一个大深度和高精度的深度传感器，跟随载体下潜，检测潜器下潜的 深度数据，是潜器的深度精确检测传感器。
[0039] 高度计B是一个W声学方式为检测手段的传感器，用于检测载体到海底的高度， 避免潜器下潜过快撞到海底，为潜器的深度控制提供安全检测。
[0040] 盐深传感器C是一种根据海水盐度来确定深度的传感器，该传感器对深度检测精 度较低，可W与深度计A进行组合，实现深度粗精检测，对不同深度控制情况下采用不同的 传感器进行检测。
[0041] 惯性系统D是ΚΞ个光纤巧螺和Ξ个加速度计组成惯性系统，用来检测载体的姿 态，与深度信息组合可W矫正深度传感器输出的数据。
[0042] 信息采集系统E用来对深度信息传感器传来的数据进行采集，数据处理和信息融 合，为潜器提供准确的深度信息和姿态信息。
[0043] 深度控制器F是一个高速度计算机系统，根据深度信息、姿态信息和中屯、控制器 的深度控制信息进行比对和计算，得到合理的深度组合控制方式。
[0044] 浮力调节系统系统G是一种根据油囊的体积变化改变系统浮力的装置，根据深度 控制器的命令调节Ξ个油囊的体积实现潜器的上浮和下潜，同时该浮力调节系统还能够调 整潜器的俯仰角度，实现潜器在无动力条件下的姿态调整。
[0045] 推进系统Η是由潜器的水平主推进器、垂直推进器和水平翼和垂直舱组成，为潜 器的前进、上浮下潜、姿态控制提供动力。
[0046] 实施2,结合附图2,深度控制装置由潜器的水平主推进器、垂直推进器和水平翼、 垂直舱、浮力调节系统组成。水下自主潜器的外形W流线型为主，在前进方向运动阻力很 小，能够保证水平推进器w最大的效率前进，保证前进方向的阻力很小，而在其它方向如上 浮、下潜的运动阻力较大，因此采用水平推进器和调节舱的组合能够保证潜器W最快速度 上浮和下潜。由于潜器在垂直方向的运动阻力较大，单纯依赖垂直推进器潜器的下潜速度 相对较慢。浮力调节系统则是通过调节潜器的浮力实现潜器的深度控制，因此采用该方式 控制深度的速度最慢，但是其控制进度较高，特别在静止悬浮状态下，可无须动力实现深度 伺服，用于潜器深度位置的微调和伺服控制。
[0047] 实施3,结合附图3,多尺度的控制方法根据当前潜器所在深度与目标深度之间的 差值，在既保证控制的快速性和控制的稳定性，采用的分阶段的控制装置和不同的控制方 法。
[0048] 结合附图4,快速下潜时采用PID控制器，其控制方程为：
[0049]
[0050] 式中：e为深度偏差，是当前深度与目标深度的偏差。
[0051] U为控制器输出，调节水平推进器速度和调节舱的角度。 阳0巧 Κρ、Ki、Kd分别为比例项系数，积分项系数和微分项系数。
[0053] 当到达距离目标深度10米范围后，采用滑模控制方式，其控制器控制律：
[0067] 当到达距离目标深度1米范围后，采用模糊自适应控制器，其模糊控制规则表如 下：
[0068]
[0069] 实施4,结合附图5,浮力调节系统由油箱、动力累、Ξ个电磁阀、Ξ个油囊组成。其 中油箱、动力累和上个电磁阀在密封舱中，Ξ个油囊分别布置在潜器腊端、紳端和艇端。当 潜器需要浮力调节系统提供浮力时，动力累工作将油箱中的油传递到Ξ个电磁阀端，深度 控制系统打开电磁阀，将油充入到油囊中，油囊体积变大，进而增加潜器的浮力，当浮力达 到要求，关闭电磁阀，同时关闭动力累，潜器的浮力就维持在定值；当潜器需要浮力调节系 统减少浮力时，打开电磁阀，动力累工作，将油囊中的油传递到油箱中。无论在下潜还是上 浮过程中，动力累的速度可W控制，进而控制油囊中的油可控制性变化，避免快速变化带来 的系统失速和失稳。
[0070] 设浮力调节系统的平均密度为Ρ，质量为m，体积为V。，假设浮力调节系统下潜或 上浮时每个采样间隔前后的体积分别为Vl和V2,对应浮力调节系统的平均密度分别为Pi 和P2则：
[0071]
[0072] 因为浮力调节系统下潜或上浮过程中总质量m为不变常量，由式（1)知，如果V2>Vl，则P2<P1，即当浮力调节系统内油囊的油体经水累抽吸进入外油囊时，浮力调节系统 的总体积变大，系统将上浮。当电控控制阀打开，外油囊内的油体在外界水体压力的作用下 将回流入内油囊，浮力调节系统总体积会变小，此时V2<Vi，则P2>P1。
[0073] 实施5,结合附图6,深度控制的差值较大时，采用潜器下潜速度最快的方式，即水 平推进器与调节舱进行组合的形式，快速控制潜器下潜。在该阶段采用最为简单的PID控 制方式，在深度误差较大时，使得推进系统输出最大，W最快的速度向目标深度运动。
[0074] 当潜器到达距离设定深度10米左右时，调整潜器姿态，控制潜器的俯仰角为零， 然后控制垂直推进器，使潜器W中速下潜。该阶段采用滑模控制方式，接近目标深度。
[00巧]当潜器距离目标深度1米范围时，关闭垂直推进器，通过浮力调节系统，使潜器慢 慢接近目标深度，直到到达目标深度并伺服在该深度，该阶段采用模糊自适应控制方法，接 近目标深度或伺服该深度。
【主权项】
1. 一种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，其特征在于：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 的高精度定深控制；推进系统由水平推进器、垂直推进器和调节舵组成，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心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；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、 温度，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。
【专利摘要】本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉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。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。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，既满足系统深度控制的快速性要求，也保证深度伺服控制的稳定性和鲁棒性。
【IPC分类】B63G8/24, B63G8/22
【公开号】CN105383654
【申请号】CN201510727297
【发明人】魏延辉, 周星合, 高苇杭, 胡佳兴, 于媛媛, 杨子扬, 刘合伟, 贾献强, 韩寒, 王泽鹏
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年3月9日
【申请日】2015年10月30日