力作用下实现下潜运动。当仿生机器重物后移，身体重心后移，头部抬起，分力向上，实现上浮运动。此方案利用配重物的位置改变仿生机器的俯仰角，改变升力的大小和方向。此方案的缺点是响应速度慢，配重物所占用的活动空间比较大。

胸鳍法：胸鳍法的原理是在仿生机器的前部安装以身体轴线对称的一对仿生机器鱼鳍，其原理相当于飞机的机翼，仿生机器在游动过程中，通过身体内的电机改变胸鳍的姿态，利用身体和流体之间的相对运动在倾斜的仿生机器鳍上对推进力做分解，得到垂直于游动方向上的分力，通过改变胸鳍的倾斜角度改变力的大小和方向。当胸鳍倾斜向下时，分力向下，仿生机器在向下的分力作用下实现下潜，胸鳍前段倾斜向上时，分力向上，实现仿生机器的上浮运动，当胸鳍的方向与游动方向平行且仿生机器的游动速度较低时不产生分力或者分力较小，因此通过调节胸鳍的俯仰角度即可调节仿生机器的上浮，下沉和悬浮运动。这种方法的缺点是深度控制不精确，必需借助较高的向前游动速度，无法实现低速或者零速下的悬浮运动。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于水下浮沉装置的控制方法，本发明响应速度快，灵活性好，深度保持稳定，且能长时间保持。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于水下浮沉装置的控制方法，包括以下步骤：

深度值初始化，定义深度值范围，定义绝对深度0值；

深度值设定，设定预达到深度值；

速度值设定，设定预设上浮速度、预设下沉速度、预设悬浮速度；

深度检测，检测水下浮沉装置当前位置深度值；

深度比较，比较当前位置深度与预达到深度值大小；

速度检测，检测水下浮沉装置当前上浮或下沉或悬浮速度；

速度比较，比较当前速度与预设上浮速度、预设下沉速度、预设悬浮速度。

进一步的，所述的当前位置深度大于预达到深度值，水泵关闭，出水阀开启，水囊排水，水下浮沉装置上浮，检测所述的水下浮沉装置的当前上浮速度，比较所述的水下浮沉装置的当前上浮速度与预设上浮速度。

进一步的，所述的当前上浮速度大于预设上浮速度，出水阀关闭，水泵开启，水囊进水。

进一步的，所述的当前上浮速度等于预设上浮速度，出水阀关闭。

进一步的，所述的当前上浮速度小于预设上浮速度，出水阀开启，水囊排水。

进一步的，所述的当前位置深度等于预达到深度值，检测所述的水下浮沉装置当前悬浮速度，比较当前悬浮速度与预设悬浮速度。

进一步的，所述的当前悬浮速度大于预设悬浮速度，出水阀开启，水囊排水。

进一步的，所述的当前悬浮速度等于预设悬浮速度，水泵关闭，进水阀关闭，出水阀关闭。

进一步的，所述的当前悬浮速度小于预设悬浮速度，水泵开启，水囊进水。

进一步的，所述的当前位置深度小于预达到深度值，水泵开启，进水阀开启，水囊进水，水下浮沉装置下沉，检测所述的水下浮沉装置的当前下沉速度，比较所述的当前下沉速度与预设下沉速度；所述的当前下沉速度大于预设下沉速度，出水阀开启，水囊排水；所述的当前下沉速度等于预设下沉速度，水阀关闭，水泵关闭；所述的当前下沉速度小于预设下沉速度，水泵开启，进水阀开启，水囊进水。

本发明的有益效果是:本发明提供一种基于水下浮沉装置的控制方法，包括深度值初始化，定义深度值范围，定义绝对深度0值；深度值设定，设定预达到深度值；速度值设定，设定预设上浮速度、预设下沉速度、预设悬浮速度；深度检测，检测水下浮沉装置当前位置深度值；深度比较，比较当前位置深度与预达到深度值大小；速度检测，检测水下浮沉装置当前上浮或下沉或悬浮速度；速度比较，比较当前速度与预设上浮速度、预设下沉速度、预设悬浮速度，本发明实现仿生机器在水中快速上浮、快速下潜和悬浮在设定的深度，本控制方法响应速度快，灵活性好，深度保持稳定。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的一种基于水下浮沉装置的控制方法装配示意图；

