水下滑翔机浮力调节系统研制

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推进器,最后动作为分配舵角和推进器转速指令。2表 所示为根据专家决策规则库建立的应急决策初始动作表。 4 S141/级故障将执行应急决策初始动作S142;3 S13;2 S121/级故障将执行 级故障将执行S122;1 S11;0 S10。级故障将执行 级故障将执行在执行过程中,一旦出现更高优先级的故障,应急决策初始动作也将相应地改变;当高优先级故障消失时,将维持执行原应急决策初始动作。3应急自救系统有 种故障应急手段,分别为应急操舵上浮、艏部应急气囊充气和释放应急缆。执行应急手段的的原则为:首先执行应急操舵上浮,若无效则执行气囊充气手段,若还无效则AUV在 沉底前释放应急缆。

5.2 离散操舵规则

AUV正常工况下,可以在 定深和定向航行过程中考察控制系统的稳定性、准确性和快速性;而在应急工况下,AUV快速上浮时间和上浮过程中的最大纵倾角是考察应急系统的重要指标。目前,在航行器应急操纵研究方面,Altosole等[12]设计了一种适用于船舶快速启动、停止工况的推进器控制策略,可用于缩减加速和减速过程。Putra Bug等[13 ]采用 算法规划了航行器的水下应急路径,可以有效减少路径规划时间。本文提出了一种简单易行的离散操舵控制方法,可保证尽可能短的应急上浮时间,同时令上浮过程中的最大纵倾角小于设定阈值,从而保护AUV内部设备免受损坏。离散操舵控制方法的具体思路为: AUV首先,利用 水动力学模型进行定值操舵推进上浮仿真,得到操舵和推进指令与上浮过程3 3中最大纵倾角的对应关系,如表 所示。表 中: Vi(i=0,1,2,…,n)为推进器转速;V 为推进threshold器转速阈值;CVi 为推进器转速系数;θi 为围壳舵角; θ 为围壳舵角阈值; Cθi 为围壳舵角系threshold 数;βi 为艉舵角;β 为艉舵角阈值;Cβi 为艉threshold舵角系数;Pi 为最大纵倾角;P 为最大纵倾threshold为最大纵倾角系数。同时,AUV角阈值;CPi 初始10m。深度设为水下 然后,在应急操舵上浮时将预期纵倾角设为最大允许阈值。若当前纵倾角与预期纵倾角不匹配,则应急单元根据离散操舵规则表选取下一条操舵推进指令,直到纵倾角匹配,继而逐渐减小操AUV舵推进指令,循环往复。例如,若 当前的操舵推进指令为(V0 ,θ0 ,β0 ),纵倾角为 P0( P0 < P ),则操舵过程中的操舵推进指令为threshold )->(100× ,5× ,5× )-> (V0 ,θ0 ,β0 CV1 Cθ1 Cβ1 (200× ,10× ,10× )->…(Vthreshold,θthreshold, CV2 Cθ2 Cβ2 βthreshold)->(500 × 25× 25× )->…-> CV5 , Cθ5 , Cβ5 (400× ,20× ,20× CV4 Cθ4 Cβ4)由此可见,离散操舵控制的优点在于:在保证AUV应急上浮时最大纵倾角安全的前提下,可以相对减少定值操舵推进上浮所需的时间;同时简化了应急操舵形式,不需要采用复杂的纵倾控制算法。

6 仿真试验

为满足实时性要求,应采用实时操作系统运行应急控制软件。目前,VxWorks因其良好的实AUV时性已被广泛应用于 的嵌入式控制中,例如张玮康等[14]研制的腹部作业型水下机器人主控软VxWorks件就是运行于 系统中。CPCI VxWorks本试验将基于 总线运行 实时AUV操作系统,所搭建的 控制系统半实物仿真联7调平台如图 所示。AUV 10 m。正常工况下, 定深航行的深度为3在某一时刻引入 级故障,应急单元整定故障后将主动切换至应急工况,并根据专家应急决策执AUV行应急操舵上浮动作,使 快速浮出水面,仿8真响应的输出结果如图 所示。

8 A由图 可知,应急单元在时刻 开始应急操舵,AUV B AUV在时刻 浮出水面(设定 模型的出1.1 m),上浮过程中的最大纵倾角小于水深度为15°,上 35s安全阈值 浮时间为 (半实物仿真机采100 ms),从艏向速度曲线可知,AUV样周期为 在上浮过程中有效执行了离散操舵控制策略。在应急操舵上浮过程中,AUV内部信息流为应急单元告知水下主控单元停止调度,应急单元依次调度导航单元、操舵控制单元、动力与电力系统控制单元、水下数据存储单元,应急单元定时反馈水声报文。在应急工况下,应急单元从导航单元获取自航模位姿、速度等信息,发送操舵指令至基础控制单元,发送推进器转速指令至动力与电力系统控制单元,存储自航模应急工况数据至水下数据存 储单元,并定时通过水声信道反馈自航模位姿、故障等重要信息至水面。在该工况下,应急单元将AUV取代水下主控单元作为 的核心调度控制器,而水下主控单元则暂时停止调度工作,其他子控制器将当前工况识别为应急工况并依旧执行各自的任务(包括接收并执行调度核心的指令),从而共同实现操舵上浮动作。

7结语

AUV本文基于一台高速 研制了应急自救系统,重点介绍了应急机制,包括应急系统多信道采集信息机制、故障优先级自整定机制、正常工况与应急工况的切换机制、基于专家应急决策模型进行的应急决策机制以及应急动作执行机制,其中应急操舵上浮采用离散操舵控制方法实现。基于VxWorks实时操作系统编写应急自救系统软件,进行了系统半实物仿真联调试验,验证了应急自救机制与策略的可靠性、实时性及准确性,可用于指导水下航行器的航行安全与自救回收作业。下一阶段将开展实物水下试验,进一步验证该应急系统的可靠性与适用性。

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Fig.7 图7 AUV控制系统半实物联调仿真Hardware in the loop simulation of AUV control system

Fig.8 图8 应急操舵上浮响应曲线Emergency steering and propelling response output

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