隨著海洋資源開發(fā)向深遠(yuǎn)海的不斷推進(jìn)，長航程、多功能、智能化中大型無人水下航行器(UUV)成為水下救援機(jī)器人的一個(gè)非常重要的發(fā)展分支。中大型長航程UUV在執(zhí)行長距離的作業(yè)任務(wù)時(shí)，海水密度的變化和任務(wù)載荷的變化是不可避免的，進(jìn)而打破了UUV的初始浮力平衡狀態(tài)，改變了UUV的航行深度、浮心及重心位置。為了維持UUV的穩(wěn)定，通常采用3種方法來抵消密度及載荷改變所帶來變化: (1)利用水平舵所產(chǎn)生的舵效；(2)加裝垂向推進(jìn)裝置；(3)加裝可調(diào)壓載裝置。其中，方法(1)與方法(2)均需要長時(shí)間消耗航行器能源以維持航速及垂向推力,對于以電池為主要?jiǎng)恿碓吹腢UV，這種長時(shí)間的能量消耗會(huì)明顯縮短UUV的航程及任務(wù)壽命，其代價(jià)較高。方法(3)則只在密度和載荷發(fā)生變化時(shí),消耗一定的能量即可改變壓載裝置的重量或體積。與前兩種方法相比，方法(3)消耗能量較少，適合于以電池為主要?jiǎng)恿Φ腢UV使用,因而在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。
　根據(jù)調(diào)節(jié)手段的不同，可調(diào)壓載裝置分為油囊式和海水泵式兩種。油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)以液壓油為工作介質(zhì)，通過向耐壓橡皮油囊抽取或泵入液壓油的方式改變UUV的排水量，達(dá)到浮力調(diào)節(jié)的目的。這種調(diào)節(jié)方式浮力調(diào)節(jié)精度高，但浮力調(diào)節(jié)范圍通常處于50L(50 kgf)之內(nèi)，并且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于中小型作業(yè)型UUV。海水泵式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)以海水作為工作介質(zhì)，通過向耐壓艙內(nèi)泵入或抽出海水的方式改變UUV的重量，達(dá)到浮力調(diào)節(jié)的目的。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的浮力調(diào)節(jié)范圍較大，可達(dá)數(shù)百升（數(shù)百千克力），同時(shí)安全可靠，不存在漏油風(fēng)險(xiǎn)，屬于介質(zhì)友好型系統(tǒng)，但系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度較低，同時(shí)對柱塞泵及海水管路的耐腐蝕性提出了較高的要求，適合于中大型長航程UUV。目前國內(nèi)的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的研制起步于2000年左右，多集中于油囊式的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。2006年，中船重工第710研究所的谷軍等人研制了用于海洋監(jiān)測平臺的油氣囊組合式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)[1]，2007年,中科院沈陽自動(dòng)化研究所的鄭榮等人研制了用于小型AUV上的油囊浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，除了可調(diào)節(jié)AUV的浮力外，還對AUV的縱傾與橫傾進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。2008年,華中科技大學(xué)的楊鋼等人研制了一種可工作于1 800 m的油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng),其最大浮力調(diào)節(jié)能力為5 kgf[3]。2010年哈爾濱工程大學(xué)為自研的某水下機(jī)器人研制了一套油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng),可提供21 kgf的調(diào)節(jié)能力[4]。上述公開文獻(xiàn)中所描述的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)僅對用于中小型UUV的油囊式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，而對于中大型UUV的海水泵式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)目前還未見國內(nèi)報(bào)道。
    本文的目的是對應(yīng)用于中大型UUV的海水泵式浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的構(gòu)成和控制方法進(jìn)行研究，得到了一種比較合理的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)的原理樣機(jī)成功應(yīng)用于某大型長航程UUV，并通過海試驗(yàn)證。
