一种自主式水下潜器的深度控制装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及水下机器人技术领域，具体设及的是一种能够实现自主式水下潜器在 大深度、长航时情况下的快速、精确的深度控制的自主式水下潜器的深度控制装置及其控 制方法，该方法。
【背景技术】
[0002] 自主式水下潜器的深度控制系统的输出推进装置一般为两种：一种为普通的螺 旋奖，为了满足其垂向的运动要求，产生垂向的推力，需要在艇体的垂向上至少布置一个槽 道螺旋奖；另一种为布置水平舱（或叫水平翼），通过运动时水平舱产生升力，进而改变自 主式水下潜器纵倾角，截合轴向运动，产生上升和下潜运动。
[0003] 但上述两种做法存在W下缺点：
[0004] 1、在水下高速航行时，槽道螺旋奖存在较大的推力减额问题，甚至会出现深度失 控；槽道奖定深航行消耗能量较多，减少了自主式水下潜器的航程；在遇到较大垂向海流 的时候，仅凭垂向槽道奖，可提供的抵抗能力较弱。
[0005] 2、水平舱调节纵倾只有在大航速下，才有较高的舱效；单纯采用水平舱无法实现 垂直潜伏运动，只能进行运动潜伏；通过航行中水平舱调节纵倾，虽然消耗能量较少，但水 平舱提供升力的同时，也有较大的阻力，需要主推螺旋奖消耗更多的能量来完成定速运动。
[0006] 潜器需要在低速和停悬状态下定深，水平舱失去作用。一般依靠垂直槽道推进器 W实现自动定深，同时通过浮力调整系统使潜器保持良好的浮力均衡。
[0007] 在相同试验条件下，研究了大量阶跃响应过程，发现自主式水下潜器在实际的下 潜运动过程中，经常出现深度控制方面为控制响应带来很大的超调，而且在深度保持阶段 距离期望深度的偏差较大。运是由于自主式水下潜器在下潜并要求实现定深运动的过程 中，实际运动环境中存在干扰（如海流、海浪），w及在不同航速下自主式水下潜器本身不 确定的水动力特性和模型参数，所设计的控制系统不能克服运些变化给控制对象带来的影 响，在深度动态响应阶段平台很有可能暂时失去控制，引起大超调；在稳定航行阶段平台也 不能保持期望深度。
[0008] 许多研究机构研究了一种浮力调节装置，根据水深调整潜器的浮力状态，使潜器 在定深情况下，保证浮力和重力相等，保证潜器在定深下的稳定。但是仅仅依赖浮力调节系 统控制潜器的定深，其反应速度和鲁棒性较差。
[0009] 目前关于自主式水下潜器的深度控制装置的一些设计中，《自治水下机器人的非 光滑有限时间控制》宋杏果论文中设计的非光滑有限时间控制方法，可W避免了失速现象 又使其下潜的快速性得到提高，但是其可靠性和精度有待提高。《小波神经网络自抗扰控制 器在水下机器人深度控制中的应用》《计算机与现代化》2015年第6期，本文中设计的小 波神经网络自抗扰控制器抗干扰能力强，稳定性高，但在响应速度和能耗方面还不能满足 实际任务的要求。《水下机器人浮力调节系统及其深度控制技术研究》李建朋论文中所设计 的控制器中，滑模模糊控制器对于水下潜器大深度范围的无动力升沉运动具有响应快、能 耗少等控制效果，但是控制精度不高，超调量大，在实际的应用中对水下潜器造成威胁；自 适应滑模模糊深度控制器对于水下潜器具有高的控制精度，但是响应速度慢，能耗大。运两 种深度控制器都不能兼顾控制精度高和系统能耗少运两方面的因素。
[0010] 本发明采用浮力调节装置和潜器的推进器进行联合调节，并采用复合的控制方法 实行大深度、长航时的潜器深度控制。
【发明内容】
[0011] 本发明目的在于提供一种通用的自主式水下潜器的深度控制装置。
[0012] 本发明的目的是运样实现的：
