[发明专利]三油囊调节的水下机器人及其定深控制方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及的是一种水下机器人，本发明还涉及一种水下机器人的控制方法。

(二)背景技术

水下机器人的深度控制系统的输出推进装置一般为两种：一种为普通的螺旋桨，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桨；另一种为布置水平舵(或叫水平翼)，通过运动时水平舵产生升力，进而改变水下机器人纵倾角，耦合轴向运动，产生上升和下潜运动。

但上述两种做法存在以下缺点：

1、在水下高速航行时，槽道螺旋桨存在较大的推力减额问题，甚至会出现深度失控；槽道桨定深航行消耗能量较多，减少了水下机器人的航程；在遇到较大垂向海流的时候，仅凭垂向槽道桨，可提供的抵抗能力较弱。

2、水平舵调节纵倾只有在大航速下，才有较高的舵效；单纯采用水平舵无法实现垂直潜伏运动，只能进行运动潜伏；通过航行中水平舵调节纵倾，虽然消耗能量较少，但水平舵提供升力的同时，也有较大的阻力，需要主推螺旋桨消耗更多的能量来完成定速运动。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效地适应水下机器人强非线性动力学特性和复杂的运动关系，能够实现精确的定深航行运动控制的三油囊调节的水下机器人。本发明的目的还在于提供这种三油囊调节的水下机器人的定深控制方法。

本发明的目的是这样实现的：它包括艇体，在艇体艉部设置有轴向主推力器，在艇体的艏、舯、艉部分别设置有由油囊、储油罐和连接在油囊与储油罐之间的输油管道与油路控制机构组成的油囊浮力调节装置，获取深度、纵向速度、姿态角度信息的传感器安装在各自相应的部位。

所述的油路控制机构包括设置于输油管道上的齿轮泵、单向阀、电磁换向阀、电磁截止阀、调速阀。齿轮泵上连接有直流电机。电磁换向阀、电磁截止阀、调速阀和直流电机均由主控计算机控制。

本发明的三油囊调节的水下机器人的定深控制方法为：

通过相应传感器获取深度、纵向速度、姿态角度信息输入主控计算机，主控计算机根据这些信息发出指令决定静态下潜或运动下潜；

若指令为静态下潜，艏油囊浮力调节装置、舯油囊浮力调节装置、艉油囊浮力调节装置同时从其油囊中抽油，减少油囊排水体积，使水下机器人从总体上浮力<重力，实现下沉；

若指令为运动下潜，轴向主推力器开动，加速进入定速运动状态，艏油囊浮力调节装置的储油罐从艏油囊中吸油，减少艏油囊排水体积；从艉油囊浮力调节装置的储油罐向艉油囊内排油，增大艉油囊排水体积；水下机器人从零纵倾变为艏重状态，埋艏，轴向运动耦合埋艏运动，实现有纵倾下潜；

静态上浮或运动上浮时，吸排油动作与之相反。

本发明采用油囊调节静浮力能很好地的解决普通的螺旋桨和布置水平舵的深度控制系统的水下机器人的不足，它在艏、舯、艉各配置一个体积可变油囊，即可实现水下机器人的静态潜伏和纵倾调节。这样不管水下机器人在运动中还是在静止中，都能有效地实现深度方向的定深控制。采用三油囊调节静浮力的总布置结构，国内外还没有在水下机器人中有应用的先例。是一种较好的定深控制新方法。

本发明实际应用于水下机器人控制系统设计，对于长距离航行的水下机器人在节省能量上具有特别意义。

(四)附图说明

图1是本发明的三油囊调节的水下机器人的结构示意图；

图2是本发明的三油囊调节的水下机器人实现静态上浮示意图

图3是本发明的三油囊调节的水下机器人实现静态下潜示意图；

图4是本发明的三油囊调节的水下机器人实现抬艏运动上浮示意图；

图5是本发明的三油囊调节的水下机器人实现埋艏运动下潜示意图；

图6是油囊浮力调节装置的原理图；

图7是本发明的三油囊调节的水下机器人的定深航行试验的数据曲线。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：