基于CTD的浮力补偿系统研究

2013-08-18卢海洋

机电工程技术 2013年1期

卢海洋，查智

（中国船舶重工第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

21世纪是海洋的世纪，在广阔无垠的海洋空间，蕴藏着丰富的海洋生物资源、海洋矿物资源，是人类社会可持续发展的重要财富。水下机器人在海洋资源勘探和开发中的应用越来越广泛，也发挥着重要的作用，具有广泛的应用前景。对于大型或重型UUV运载平台，其在无人干预远程自主航行过程中，由于所处外部环境海水温度、盐度、深度的变化会引起海水密度的变化，导致UUV的浮力发生变化，对UUV的航行控制产生不利的影响，需要进行浮力补偿。如果不对这种浮力变化作出补偿则会使UUV可能沉入海底或浮于水面，影响作业任务的完成[1]。

1 水下航行器浮力补偿发展现状

图1 油介质型原理图

通常，物体在水中实现沉浮动作通常有三种途径：1）改变物体的体积而不改变质量；2）改变物体的质量而不改变体积；3）增加或减少所施加的外力，第一种和第二种方案的典型工作原理分别如图1、图2所示。第一种方案主要通过向皮囊中注/排油的方式来改变其体积大小，从而实现浮力调节；第二种方案是通过向水舱中注/排水的方式来改变航行体质量来实现浮力调节；第三种方案是通过航行体自身的动力装置来施加一个外力，从而实现浮力平衡作用[2-3]。

图2 水介质型原理图

综上所述，第一种方案，需要在UUV内部存贮相当数量的液压油，由于UUV内部空间有限，采用此种方法将占用大量的空间，不利于UUV的整体设计。第三种方案，需要UUV自身携带的动力装置来实现浮力的平衡，将消耗过多的能量，而UUV在水下航行时，所携带的能量是有限的。根据本文的研究背景，故采用第二种方案实现UUV的浮力调节功能[4-5]。

2 浮力补偿系统在UUV中的应用

2.1 系统的研究意义

随着水下机器人技术不断发展和成熟，其在民用领域和军用领域都将有越来越多的应用。近年来，以UUV为代表的各种无人作战平台在现代战争中扮演着重要的角色，成为兵力的倍增器，这一趋势大大促进了人们对UUV技术的研究和应用。根据美国海军发布的无人潜航器(UUV)总体规划，待发展的UUV根据尺寸和重量分为便携式航行器、轻型航行器、重型航行器、大型航行器四类，本文研究的浮力补偿系统，主要针对重型或大型航行器，解决其在远程航行过程中的浮力补偿问题[6]。

下面以中国南海11月份海水密度分布图为例，分析UUV航行过程中浮力变化情况[7]。

图3 11月份南海表层密度分布图（多年平均）

图4 11月份南海100 m层密度分布图（多年平均）

11月份南海表层海水密度变化范围基本在1.020～1.022 g/cm3之间，局部地区大于1.022 g/cm3但是小于1.0225 g/cm3，如图3所示（图中标示的是现场条件密度）。11月份南海100 m层海水密度变化范围基本在1.022～1.024 g/cm3之间，局部地区大于1.024 g/cm3但是小于1.0245 g/cm3，如图4所示（图4中标示的是现场条件密度）。则在此海域内，0～100 m深度范围内，海水密度最大变化量约为0.0045 g/cm3。

如果不考虑码头附近由于淡水的注入密度远远小于外海，按UUV排水量从小到大，依次计算其浮力变化值如表1所示。

表1 浮力变化值

由表1可知，若UUV排水量为10 t，海水密度变化为0.002 g/cm3时，UUV需要调节的浮力值为196 N。在南海航行时，UUV需要调节的浮力值为441 N，不管其为正浮力或负浮力，都将给UUV航行和安全带来灾难性的影响，所以必须对UUV的浮力变化采取相应的补偿措施。

2.2 系统组成

浮力补偿水舱、调节装置和控制器在UUV中的位置如图5所示，在UUV的艏、艉段分别布置一个水舱，保证进行浮力补偿时力矩平衡的作用。调节装置和控制器布置在水舱旁的空舱内，浮力补偿控制器采用主从方式，主控制器从UUV中央控制器接收指令，然后再分别向两个从控制器发送控制指令，从而实现UUV的浮力补偿[8]。

图5 水舱位置图

UUV浮力补偿原理框图如图6所示，UUV在航行过程中，需要进行浮力补偿时，浮力补偿控制器根据当前海水密度和初始海水密度进行比较，计算其浮力变化值，然后对AUV前后水舱进行浮力分配，通过浮力调节装置注/排水的方式实现UUV的浮力补偿。