图2是本发明的水泵盒内部结构示意图；

图3是本发明的水泵盒与压力罐连接管路示意图；

图4是本发明的一种基于水下浮沉装置的控制方法水路示意图；

图5是本发明的一种基于水下浮沉装置的控制方法控制方法框架图；

图6是本发明的一种基于水下浮沉装置的控制方法控制原理示意图；

图中标号：骨架1、水泵盒2、压力罐3、水泵21、压力传感器22、阀体23、水囊31、气体32。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1-6所示，一种基于水下浮沉装置的控制方法，如图1所示，包括沉浮控制器、水泵盒2、压力罐3，水泵盒2内设有水泵21、阀体23；压力罐3内设有水囊31，水囊31与压力罐3之间密封连接；水囊31与压力罐3之间密封有气体32；水泵21、阀体23与沉浮控制器连接；水泵21与水囊31通过管路连接；水泵21与压力罐3之间的管路上设有阀体23；如图2所示，沉浮控制器安装于水泵盒2内；沉浮控制器控制水泵21进水、控制阀体23开关。

优选地，阀体23为电磁单向阀。

优选地，压力罐3的数量为2个以上。阀体23的数量为压力罐3的数量的两倍。

优选地，水泵盒2还设有流量计；流量计一端通过管路与水泵21连接，另一端通过管路与外界水域连通；流量计与沉浮控制器电连接。

优选地水泵盒2还设有压力传感器22；压力传感器22由沉浮控制器控制。

下面结合图1-图6详细说明水下沉浮装置的沉浮控制：

水泵盒2和两个压力罐3通过连接管路组成整个沉浮系统，水泵盒2里装有沉浮控制器，通过骨架1上设有的深度传感器检测仿生机器当前所在的深度和实际设置的深度来调节两个储水罐的充放水，改变仿生机器的重力和浮力的关系，实现仿生机器在水中的上浮和下潜。

如图5所示，一种基于水下浮沉装置的控制方法包括深度值初始化、深度值设定、速度值设定、深度检测、深度比较、速度检测、速度比较。

如图6所示，沉浮控制流程如下：深度传感器先检测当前深度值，然后跟主控板发送过来的设置深度值比较，当设置深度比当前深度值小时，阀体23开启，压力罐3中气体32压力大于水囊31中水压，水囊31中水被挤出，仿生机器上浮，并每隔0.2s检测仿生机器上浮的速度，当上浮速度小于1cm/s，继续排水，浮力慢慢比重力大，上浮速度逐渐加大，当上浮深度值等于1cm/s时，阀体23关闭，水囊31停止排水。当上浮速度大于1cm/s时，水泵21开启，水囊31进水，重力逐渐大于浮力，上浮速度减慢，控制仿生机器以1cm/s的速度上浮，在没有到达设定深度时，水囊31动态充放水，以接近1cm/s的上浮速度上浮到设定深度。到达设定深度后，检测当前的速度，若当前上浮速度值大于0.1cm/s,水囊31进水，若下沉速度大于0.1cm/s,水囊31放水，动态调节，让仿生机器稳定在设置深度值附近；当设置深度比当前深度值大时，水泵21开启，阀体23开启，水囊31进水，重力大于浮力，仿生机器下沉，每隔200ms检测下沉的深度，当下沉的速度大于2cm/s时出水阀开启，水囊31排水，当下沉速度等于2cm/s，水泵21关闭，阀体23关闭，仿生机器以约2cm/s的速度下沉，到达设定深度附近，水囊31开始动态充放水，控制上浮速度和下沉速度都在0.1cm/s，让仿生机器悬浮在设置深度附近。

