一种auv的浮力调节方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种用于AUV (自主水下机器人）的浮 力调节方法。
【背景技术】
[0002] AUV航行深度可达数千米，由于不同水域、不同水深、不同温度引起海水密度变化， 并随着下潜深度的增加，AUV耐压结构发生弹性形变引起排水体积的变化，这些因素会导致 AUV正浮力值发生改变（已经确定好的重力、浮力平衡被打破)，尤其是AUV初次到某一海区 需要在某一深度作业时，以往都是通过多次下水后，根据姿态数据调整浮力配平结果。但是 由于AUV在海洋环境里下潜的时间非常长，且海上条件严酷，不便于多次作业。
【发明内容】
[0003] 为了使AUV在海洋环境(海水密度与浅水不同且未知，密度差大）下能自动调整自 己的正浮力，本发明要解决的技术问题是提供一种AUV的浮力调节方法，使AUV可以在海洋 环境中稳定航行并作业。
[0004] 本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种AUV的浮力调节方法。
[0005] 需要如下设备：
[0006] 浮力调节装置，安装于AUV上，用于通过减小AUV的排水量来减少AUV的正浮力；
[0007] 垂直槽道电机，安装于AUV上，用于通过电力控制AUV的升沉；
[0008] CTD仪器，安装于AUV中，用于测量AUV所在位置的CTD数据；
[0009] 深度传感器，安装于AUV中，用于测量AUV所在位置的水深；
[0010] 控制计算机，连接浮力调节装置、CTD仪器和深度传感器，用于控制垂直槽道电机 的开闭，根据CTD仪器和深度传感器的数据计算浮力调节装置的排水体积并控制其排水；
[0011] 浮力调节装置为两台，左右对称的安装于AUV两侧。
[0012] 一种AUV的浮力调节方法，包括以下步骤：
[0013] 对AUV的当前正浮力状态进行估算；
[0014] 根据AUV的实际情况确定AUV本次浮力调节需要减小的正浮力；
[0015] 为了减小所述正浮力，计算AUV上的浮力调节装置需要排出水的体积。
[0016] 所述对AUV的当前正浮力状态进行估算，包括以下步骤：
[0017] 使AUV以当前深度向下η米作为目标深度，进行悬停下潜；
[0018] AUV在适合航行时正浮力F_tar性能下潜到目标深度并稳定的时间为t，从t时刻 后，间隔一段时间对垂直槽道电机转速进行采样，并计算出采样转速均值r_avg ;
[0019] 当r_avg > r_max时，则认为此时距离目标正浮力很大，超过一次调节正浮力的最 大量；
[0020] 当r_avg〈r_max时,可以通过公式（1)
[0021] F=a*R2+b*R+c，R〈r_ max (I)
[0022] 估计出AUV当前的正浮力，给出评估的正浮力值F_eva ;其中，F表示AUV的正浮 力，R表示AUV的垂直槽道电机的转速，a、b、c为常量，由水动力试验测得。
[0023] 所述η的取值范围为5-10。
[0024] 所述对垂直槽道电机转速进行采样大于2组。
[0025] 所述根据AUV的实际情况确定AUV本次浮力调节需要减小的正浮力，包括以下情 况：
[0026] 如果:r_avg > r_max，则将本次的浮力调节量设置为AUV单次浮力调节能力的最大 量；
[0027] 如果AUV悬停时在目标深度范围内，则深度可以稳定控制；若此时垂直槽道电机 的采样转速均满足适合航行时正浮*F_tar对应的转速范土 δ，则认为正 浮力已经达到了期望的适合航行时正浮力F_tar，结束浮力调节；
[0028] 如果AUV悬停时在目标深度范围内，则深度可以稳定控制；若此时垂直槽道电机 的采样转速均未能满足适合航行时正浮力F_tar对应的转速范土 δ，则将 正浮力状态的估算值与适合航行时正浮力的差值F_eva-F_tar作为输入量；
[0029] 如果AUV悬停时不在目标深度范围内，则目前深度无法稳定控制；若此时垂直槽 道电机的采样转速均满足适合航行时正浮*F_tar对应的转速范土 δ，则 认为此时距离适合航行的正浮力比较接近，按照可调节的最小量进行微调；
