浮力均衡装置辅助的uuv主动坐底方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种UUV控制领域，具体涉及一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法。
【背景技术】
[0002]水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)被广泛的应用到海洋资源开发和环境勘探中，可以在特定的海域作业和执行任务，在商业、科学、军事等领域都起着不可替代的作用，例如油气管道检修、海底地形测绘、潜伏攻击等，其应用前景极其广泛。在某些特殊的任务中，要求UUV在某一指定区域潜伏，并保持长时间静默状态，因此UUV必须具备主动坐底并保持静默的功能。但水下作业环境特殊，面临着以下困难:
[0003](I)、UUV下潜后依靠水声通信与水面监控中心相互传输信号，而水声信号的传输距离有限且信号易受干扰，要求UUV能够自主航行至任务区域并完成坐底任务；
[0004](2)、海洋环境复杂，测高声纳在采集信号时易受噪声和UUV姿态变化干扰，将导致测高声纳测量的数据波动，另外测高声纳存在测量盲区；
[0005](3)、UUV配置了一定的正浮力以提高近水面航行的适航性，也有利于布放回收，但待其下潜、坐底后必须克服该正浮力才能维持坐底状态；
[0006](4)、为提高UUV的续航能力及隐蔽性，要求坐底后关闭辅助推进器等设备。
[0007]当前UUV主动坐底技术，对其深度与纵倾控制主要有两种方法:其一，利用辅助推进器进行潜伏的方法，即在潜伏过程中依靠艏、艉垂直辅助推进器进行深度与纵倾控制。该方法可较快地完成坐底任务，但保持坐底状态的过程中不能关闭艏、艉垂直辅助推进器，因此能源消耗大且不能达到静默状态;另外UUV在靠近海底时，由于近壁面效应，艏、艉垂直辅助推进器的吸水量减少，造成推进效率降低。其二，利用浮力均衡装置调节UUV浮力进行潜伏的方法。面向UUV执行长时间静默坐底的任务需求，为实现位置控制精度高、下潜速度快、静默时间久、能源消耗少、可重复坐底等技术指标，急需设计一种新的UUV坐底方法。
【发明内容】
[0008]本发明是为了在UUV坐底时，克服测高声纳盲区和推进器近壁面效应，及保持静默状态，从而提供一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法。
[0009]浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，它是基于浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底系统实现的，该系统包括测高声纳1、深度计2、任务控制计算机3、位置控制通道4、组合导航系统5、深度控制通道6和运动控制计算机7;
[0010]测高声纳I的高度数据输出端与任务控制计算机3的高度数据输入端连接；
[0011]深度计2的深度数据输出端与任务控制计算机3的深度数据输入端连接；
[0012]任务控制计算机3的位置任务信号输出端与位置控制通道4的位置任务信号输入端连接;所述位置控制通道4的位置控制信号输出端与运动控制计算机7的位置控制信号输入端连接；
[0013]任务控制计算机3的深度控制信号输出端与深度控制通道6的深度控制信号输入端连接;所述深度控制通道6的深度控制信号输出端与运动控制计算机7的深度控制信号输入端连接；
[0014]任务控制计算机3与组合导航系统5进行数据交互;组合导航系统5与运动控制计算机7进行数据交互；
[0015]运动控制计算机7的浮力均衡控制信号输出端与浮力均衡装置8的浮力均衡控制信号输入端连接；
[0016]运动控制计算机7的辅助推进控制信号输出端与辅助推进器8的辅助推进控制信号输入端连接;所述辅助推进器8用于控制艏/艉水平辅助推进器10或艏/艉垂直辅助推进器11工作；
[0017]浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，它由以下步骤实现:
[0018]步骤一、UUV的任务控制计算机根据读取到的当前任务，通过执行机构自主航行到将要执行任务的指定水面，并利用主推进器和辅助推进器进行悬停定位；
[0019]步骤二、UUV的运动控制计算机根据接收到的指令，控制艏/艉垂直辅助推进器在该指定水面定位下潜;所述指定水面即:UUV将要坐底的正上方；
[0020]步骤三、UUV根据深度计输出的指令Hup做定深下潜，当UUV下潜到距离海底预设的高度时，按照辅助推进器和浮力均衡装置切换条件，再次利用辅助推进器进行悬停定位，并开始执行步骤四；
