基于CTD的浮力補(bǔ)償系統(tǒng)研究

盧海洋，查 智

（中國(guó)船舶重工第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，在廣闊無垠的海洋空間，蘊(yùn)藏著豐富的海洋生物資源、海洋礦物資源，是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要財(cái)富。水下機(jī)器人在海洋資源勘探和開發(fā)中的應(yīng)用越來越廣泛，也發(fā)揮著重要的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。對(duì)于大型或重型UUV運(yùn)載平臺(tái)，其在無人干預(yù)遠(yuǎn)程自主航行過程中，由于所處外部環(huán)境海水溫度、鹽度、深度的變化會(huì)引起海水密度的變化，導(dǎo)致UUV的浮力發(fā)生變化，對(duì)UUV的航行控制產(chǎn)生不利的影響，需要進(jìn)行浮力補(bǔ)償。如果不對(duì)這種浮力變化作出補(bǔ)償則會(huì)使UUV可能沉入海底或浮于水面，影響作業(yè)任務(wù)的完成[1]。

1 水下航行器浮力補(bǔ)償發(fā)展現(xiàn)狀

圖1 油介質(zhì)型原理圖

通常，物體在水中實(shí)現(xiàn)沉浮動(dòng)作通常有三種途徑：1）改變物體的體積而不改變質(zhì)量；2）改變物體的質(zhì)量而不改變體積；3）增加或減少所施加的外力，第一種和第二種方案的典型工作原理分別如圖1、圖2所示。第一種方案主要通過向皮囊中注/排油的方式來改變其體積大小，從而實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)；第二種方案是通過向水艙中注/排水的方式來改變航行體質(zhì)量來實(shí)現(xiàn)浮力調(diào)節(jié)；第三種方案是通過航行體自身的動(dòng)力裝置來施加一個(gè)外力，從而實(shí)現(xiàn)浮力平衡作用[2-3]。

圖2 水介質(zhì)型原理圖

綜上所述，第一種方案，需要在UUV內(nèi)部存貯相當(dāng)數(shù)量的液壓油，由于UUV內(nèi)部空間有限，采用此種方法將占用大量的空間，不利于UUV的整體設(shè)計(jì)。第三種方案，需要UUV自身攜帶的動(dòng)力裝置來實(shí)現(xiàn)浮力的平衡，將消耗過多的能量，而UUV在水下航行時(shí)，所攜帶的能量是有限的。根據(jù)本文的研究背景，故采用第二種方案實(shí)現(xiàn)UUV的浮力調(diào)節(jié)功能[4-5]。

2 浮力補(bǔ)償系統(tǒng)在UUV中的應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)的研究意義

隨著水下機(jī)器人技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，其在民用領(lǐng)域和軍用領(lǐng)域都將有越來越多的應(yīng)用。近年來，以UUV為代表的各種無人作戰(zhàn)平臺(tái)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中扮演著重要的角色，成為兵力的倍增器，這一趨勢(shì)大大促進(jìn)了人們對(duì)UUV技術(shù)的研究和應(yīng)用。根據(jù)美國(guó)海軍發(fā)布的無人潛航器(UUV)總體規(guī)劃，待發(fā)展的UUV根據(jù)尺寸和重量分為便攜式航行器、輕型航行器、重型航行器、大型航行器四類，本文研究的浮力補(bǔ)償系統(tǒng)，主要針對(duì)重型或大型航行器，解決其在遠(yuǎn)程航行過程中的浮力補(bǔ)償問題[6]。

下面以中國(guó)南海11月份海水密度分布圖為例，分析UUV航行過程中浮力變化情況[7]。

圖3 11月份南海表層密度分布圖（多年平均）

圖4 11月份南海100 m層密度分布圖（多年平均）

11月份南海表層海水密度變化范圍基本在1.020～1.022 g/cm3之間，局部地區(qū)大于1.022 g/cm3但是小于1.0225 g/cm3，如圖3所示（圖中標(biāo)示的是現(xiàn)場(chǎng)條件密度）。11月份南海100 m層海水密度變化范圍基本在1.022～1.024 g/cm3之間，局部地區(qū)大于1.024 g/cm3但是小于1.0245 g/cm3，如圖4所示（圖4中標(biāo)示的是現(xiàn)場(chǎng)條件密度）。則在此海域內(nèi)，0～100 m深度范圍內(nèi)，海水密度最大變化量約為0.0045 g/cm3。

