水下机器人航态调节液舱系统及水下机器人和控制方法与流程

本发明涉及的是一种水下机器人的航态调节装置，本发明也涉及一种带有航态调节装置的水下机器人，本发明还涉及一种带有航态调节装置的水下机器人的控制方法。

背景技术：

本发明涉及的水下机器人是一种可长期潜入水下，自带能源、自推进、遥控或自主控制，通过配置任务载荷执行作业任务，能回收和反复利用的潜器。海洋所蕴含的巨大经济潜力已经受到世界各国的广发关注。随着海洋资源的开发及其应用领域的不断扩大，针对水下无人航行器的技术研发得到了长足发展。由于水下机器人可在无人或极少人干预的条件下在复杂的海洋环境中完成任务，具有较高的隐蔽性和经济性，因而其应用十分广泛。除了执行水下航行、作业等任务，某些具有特种功能需求的水下机器人还经常需要在近水面开展观察、对空或对海的负载投放等工作。

水下机器人在近水面航行、作业时由于受到海流海浪等环境干扰的影响会产生较大的升沉运动，严重破坏水下机器人的姿态平衡。水下机器人进行水面作业时需要将所携带的精密光学、电子仪器伸出水面，剧烈的摇摆将严重影响光学设备成像，电子信号的收发，导致观察效果降低甚至直接导致任务失败。负载投放工作同样需要以水下机器人姿态保持稳定为前提，使水下机器人可以利用投放装置平稳的完成投放或负载平稳驶离。

技术实现要素：

本发明的目的之一是提供一种运动姿态稳定能力强、浮态控制能力精准、环境自适应性好的水下机器人航态调节液舱系统。本发明的目的之二是提供一种基于本发明的水下机器人航态调节液舱系统得水下机器人。本发明的目的之二是提供一种水下机器人的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的水下机器人航态调节液舱系统，包括液舱外壳，在液舱外壳底部设置截面为半环形的载液舱，载液舱的两个上端面处分别设置左边舱气阀与右边舱气阀，载液舱的底部设置通海阀，左边舱气阀与右边舱气阀之间设置两只并联的控制气路，一只控制气路与高压气瓶相连，另一只控制气路与外界相连通，载液舱内装液体且液体的夜面与载液舱的两个上端面之间分别形成可压缩气体的气室，载液舱的两个上端面之间由液舱顶部气体通道相连通，液舱顶部气体通道上设置气道控制阀。

本发明的水下机器人航态调节液舱系统还可以包括：

1.所述半环形的载液舱为u型载液舱、v型载液舱或平底u型载液舱。

2.两只并联的控制气路中的每一只控制气路由两个气阀串联组成，高压气瓶连接于一只控制气路的两个气阀中间，另一只控制气路的两个气阀中间与外界相连通。

本发明的带有航态调节液舱系统的水下机器人包括如下两种方案：

方案一：在水下机器人中部布置一套航态调节液舱系统，所述航态调节液舱系统包括液舱外壳，在液舱外壳底部设置截面为半环形的载液舱，载液舱的两个上端面处分别设置左边舱气阀与右边舱气阀，载液舱的底部设置通海阀，左边舱气阀与右边舱气阀之间设置两只并联的控制气路，一只控制气路与高压气瓶相连，另一只控制气路与外界相连通，载液舱内装液体且液体的夜面与载液舱的两个上端面之间分别形成可压缩气体的气室，载液舱的两个上端面之间由液舱顶部气体通道相连通，液舱顶部气体通道上设置气道控制阀。

方法二：在水下机器人艏艉各布置一套航态调节液舱系统，所述航态调节液舱系统包括液舱外壳，在液舱外壳底部设置截面为半环形的载液舱，载液舱的两个上端面处分别设置左边舱气阀与右边舱气阀，载液舱的底部设置通海阀，左边舱气阀与右边舱气阀之间设置两只并联的控制气路，一只控制气路与高压气瓶相连，另一只控制气路与外界相连通，载液舱内装液体且液体的夜面与载液舱的两个上端面之间分别形成可压缩气体的气室，载液舱的两个上端面之间由液舱顶部气体通道相连通，液舱顶部气体通道上设置气道控制阀。

本发明的带有航态调节液舱系统的水下机器人的控制方法包括近水面浮态控制方法和近水面姿态控制方法。

带有航态调节液舱系统的水下机器人的近水面浮态控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一：将水下机器人近水面作业时期望的作业深度和浮态输入到水下机器人的控制系统中；

步骤二：将深度计检测到的水下机器人近水面深度信息通入基于有色噪声的海浪干扰滤波器，估计海浪干扰信号并从控制系统的输出信号中分离出来，与期望深度和浮态作差得到误差信号；