1 浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。UUV的艏部及艉部分別布置一套浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),包括175 L水箱(內(nèi)含精密液位計(jì))、閥門、柱塞泵、海水管路及執(zhí)行控制器。主控制器的位置可根據(jù)結(jié)構(gòu)需要靈活調(diào)整。以艏部浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為例，柱塞泵為單向結(jié)構(gòu)，海水的流動(dòng)方向?yàn)槟鏁r(shí)針。當(dāng)執(zhí)行控制器打開閥門A、D和電機(jī)M時(shí)，艏部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)處于排水狀態(tài)，并在艏部產(chǎn)生正浮力；當(dāng)執(zhí)行控制器打開閥門B、C和電機(jī)M時(shí)，艏部調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)處于進(jìn)水狀態(tài)，在艏部產(chǎn)生負(fù)浮力。為了降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)延遲時(shí)間,設(shè)計(jì)閥門為電磁閥門,耐壓≥6 MPa，響應(yīng)時(shí)間≤400 ms。電機(jī)采用了直流無刷電機(jī)，最大功率為800 W，配合單向柱塞泵，單套調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的最大調(diào)節(jié)速率為25 kgf/min。

    浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有三種主要功能：自主下潛控制、自適應(yīng)密度補(bǔ)償及航行器姿態(tài)調(diào)整。自主下潛控制功能可使在水面靜止的UUV自主下潛至某一固定深度，并自主維持在此深度，直至UUV的舵機(jī)及推進(jìn)系統(tǒng)開始動(dòng)作。自適應(yīng)密度補(bǔ)償功能啟動(dòng)后，主控制器根據(jù)UUV上搭載的溫鹽深傳感器及國際海洋狀態(tài)方程計(jì)算當(dāng)前的海水密度，當(dāng)海水密度變化大于某一閾值時(shí)(原理樣機(jī)的閾值設(shè)置為10~3 g/cm3)，主控制器計(jì)算出艏艉水箱的進(jìn)/排水質(zhì)量并發(fā)送相應(yīng)的執(zhí)行指令給艏艉執(zhí)行控制器單元，由艏艉執(zhí)行控制器控制相應(yīng)的閥門及電機(jī)動(dòng)作，完成自適應(yīng)密度補(bǔ)償。航行器姿態(tài)調(diào)整功能允許UUV的中央控制單元直接分別控制艏艉水艙的進(jìn)/排水動(dòng)作，以配合舵機(jī)完成UUV的姿態(tài)調(diào)整。
　除了上述三種功能外，浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)還具備三種安全保護(hù)功能：水艙空執(zhí)行保護(hù)、水艙滿執(zhí)行保護(hù)及控制艙漏水執(zhí)行保護(hù)。前兩種保護(hù)功能主要依賴于艏艉水艙內(nèi)置的精密液位計(jì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水艙即將全滿或全空時(shí)自動(dòng)停止調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的進(jìn)/排水動(dòng)作，并向主控制器反饋相應(yīng)告警信息。漏水執(zhí)行保護(hù)則依賴于艏艉儀表艙內(nèi)的漏水傳感器，當(dāng)檢測到漏水時(shí)，執(zhí)行控制器自動(dòng)向主控制器反饋漏水告警信息，并根據(jù)UUV中央控制單元的命令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作(例如可執(zhí)行排水動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)緊急上浮)。
2 浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)
    考慮到大型UUV艏艉相距較遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且強(qiáng)電與弱電混合布置等特點(diǎn)，浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制器部分采用了2層控制結(jié)構(gòu)：主控制器和執(zhí)行控制器，兩者間采用抗干擾能力較強(qiáng)的CAN總線[5-6]作為信息交互的通道。同時(shí)艏艉執(zhí)行控制器與電磁閥門、直流無刷電機(jī)之間的接口采用了光耦隔離措施，降低了大功率設(shè)備對控制器的干擾。圖2所示為控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

2.1主控制器