如果不考慮碼頭附近由于淡水的注入密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于外海，按UUV排水量從小到大，依次計(jì)算其浮力變化值如表1所示。

表1 浮力變化值

由表1可知，若UUV排水量為10 t，海水密度變化為0.002 g/cm3時(shí)，UUV需要調(diào)節(jié)的浮力值為196 N。在南海航行時(shí)，UUV需要調(diào)節(jié)的浮力值為441 N，不管其為正浮力或負(fù)浮力，都將給UUV航行和安全帶來災(zāi)難性的影響，所以必須對(duì)UUV的浮力變化采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

2.2 系統(tǒng)組成

浮力補(bǔ)償水艙、調(diào)節(jié)裝置和控制器在UUV中的位置如圖5所示，在UUV的艏、艉段分別布置一個(gè)水艙，保證進(jìn)行浮力補(bǔ)償時(shí)力矩平衡的作用。調(diào)節(jié)裝置和控制器布置在水艙旁的空艙內(nèi)，浮力補(bǔ)償控制器采用主從方式，主控制器從UUV中央控制器接收指令，然后再分別向兩個(gè)從控制器發(fā)送控制指令，從而實(shí)現(xiàn)UUV的浮力補(bǔ)償[8]。

圖5 水艙位置圖

UUV浮力補(bǔ)償原理框圖如圖6所示，UUV在航行過程中，需要進(jìn)行浮力補(bǔ)償時(shí)，浮力補(bǔ)償控制器根據(jù)當(dāng)前海水密度和初始海水密度進(jìn)行比較，計(jì)算其浮力變化值，然后對(duì)AUV前后水艙進(jìn)行浮力分配，通過浮力調(diào)節(jié)裝置注/排水的方式實(shí)現(xiàn)UUV的浮力補(bǔ)償。

圖6 浮力補(bǔ)償原理框圖

浮力補(bǔ)償系統(tǒng)主要由浮力補(bǔ)償控制器、液位傳感器、浮力調(diào)節(jié)裝置和CTD傳感器等幾部分組成。浮力補(bǔ)償控制器根據(jù)CTD傳感器提供的海水溫度、鹽度、深度信息，通過海水狀態(tài)方程公式進(jìn)行計(jì)算，得出當(dāng)前UUV所處環(huán)境的海水密度。浮力補(bǔ)償控制器運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴?，通過浮力調(diào)節(jié)裝置向UUV艙內(nèi)注/排水的方式來改變UUV自身的質(zhì)量，從而達(dá)到浮力補(bǔ)償?shù)哪康?，系統(tǒng)原理框圖如圖7所示[9]。

3 基于CTD的浮力補(bǔ)償原理

3.1 浮力補(bǔ)償原理

圖7 浮力補(bǔ)償系統(tǒng)原理框圖

由阿基米德原理可知，當(dāng)一個(gè)物體全部浸在水中且處于平衡狀態(tài)時(shí)，流體作用在此物體上力的大小等于被此物體排開的水的重力，方向與重力相反，由于本文是研究UUV在水下航行的過程，所以其受到的浮力為[10]：

對(duì)于UUV在水下航行過程中，由于UUV所處外部環(huán)境海水密度變化所導(dǎo)致的浮力變化計(jì)算公式推導(dǎo)如下：

將式（2）與式（3）相除，得：

所以，UUV航行過程中由于海水密度變化導(dǎo)致浮力變化計(jì)算公式為：

式（5）中：ΔF表示浮力變化值；

Δρ表示海水密度的變化值；

ρ0表示淡水的密度；

m0表示UUV質(zhì)量。

3.2 海水密度計(jì)算

海水密度是研究海洋學(xué)的一個(gè)重要參數(shù)，海水密度不僅與海水的溫度、壓力和鹽度有關(guān)，而且還和純水的密度有關(guān)。本文根據(jù)80國(guó)際海水狀態(tài)方程(IESS-80)計(jì)算UUV所處環(huán)境海水密度，具體流程如圖8所示[11]。

