[发明专利]一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法

说明书

本发明涉及一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法,由于全海深ARV下潜至马里亚纳海沟后，工作环境海水压力增大、温度降低对载体结构和补充电器绝缘油体积变化产生影响。海水密度增大以及重量加速度变化，会改变机器人浮力状态。通过公式推导并结合“海斗号”深潜数据和补偿油实验室数据，获得全海深ARV浮力配平计算方法。其主要包括海水密度测算、马里亚纳海沟重力加速度测算、机器人结构和补偿油排水体积变化测算。以此为浮力配平依据，“海斗号”完成多次马里亚纳海沟深潜，保障机器人工作环境中浮力与重力的匹配。此配平方法为全海深大深度水下机器人浮力配平提供了理论计算依据。

技术领域

本发明涉及浮力匹配和水下机器人控制，更具体地说是一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法。

背景技术

海洋中深度大于6500米的海域被称为“深渊”，深渊区域大深度、超高压极限工作环境对于水下机器人是十分严峻的挑战，因此人类对深渊的认知还在初级阶段。目前海洋深渊探索是水下机器人的一个重要发展方向。深渊水下机器人领域仅美国的Nereus HROV、日本的Kaiko ROV]和中国的“海斗号”在马里亚纳海沟完成过万米无人深潜。

ARV是自主遥控水下机器人(Autonomous and Remotely Operated Vehicle)的简称，其特点为集合AUV和ROV部分技术为一体的水下机器人。ARV的ROV工作模式与传统ROV相比，作业范围增大、母船甲板系统简化、对母船支持要求降低但作业能能力也相应减弱[8]。ARV的AUV工作模式，其特点为巡航作业时可进行实时监控，一旦发现兴趣点，即可切换为ROV模式进行机械手作业。

本文研究对象为全海深ARV即“海斗号”，其最大工作深度为11000米，主要目标工作区域为深渊海沟，拥有小范围巡航探测能力。水下机器人浮力状态会影响其航行效率、定点作业能力，目前国内“蛟龙号”“深海勇士号”、日本的“SHINKAI6500”、美国的“ALVIN”，其浮力调节原理都是通过液压系统调节压舱水，这种浮力调节系统较为复杂，不适用于小型无人水下机器人。6000米以浅UUV浮力调节通常通过撒铅粒改变重力，或者利用电机、高压气体推动活塞改变排水体积，因此这几种方式不适合11000米的ARV水下机器人。传统AUV根据计算水下机器人压缩量以及不同深度下浮力的增加，可以预估出工作深度所需的浮力配平，再通过海上试验的方式进行校核。

“海斗号”ARV与传统AUV浮力配平存在三点特殊性。首先深度达到11000米；其次，ARV内部电子控制单元多为充油补偿舱体，计算载体结构体积压缩以及浮力增加时与传统AUV不同；最后，ARV有一根可以与水面甲板单元实时通信的微细光纤，可经过一次下潜，依据推进器参数反推出ARV浮力配置，从而矫正浮力配平计算。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，针对全海深ARV下潜至马里亚纳海沟后，工作环境海水压力增大、温度降低对载体结构和补充电器绝缘油体积变化产生影响，海水密度增大以及重量加速度变化，会改变机器人浮力状态。提出一种通过公式推导并结合“海斗号”深潜数据和补偿油实验室数据，获得全海深ARV浮力配平计算方法。其主要包括海水密度测算、马里亚纳海沟重力加速度测算、机器人结构和补偿油排水体积变化测算。以此为浮力配平依据，“海斗号”完成多次马里亚纳海沟深潜，保障机器人工作环境中浮力与重力的匹配。此配平方法为全海深大深度水下机器人浮力配平提供了理论计算依据。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种大深度水下机器人浮力匹配计算方法，包括以下步骤：

步骤1：确定海洋水下机器人自身参数，以及其工作区域和深度；

步骤2：受力分析建立工作深度下水下机器人垂直方向重力浮力平衡方程；

τ_d＝G_d+F_d+f_d