[0021 ]步骤四、开启浮力均衡装置，减小UUV的浮力，根据先验知识库判断UUV所减小的浮力大小，直至UUV所受重力Gq大于浮力Fq，执行步骤五;在减小浮力期间各辅助推进器依然进行悬停定位；
[0022]步骤五、关闭UUV艏/艉水平辅助推进器和艏/艉垂直推进器停止定位，此时UUV依靠重力与浮力差降落到水底，并保持静默状态。
[0023]步骤四中根据先验知识库判断UUV所减小的浮力大小的具体方法是:
[0024]UUV的浮力均衡装置可调节的浮力ΔΒ范围为[0，a]牛，UUV所受重力Go已知，但是UUV所受的浮力受到海水的密度影响，海水的密度大时所受的浮力就大，海水的密度小时所受的浮力就小;这样UUV在不同的海域所受到的浮力也就不同，记为Fq=(Bo±A B)牛，其中Bo的值是先前实验积累的数据，根据不同海域计算不同的Bo值，这样通过调节△ B的值使Go>
Foo
[0025]步骤三中所述辅助推进器和浮力均衡装置切换条件为:Hup= H-(Ho+3)米;其中:Hup为UUV当前距离水面的深度，其值由深度计测量;H表示水面距离海底的高度，其值是UUV在指定水域的水面利用测高声纳测得;Ho表示测高声纳的测量盲区，S卩:测高声纳在(O-Ho)米的范围内所测高度无效。
[0026]本发明所涉及的一种浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，用于航行器在执行主动坐底任务时，提前建立航行器的任务模块，利用测量单元以及先验知识库，选择适当的时机切换辅助推进器和浮力均衡装置，完成主动坐底并保持静默状态的调节方法。该方法增加了 UUV的智能性，通过切换辅助推进器和浮力均衡装置，有效的克服了测高声纳测量高度具有盲区所导致测高无效的缺陷，同时也避免了推进器近壁面效应，在保持主动坐底精度的同时满足了静默坐底的隐蔽工况，并且降低了能耗，增加了续航能力，在不增加其他的设备的情况下，充分利用了现有的资源，操作方便快捷，可靠性强，坐底精度高。该方法可使UUV在执行任务时实现多次重复主动坐底，提升了UUV的自主能力。
【附图说明】
[0027]图1是本发明方法的控制系统结构示意图；
[0028]图2是本发明方法的流程示意图；
[0029]图3是本发明方法的各主要部分的硬件在UUV上的安装方案俯视结构示意图；
[0030]图4是本发明方法的UUV结构侧试图；
[0031 ]图5是本发明方法的浮力均衡装置的原理示意图；
[0032]图6是本发明方法的实施演示示意图。
【具体实施方式】
[0033]【具体实施方式】一、浮力均衡装置辅助的UUV主动坐底方法，如图1所示，本发明方法的控制系统结构框图，包括以下几个部分:测高声纳1、深度计2、任务控制计算机(Miss1nControl Computer，MICC)3、位置控制通道4、组合导航系统(INS&DVL&GPS)5、深度控制通道
6、运动控制计算机(Mot1n Control Computer，M0CC)7、浮力均衡装置8、辅助推进器9、艏/艉水平辅助推进器(10)和艏/艉垂直辅助推进器(11);
[0034]其中，测高声纳I输出高度到任务控制计算机3，同时，深度计2输出深度到任务控制计算机3;任务控制计算机3分别与位置控制通道4、组合导航系统5、深度控制通道6相互连接;位置控制通道4、深度控制通道6分别与运动控制计算机7相互连接;组合导航系统5与运动控制计算机7相互连接;运动控制计算机7输出控制信号到浮力均衡装置8和辅助推进器9;辅助推进器9又分为两部分；即:艏/艉水平辅助推进器10和艏/艉垂直辅助推进器11。
[0035]所述的测高声纳I是测量UUV距离海底高度的仪器，由于海底情况复杂，存在很多的噪声干扰，加之测高声纳本身存在的技术瓶颈，故其测量的有效高度为大于Ho米，这就是测高声纳存在的盲区(O--Ho)。但我们可以利用其在有效范围内测量出水面距离海底的高度H米ο为了提高其测量精度，这里选择四台测高声纳，综合分析后给出高度H米。
[0036]所述的深度计2可以准确的测量出航行器的下潜深度，任务控制计算机会根据其测得的数据，即下潜的深度Hup，对UUV进行定深控制下潜。
[0037]所述的任务控制计算机(MICC)3是本方法控制的核心，其包含水面提前设定好的程序，包括几个判断输出指令:其一，航行器是否到达指定海域的上方，若是输出悬停定位的指令;其二，判断是否下潜，若是输出开始下潜指令;其三，依据是否满足Hup = H-(Ho+3)判断是否再次悬停定位，若是同时输出悬停定位指令和开启浮力均衡装置指令;其四，判断UUV所受重力Go是否大于浮力Fo，若是输出关闭所有辅助推进器指令。
[0038]所述的位置控制通道4为实时位置控制。其利用组合导航系统对当前位