步骤三：将步骤二得到的误差信号通入反馈线性化的水下机器人浮力定深滑模控制器，控制航态调节液舱系统内可压缩气体流量，控制液舱的进排水控制液舱内液体液位；

步骤四：重复步骤二和步骤三使近水面作业的水下机器人保持期望的作业深度和浮态。

带有航态调节液舱系统的水下机器人的近水面姿态控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一：将水下机器人近水面作业时期望的姿态输入到姿态控制系统中；

步骤二：将姿态传感器检测到带有海浪干扰的姿态信息与期望姿态作差得到姿态误差；

步骤三：将步骤二得到的姿态误差通入带有功耗约束和舱内液体运动约束的广义预测主动控制器，广义预测主动控制器控制气道控制阀开口大小调节舱内液体的固有特性，对液舱形成被动控制；

步骤四：联合协调控制航态调节液舱系统内可压缩气体流量，控制舱内液体的晃荡运动，使液体晃荡产生的力和力矩抵消水下机器人所受水机海浪干扰力；

步骤五:重复步骤二、步骤三、步骤四，使近水面作业的水下机器人保持期望姿态。

水下机器人在近水面航行作业时，由于受到海流海浪等环境干扰的影响会产生较大的摇摆、升沉运动严重破坏水下机器人的自身姿态平衡，甚至造成任务失败。本发明的目的即是为了解决此类问题而提出的一种水下机器人航态调节液舱系统，本在水下机器人航态调节液舱系统的基础上进一步开发了带有水下机器人航态调节液舱系统的水下机器人及其控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于多功能液舱的水下机器人近水面作业主动适应环境航态调节方法能够解决这样的问题：水下机器人在近水面航行、作业时由于受到海流、海浪等环境干扰的影响会产生较大的摇摆、升沉运动，严重破坏水下机器人自身姿态平衡，甚至造成任务失败。通过本发明水下机器人可以具备以下能力：第一，较强的运动姿态稳定能力；第二，较高精度浮态控制能力；第三，较强的环境自适应能力。

附图说明

图1是本发明的水下机器人航态调节液舱系统的结构示意图。

图2是带有航态调节液舱系统的水下机器人的第一种实施方式的结构示意图。

图3是带有航态调节液舱系统的水下机器人的第二种实施方式的结构示意图。

图4是带有航态调节液舱系统的水下机器人的近水面作业浮态调节控制方法的框图。

图5是带有航态调节液舱系统的水下机器人的近水面作业姿态调节控制方法的框图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的水下机器人航态调节液舱系统包括液舱外壳6，在液舱外壳底部设置截面为半环形的载液舱9，载液舱的两个上端面处分别设置左边舱气阀7与右边舱气阀12，载液舱的底部设置通海阀10，左边舱气阀与右边舱气阀之间设置两只并联的控制气路，一只控制气路与高压气瓶11相连，另一只控制气路与外界相连通，载液舱内装液体且液体的夜面与载液舱的两个上端面之间分别形成可压缩气体的气室8，载液舱的两个上端面之间由液舱顶部气体通道6和13相连通，液舱顶部气体通道上设置气道控制阀14。两只并联的控制气路中的每一只控制气路由两个气阀串联组成，一只控制气路由气阀01p和气阀01s串联组成，与外界相连通的通气管连接于气阀01p和气阀01s之间，另一只控制气路由气阀02p和气阀02s串联组成，高压气瓶11连接于气阀02p和气阀02s之间。

载液舱的截面形状优选u型，也可以是v型或平底u型。

结合图2，本发明的带有航态调节液舱系统的水下机器人的为：在水下机器人1中部布置一套航态调节液舱系统2，航态调节液舱系统包括液舱外壳6，在液舱外壳底部设置截面为半环形的载液舱9，载液舱的两个上端面处分别设置左边舱气阀7与右边舱气阀12，载液舱的底部设置通海阀10，左边舱气阀与右边舱气阀之间设置两只并联的控制气路，一只控制气路与高压气瓶11相连，另一只控制气路与外界相连通，载液舱内装液体且液体的夜面与载液舱的两个上端面之间分别形成可压缩气体的气室8，载液舱的两个上端面之间由液舱顶部气体通道6和13相连通，液舱顶部气体通道上设置气道控制阀14。两只并联的控制气路中的每一只控制气路由两个气阀串联组成，一只控制气路由气阀01p和气阀01s串联组成，与外界相连通的通气管连接于气阀01p和气阀01s之间，另一只控制气路由气阀02p和气阀02s串联组成，高压气瓶11连接于气阀02p和气阀02s之间。载液舱的截面形状优选u型。该实施方式是采用布置在水下机器人平行中体的单液舱方案。

结合图3，本发明的带有航态调节液舱系统的水下机器人的第二种实施方式为：在水下机器人4的艏艉各布置一套航态调节液舱系统3和5，套航态调节液舱系统的构成与上述第一种实施方式中的相同。该实施方式是采用采用布置在水下机器人艏艉的双液舱方案。