    主控制器以MSP430F5438A為核心CPU，內(nèi)含兩路CAN總線，分別對應(yīng)于UUV的中央控制單元和浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的艏艉執(zhí)行控制器，同時(shí)預(yù)留了一個(gè)與UUV中央控制單元的RS485接口。其功能包括接收及解讀UUV中央控制單元發(fā)送的命令、執(zhí)行自主下潛控制算法、執(zhí)行自適應(yīng)密度補(bǔ)償算法、接收及解讀艏艉執(zhí)行控制器的反饋信息、發(fā)送自適應(yīng)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)信息等。
    主控制器使用的CPU為MSP430F5XX系列單片機(jī)沒有內(nèi)置CAN控制及收發(fā)模塊,因此使用Microchip公司的MCP2515作為CAN控制器，該控制器完全支持CAN V2.0B 技術(shù)規(guī)范,能發(fā)送接收標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀。自帶2個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器和6個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器，減少了主單片機(jī)（MCU）的開銷。與CPU的連接采用了SPI接口。CAN收發(fā)器則使用了隔離型收發(fā)器ISO1050，該器件為電流隔離式 CAN 收發(fā)器, 采用了二氧化硅隔離勢壘技術(shù)，降低了傳輸時(shí)延并減少了外圍器件數(shù)量，可滿足或超過 ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格要求。當(dāng)與隔離式電源一起使用時(shí),可防止數(shù)據(jù)總線或其他電路上的噪聲電流進(jìn)入局部地干擾或損壞電路。
     在主控制器端執(zhí)行的算法包括了密度值計(jì)算和自主下潛控制算法。密度值的計(jì)算主要依據(jù)國際海洋狀態(tài)方程，溫度、鹽度及深度信息由UUV的中央控制單元給出。自主下潛控制算法以UUV中央控制單元每5 s給出的深度值作為反饋信息，采用滑模控制的方法計(jì)算當(dāng)前艏艉水艙的進(jìn)排水量:

2.2執(zhí)行控制器
    執(zhí)行控制器同樣采用了MSP430F5438A為核心的CPU，包含了1路CAN總線接口(與主控制器的CAN總線連接)、5路光耦輸出(分別連接閥門A、B、C、D及直流無刷電機(jī))、1路光耦輸入(連接漏水報(bào)警電路)及1路4~20 mA電流接收環(huán)路接口(連接水艙液位傳感器)。其功能包括：接收及執(zhí)行主控制器發(fā)送的執(zhí)行命令、反饋執(zhí)行控制器的狀態(tài)、液位傳感器信號處理及采集、動(dòng)作執(zhí)行保護(hù)、漏水報(bào)警檢測等。
    在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水艙內(nèi)的液位傳感器的誤差直接影響了調(diào)節(jié)誤差。為了盡可能地降低調(diào)節(jié)誤差，液位傳感器采用了磁傳感器，且精度達(dá)到0.05%。在UUV強(qiáng)弱混合的強(qiáng)干擾情況下，液位傳感器的輸出被強(qiáng)干擾噪聲污染,因此在執(zhí)行控制器端執(zhí)行了平均處理及液位升/降斜率限制2種算法，降低液位值抖動(dòng)和野值帶來的影響。
3 原理樣機(jī)聯(lián)調(diào)結(jié)果
    根據(jù)前述的設(shè)計(jì)方案制作的調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理樣機(jī)如圖3、圖4所示。圖5為現(xiàn)場調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制器。

    2012年3月,在某水庫對該浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了UUV搭載實(shí)驗(yàn),完成了自主下潛和姿態(tài)調(diào)整功能的湖上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。自主下潛功能設(shè)定目標(biāo)深度分別為10 m、20 m、30 m，誤差均控制在2 m以內(nèi)。由水面下潛至30 m處所需時(shí)間約為800 s。2012年8月，浮力自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在某海域進(jìn)行了自主下潛和姿態(tài)調(diào)整功能的海上驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。由于受到海面風(fēng)浪的影響，當(dāng)自主下潛功能設(shè)定目標(biāo)深度為10 m、20 m、30 m時(shí)，誤差控制在4 m以內(nèi)，由水面下潛至30 m處并穩(wěn)定在此深度所需時(shí)間約為900 s。
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