如图1所示，一种优选的方案，水下浮沉装置安装与骨架1上，水泵盒2安装与骨架1中部。骨架1上设有2个压力罐3，分别位于骨架1尾段与骨架1头段。并配备一个高压大流量的水泵21，通过快速改变压力罐3中水囊31内水的多少，调节仿生机器身体的重力和浮力之间的关系，实现仿生机器上浮下潜的运动。当水囊31充水，仿生机器身体的重力大仿生机器浮力，仿生机器依靠重力的作用下沉，差别越大，加速度越大。当水囊31排水时，浮力大于重力，仿生机器依靠浮力的作用上浮。当重力和浮力相等且仿生机器的速度等于0时，仿生机器可自由悬浮在水中。在实际的控制过程中，通过水深传感器检测仿生机器当前所在的深度，通过当前深度和设置的深度比较，当设置深度大于当前深度时，沉浮控制器打开水泵21和阀体23，对水囊31加水，让仿生机器身重力大仿生机器浮力，实现下潜，在下潜的过程中实时检测下沉的速度，当下潜过快时沉浮控制器控制水泵21放水，控制仿生机器身的下潜速度，当仿生机器下潜到设定位置附近时，水泵21通过不停地充放水，让仿生机器在设定深度附近上下小幅波动，实现仿生机器悬浮在水中某一深度。当设定的深度小于当前深度时，沉浮控制器控制水泵21放水，上浮到设定深度，然后悬浮在该深度附近。

采用双罐控制的原因是为了让仿生机器在水中上浮下沉的姿态更加逼真。上浮时仿生机器头部附近的压力罐3先放水，让头部先浮上来，当仿生机器头上浮的角度达到预先设定的角度时，尾段压力罐3开始放水，仿生机器尾跟着浮起来，给人感觉上浮时，仿生机器头先抬起来，慢慢游上来，上浮过程形象逼真。下沉时也是仿生机器头段压力罐3先进水，仿生机器头先下沉，接着尾段压力罐3进水，仿生机器尾部跟着下沉，整体下沉过程形象逼真。

如图1、图3所示，仿生机器骨架上前后两个压力罐3，骨架中间装设有水泵盒2，水泵21和控制流向的阀体23都装在水泵盒2里密封，水泵21和通过两根管路与两压力罐3连接，中间一根短管与外界水域连通，短管作为水泵21进水口。沉浮是通过两个压力罐3内的水囊31体积大小来控制的。压力罐3内装有一个水囊31，水囊31和压力罐3外壁间密封有一定压力的气体32，水泵21将外界水泵入压力罐3后水囊31体积增大，压缩周围气体32，使得仿生机器整体浮力减小。排水过程通过压力罐3内压缩气体32的压力将水挤出压力罐3，增加浮力。压力罐3内气体32的压力是可调节的，以便适应不同的水域，例如在10M水深的环境中，压力罐3内气压需要0.15～0.2MP方能将管内水体挤出，在20M深的环境下压力罐3内气体需要0.2～0.3MP。

管路循环如图4所示，压力罐3分为水罐A、水罐B，阀体23设有4个，分别为阀a、阀b、阀c、阀d，在两条回路上各设有一个流量计，在给水罐A进水的阶段，阀a、阀b、阀d均关闭、阀c打开，在水泵21的作用下，外界水域中的水通过左边的流量计再经过水泵21、阀3进入水罐A。水罐A放水过程中，关闭阀b、阀c、阀d并打开阀a，水罐A中的水在罐内气压的作用下排出，并通过流量计排入外部水域。B罐的进水、排水同理。当水罐A进水、水罐B排水同时进行，关闭阀a、阀d，打开阀b、阀c，在水泵21的作用下，外界水域中的水通过左边的流量计再经过水泵21、阀c进入水罐A；水罐A排水、水罐B进水同理；水罐A、水罐B同时进水时，关闭阀a、阀b，打开阀c、阀d，在水泵21的作用下，外界水域中的水通过左边的流量计再经过水泵21、阀c、阀d进入水罐A、水罐B；水罐A、水罐B同时排水时，关闭阀c、阀d，打开阀a、阀b，水罐A、水罐B中的水在罐内气压的作用下排出，并通过流量计排入外部水域。

本发明提供一种基于水下浮沉装置的控制方法，包括深度值初始化，定义深度值范围，定义绝对深度0值；深度值设定，设定预达到深度值；速度值设定，设定预设上浮速度、预设下沉速度、预设悬浮速度；深度检测，检测水下浮沉装置当前位置深度值；深度比较，比较当前位置深度与预达到深度值大小；速度检测，检测水下浮沉装置当前上浮或下沉或悬浮速度；速度比较，比较当前速度与预设上浮速度、预设下沉速度、预设悬浮速度，本发明实现仿生机器在水中快速上浮、快速下潜和悬浮在设定的深度，本控制方法响应速度快，灵活性好，深度保持稳定。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。