水下机器人航态调节液舱系统的u型结构载液舱两边舱中间空位可用于布置水下机器人能源、控制、负载等其他系统及设备。载液舱两舷边舱顶部分别设置一个气阀，通过控制气路与高压气瓶相连，液舱底部设置通海阀，用于控制液舱内液体与外部海水的通闭。

水下机器人航态调节液舱系统的进排水过程为：载液舱两舷边舱顶部分别设置左边舱气阀7、右边舱气阀12，通过控制气路与高压气瓶相连；液舱底部设置通海阀，用于控制载液舱内液体与外部海水的进出；当气阀01p、02s、通海阀10关闭时，载液舱为一个密闭空间，载液舱内部气体和内部液体不能排出，水下机器人外界空气和海水也不能进入该水下机器人航态调节液舱系统；当气阀01p、01s打开时，可将该载液舱内的气体排向水下机器人周围外界空气或外界海水；当水下机器人需要上浮时，打开左边舱气阀7、通海阀10、右边舱气阀12，控制液舱顶部气路(打开02p、02s、关闭01p、01s)使高压气体流入载液舱，将舱内液体压出液舱，压向外部海水；当水下机器人需要下潜时，控制液舱顶部气路与外界环境接通(打开01p、01s、关闭02p、02s)打开通海阀，海水因内外压差流入液舱内。

基于液舱系统的水下机器人近水面航态控制方法，该方法包括：基于多功能液舱系统的水下机器人近水面浮态控制方法和基于多功能液舱的水下机器人近水面姿态控制方法两部分；

结合图4，基于多功能液舱系统的水下机器人近水面浮态控制方法包括如下步骤，

步骤一：将水下机器人近水面作业时期望的作业深度和浮态输入到水下机器人的控制系统中；

步骤二：将深度计检测到的水下机器人近水面深度信息通入基于有色噪声的海浪干扰滤波器，估计海浪干扰信号并将其从控制系统的输出信号中分离出来，与期望深度和浮态作差得到误差信号；

步骤三：将步骤二得到的误差信号通入反馈线性化的水下机器人浮力定深滑模控制器，控制多功能液舱系统内可压缩气体流量，控制液舱的进排水控制液舱内液体液位；

步骤四：重复步骤二和步骤三使近水面作业的水下机器人保持期望的作业深度和浮态

针对液舱系统的强非线性、大惯性滞后以及水下机器人在近水面定深控制受到海浪干扰的问题，根据图4所示的浮态控制框图，通过有色噪声海浪干扰滤波器估计海浪干扰信号，并将其从控制系统的深度输出信号中分离出来，避免进入控制器环节；然后通过基于反馈线性化的水下机器人浮力定深滑模控制器，解决系统的非线性和液舱进排水大惯性滞后问题。

海浪干扰信号为有色噪声信号，上述的有色噪声海浪干扰滤波器是指，将此海浪干扰有色噪声信号从输入信号中滤除的滤波器。

上述的浮力定深滑模控制是指通过构造滑模面函数引入非线性函数的滑动超平面，使得在滑模面上跟踪浮力误差能够在有限时间内趋于零的控制方法。

结合图5，基于多功能液舱系统的水下机器人近水面姿态控制方法包括如下步骤，

步骤一：将水下机器人近水面作业时期望的姿态输入到姿态控制系统中；

步骤二：将姿态传感器检测到带有海浪干扰的姿态信息与期望姿态作差得到姿态误差；

步骤三：将步骤二得到的姿态误差通入带有功耗约束和舱内液体运动约束的广义预测主动控制器，广义预测主动控制器控制液舱顶部流量阀开口大小调节舱内液体的固有特性，对液舱形成被动控制。

步骤四：联合协调控制多功能液舱系统内可压缩气体流量，控制舱内液体的晃荡运动，使液体晃荡产生的力和力矩抵消水下机器人所受水机海浪干扰力。

步骤五:重复步骤二、步骤三、步骤四，使近水面作业的水下机器人保持期望姿态。

水下机器人近水面作业时姿态控制存在不确定性、非线性、多约束等问题，难以建立精确的数学模型实现有效的控制。广义预测主动控制是基于模型预测的控制算法，正是为适应这种要求而发展起来的一种计算机算法。

如图1所示，以闭式气控u型液舱为对象，根据图5所示的姿态控制框图，利用液舱顶部气道的流量阀开口大小调节舱内液体晃荡的固有特性，对液舱形成可控被动式控制，利用海浪的能量实现舱内液体移动，对水下机器人产生稳定性作用；利用带有约束条件的广义预测主动式控制器：

对液舱进行联合协调控制，综合考虑舱内液体运动约束和能量约束，在较小的功率消耗条件下，提高液舱的控制效果和自适应能力。