图6 浮力补偿原理框图

浮力补偿系统主要由浮力补偿控制器、液位传感器、浮力调节装置和CTD传感器等几部分组成。浮力补偿控制器根据CTD传感器提供的海水温度、盐度、深度信息，通过海水状态方程公式进行计算，得出当前UUV所处环境的海水密度。浮力补偿控制器运用适当的算法，通过浮力调节装置向UUV舱内注/排水的方式来改变UUV自身的质量，从而达到浮力补偿的目的，系统原理框图如图7所示[9]。

3 基于CTD的浮力补偿原理

3.1 浮力补偿原理

图7 浮力补偿系统原理框图

由阿基米德原理可知，当一个物体全部浸在水中且处于平衡状态时，流体作用在此物体上力的大小等于被此物体排开的水的重力，方向与重力相反，由于本文是研究UUV在水下航行的过程，所以其受到的浮力为[10]：

对于UUV在水下航行过程中，由于UUV所处外部环境海水密度变化所导致的浮力变化计算公式推导如下：

将式（2）与式（3）相除，得：

所以，UUV航行过程中由于海水密度变化导致浮力变化计算公式为：

式（5）中：ΔF表示浮力变化值；

Δρ表示海水密度的变化值；

ρ0表示淡水的密度；

m0表示UUV质量。

3.2 海水密度计算

海水密度是研究海洋学的一个重要参数，海水密度不仅与海水的温度、压力和盐度有关，而且还和纯水的密度有关。本文根据80国际海水状态方程(IESS-80)计算UUV所处环境海水密度，具体流程如图8所示[11]。

浮力补偿算法软件流程图如图9所示。具体执行过程如下：浮力补偿算法根据CTD采集到的数据计算海水密度，并根据当前密度值与初始值之间的变化量Δρ与e1进行比较。当Δρ≥e1时，需要进行浮力调节，并计算需要补偿的浮力值，驱动浮力调节装置工作，以实现浮力自适应之功能，浮力调节完成后将初始密度值置为当前密度值，即 ρ0=ρ1。当Δρ＜e1时，不需要进行浮力调节。

图8 海水密度计算软件流程

图9 浮力补偿算法软件流程

3.3 仿真结果分析

本文对浮力补偿算法进行半实物仿真分析，CTD采集的海水温度、盐度、深度数据用计算机模拟输入，计算出当前海水密度ρ1，与初始海水密度 ρ0进行比较，当 Δρ=|ρ1-ρ0|≥e1时，进行浮力补偿， Δρ=|ρ1-ρ0|＜e1时，不进行浮力补偿。根据实际使用情况，本文取e1=1 kg/m3，UUV排水量V排=15 t，海水泵的流量Q=20 L/min。

根据UUV进行浮力补偿时的实际应用情况，下面分别从Δρ＜e1、Δρ≥e1两种情况进行仿真分析。因为在UUV航行过程中，海水盐度、温度变化，对海水密度影响较大，所以在本文仿真试验中主要改变海水盐度和温度。UUV在航行过程中，假设温度、盐度、深度变化情况如表2所示，UUV航行深度用压强表示。

表2 海水密度计算值

从表2可知，当温度变化Δt=4℃或盐度变化ΔS=1时，对应表中序号分别为1和2、1和3，则海水密度变化分别为 Δρ=0.84 kg/m3＜e1、Δρ=0.77 kg/m3＜e1，水舱中水的体积仿真变化曲线如图10、图11所示。

当温度变化Δt=5℃或盐度变化ΔS=2时，对应表中序号分别为1和4、1和5，则海水密度变化分别为Δρ=1.059 kg/m3＞e1、Δρ=1.542 kg/m3＞e1。为了便于对比分析，仿真时将海水密度先由 ρ0增大 ρ1，再由 ρ1减小为 ρ0，看注入水量和排出水量是否相同，水舱中水的体积仿真变化曲线如图12、图13所示。

从图10～图13可知，当海水密度变化Δρ＜e1=1 kg/m3时，浮力自适应控制系统没有进行浮力补偿工作；当海水密度变化Δρ≥e1=1 kg/m3时，海水密度先由 ρ0增大到 ρ1，再由 ρ1减小为 ρ0，浮力自适应控制系统进行浮力补偿工作，并完成相应注排水工作，注入和排出水量相同，实现浮力补偿功能。