[0013] 自主式水下潜器的深度控制装置，包括深度数据采集系统、浮力调节系统、推进系 统、深度控制器、大深度水下潜器浮力模型，深度数据采集系统由深度计、高度计、盐深传感 器和惯性系统共同对自主式水下潜器的深度信息进行采集，经过信息采集系统的信号同步 和融合，提取出潜器的深度信息，分别传送到深度控制器和浮力模型；浮力调节系统用于调 节水下潜器的浮力，实现定深状态下的潜器的浮力和重力相等，保证潜器的高精度定深控 审IJ;推进系统由水平推进器、垂直推进器和调节舱组成，为自主式水下潜器提供前进和下潜 的动力；深度控制器根据自主式水下潜器的中屯、控制器传送的深度控制指令，比较深度信 息采集系统传送的深度信息，同时依据浮力模型计算出的潜器浮力信息进行综合计算和控 审IJ，将计算出的深度控制指令发送给浮力调节系统和自主式水下潜器的动力控制系统，实 现深度控制；大深度水下潜器浮力模型依赖海洋的不同深度的盐度、压力、溫度，根据实际 经验数据建立潜器的浮力模型，为水下潜器的深度控制提供详尽的参数。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有W下突出实质性的优点和有益效果：
[0015] (1)采用浮力调节装置和推进器进行组合设计潜器的深度控制系统，既克服单纯 依赖浮力调节系统控制的反应速度慢问题，满足系统深度控制的快速性要求，也克服了单 纯依赖推进器系统在目标深度时的伺服控制的震荡和抗干扰能力差的问题，保证深度伺服 控制的稳定性和鲁棒性。
[0016] (2)采用多尺度深度控制组合方法，根据不同海况和海深调整控制策略和选用控 制装置的组合方法，实现潜器的深度精确快速控制。
[0017] (3)设计的浮力调节系统和推进器采用能量优化原则，减少执行机构的能源消耗， 提高潜器的水下运行时间。
【附图说明】
[0018] 图1深度控制系统结构示意图；
[0019] 图2深度控制装置；
[0020] 图3多尺度的控制方式；
[0021] 图4浮力调节系统；
[0022] 图5浮力控制过程；
[0023] 图6本发明流程图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图对本发明做更详细的描述。
[00巧]本发明设及水下机器人领域，提供了一种自主式水下潜器深度控制系统结构及其 控制方法。该结构适用于大深度、长航时的自主式水下潜器，分为深度数据采集系统、浮力 调节系统、推进系统、深度控制器等四个部分：深度数据采集系统由深度计、高度计、盐深 传感器和惯性系统共同对自主式水下潜器的深度信息进行采集，经过信息采集系统的信号 同步和融合，提取出真实潜器的深度信息，分别传送到深度控制器；浮力调节系统用于调 节水下潜器的浮力，实现定深状态下的潜器的浮力和重力相等，保证潜器的高精度定深控 审IJ;推进系统由水平推进器、垂直推进器和调节舱组成，为自主式水下潜器提供前进和下潜 的动力；深度控制器中包含大深度水下潜器浮力模型，该模型依赖海洋的不同深度的盐度、 压力、溫度，根据实际经验数据建立潜器的浮力模型，为水下潜器的深度控制提供详尽的参 数，深度控制器根据自主式水下潜器的中屯、控制器传送的深度控制指令，比较深度信息采 集系统传送的深度信息，同时依据控制器中建立的浮力模型计算出的潜器浮力信息进行综 合计算和控制，将计算出的深度控制指令发送给浮力调节系统和自主式水下潜器的动力控 制系统，实现深度控制。本发明还提供快速、精确深度组合控制方法。本发明为多种型号的 自主式水下潜器提供了一种大深度长航时的快速精确深度控制装置和方法，为自主式水下 潜器稳定的水下作业提供保证。
[00%] 自主式水下潜器的深度控制装置及其控制方法，该结构适用于大深度、长航时的 自主式水下潜器，分为深度数据采