[0030] 如果AUV悬停时不在目标深度范围内，则目前深度无法稳定控制；若此时垂直 槽道电机的采样转速均值r_avg未能满足适合航行时正浮力F_tar对应的转速范围r_ tar 土 δ，则将正浮力状态的估算值与适合航行时正浮力的差值F_eva_F_tar作为输入量。
[0031] 所述AUV上的浮力调节装置需要排出水的体积通过下式计算：
[0032]
【主权项】
1. 一种AUV的浮力调节方法，其特征在于，包括以下步骤： 对AUV的当前正浮力状态进行估算； 根据AUV的实际情况确定AUV本次浮力调节需要减小的正浮力； 为了减小所述正浮力，计算AUV上的浮力调节装置需要排出水的体积。
2. 根据权利要求1所述的一种AUV的浮力调节方法，其特征在于，所述对AUV的当前正 浮力状态进行估算，包括以下步骤： 使AUV以当前深度向下η米作为目标深度，进行悬停下潜； AUV在适合航行时正浮力F_tar性能下潜到目标深度并稳定的时间为t，从t时刻后， 间隔一段时间对垂直槽道电机转速进行采样，并计算出采样转速均值r_avg ; 当r_avg > r_max时，则认为此时距离目标正浮力很大，超过一次调节正浮力的最大 量； 当r_avg〈r_max时，可以通过公式（1) F=a*R2+b*R+c, R〈r_ max (I) 估计出AUV当前的正浮力，给出评估的正浮力值？_价& ;其中，F表示AUV的正浮力， R表示AUV的垂直槽道电机的转速，a、b、c为常量，根据AUV的水动力试验测得，本例中 a=0. 00008, b=0. 114, c=-47. 39。
3. 根据权利要求2所述的一种AUV的浮力调节方法，其特征在于，所述η的取值范围为 5-10。
4. 根据权利要求2所述的一种AUV的浮力调节方法，其特征在于，所述对垂直槽道电机 转速进行采样大于2组。
5. 根据权利要求1所述的一种AUV浮力的调节方法，其特征在于，所述根据AUV的实际 情况确定AUV本次浮力调节需要减小的正浮力，包括以下情况： 如果r_avg > r_maX，则将本次的浮力调节量设置为AUV单次浮力调节能力的最大量； 如果AUV悬停时在目标深度范围内，则深度可以稳定控制；若此时垂直槽道电机的采 样转速均值r_avg满足适合航行时正浮*F_tar对应的转速范土 δ，则认为正浮力 已经达到了期望的适合航行时正浮力F_tar，结束浮力调节； 如果AUV悬停时在目标深度范围内，则深度可以稳定控制；若此时垂直槽道电机的采 样转速均值r_avg未能满足适合航行时正浮力F_tar对应的转速范土 δ，则将正浮 力状态的估算值与适合航行时正浮力的差作为输入量； 如果AUV悬停时不在目标深度范围内，则目前深度无法稳定控制；若此时垂直槽道电 机的采样转速均值:r_avg满足适合航行时正浮*F_tar对应的转速范土 δ，则认为 此时距离适合航行的正浮力比较接近，按照可调节的最小量进行微调； 如果AUV悬停时不在目标深度范围内，则目前深度无法稳定控制；若此时垂直槽道电 机的采样转速均值:r_avg未能满足适合航行时正浮力F_tar对应的转速范土 δ，则 将正浮力状态的估算值与适合航行时正浮力的差值F_eva-F_tar作为输入量。
6. 根据权利要求1所述的一种AUV的浮力调节方法，其特征在于，所述AUV上的浮力调 节装置需要排出水的体积通过下式计算：
其中V_in为排水体积，V_0为密封硬腔的容积，P_0、T_0分别为向硬腔充气时的充入 的大气压和当时环境温度，P、T分别为浮力调节时AUV测得当时的水深下的环境压力和温 度。
【专利摘要】为了使AUV在海洋环境下能自动调整自己的正浮力，本发明提供一种AUV浮力调节方法，使AUV可以在海洋环境中稳定航行并作业。本发明方法包括：对AUV的当前正浮力状态进行估算；根据AUV的实际情况确定AUV本次浮力调节需要减小的正浮力；为了减小所述正浮力，计算AUV上的浮力调节装置需要排出水的体积。本发明使AUV在线将正浮力调节至适合航行的状态，不必多次下潜测试正浮力，方法简单，应用范围广。
【IPC分类】B63C11-52, B63G8-22, B63G8-26, B63G8-24
【公开号】CN104670439
【申请号】CN201310616425
【发明人】徐春晖, 武建国, 刘铁军, 王轶群
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2013年11月27日