浮力補(bǔ)償算法軟件流程圖如圖9所示。具體執(zhí)行過程如下：浮力補(bǔ)償算法根據(jù)CTD采集到的數(shù)據(jù)計(jì)算海水密度，并根據(jù)當(dāng)前密度值與初始值之間的變化量Δρ與e1進(jìn)行比較。當(dāng)Δρ≥e1時(shí)，需要進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)，并計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)母×χ担?qū)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)裝置工作，以實(shí)現(xiàn)浮力自適應(yīng)之功能，浮力調(diào)節(jié)完成后將初始密度值置為當(dāng)前密度值，即 ρ0=ρ1。當(dāng)Δρ＜e1時(shí)，不需要進(jìn)行浮力調(diào)節(jié)。

圖8 海水密度計(jì)算軟件流程

圖9 浮力補(bǔ)償算法軟件流程

3.3 仿真結(jié)果分析

本文對(duì)浮力補(bǔ)償算法進(jìn)行半實(shí)物仿真分析，CTD采集的海水溫度、鹽度、深度數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)模擬輸入，計(jì)算出當(dāng)前海水密度ρ1，與初始海水密度 ρ0進(jìn)行比較，當(dāng) Δρ=|ρ1-ρ0|≥e1時(shí)，進(jìn)行浮力補(bǔ)償， Δρ=|ρ1-ρ0|＜e1時(shí)，不進(jìn)行浮力補(bǔ)償。根據(jù)實(shí)際使用情況，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。

根據(jù)UUV進(jìn)行浮力補(bǔ)償時(shí)的實(shí)際應(yīng)用情況，下面分別從Δρ＜e1、Δρ≥e1兩種情況進(jìn)行仿真分析。因?yàn)樵赨UV航行過程中，海水鹽度、溫度變化，對(duì)海水密度影響較大，所以在本文仿真試驗(yàn)中主要改變海水鹽度和溫度。UUV在航行過程中，假設(shè)溫度、鹽度、深度變化情況如表2所示，UUV航行深度用壓強(qiáng)表示。

表2 海水密度計(jì)算值

從表2可知，當(dāng)溫度變化Δt=4℃或鹽度變化ΔS=1時(shí)，對(duì)應(yīng)表中序號(hào)分別為1和2、1和3，則海水密度變化分別為 Δρ=0.84 kg/m3＜e1、Δρ=0.77 kg/m3＜e1，水艙中水的體積仿真變化曲線如圖10、圖11所示。

當(dāng)溫度變化Δt=5℃或鹽度變化ΔS=2時(shí)，對(duì)應(yīng)表中序號(hào)分別為1和4、1和5，則海水密度變化分別為Δρ=1.059 kg/m3＞e1、Δρ=1.542 kg/m3＞e1。為了便于對(duì)比分析，仿真時(shí)將海水密度先由 ρ0增大 ρ1，再由 ρ1減小為 ρ0，看注入水量和排出水量是否相同，水艙中水的體積仿真變化曲線如圖12、圖13所示。

從圖10～圖13可知，當(dāng)海水密度變化Δρ＜e1=1 kg/m3時(shí)，浮力自適應(yīng)控制系統(tǒng)沒有進(jìn)行浮力補(bǔ)償工作；當(dāng)海水密度變化Δρ≥e1=1 kg/m3時(shí)，海水密度先由 ρ0增大到 ρ1，再由 ρ1減小為 ρ0，浮力自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行浮力補(bǔ)償工作，并完成相應(yīng)注排水工作，注入和排出水量相同，實(shí)現(xiàn)浮力補(bǔ)償功能。

圖10 溫度變化Δt=4℃

圖11 鹽度變化ΔS=1

圖12 溫度變化Δt=5℃

圖13 鹽度變化ΔS=2

4 結(jié)論

本文針對(duì)重型、大型UUV在遠(yuǎn)程航行過程的浮力補(bǔ)償問題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于CTD的浮力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，有效地解決了UUV在航行過程中浮力補(bǔ)償問題，為今后重型、大型UUV運(yùn)載體的應(yīng)用奠定了關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。

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