本發(fā)明屬于水下無人航行器安全保護(hù)領(lǐng)域，涉及一種基于密封艙密封性檢測的水下無人航行器主動保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

水下無人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)在海洋作業(yè)、民用搜救打撈、軍事任務(wù)等領(lǐng)域扮演了重要的角色。而UUV中的電子電路、儀表設(shè)備等不具備防水能力，需要安裝在密封艙內(nèi)，以保證設(shè)備的安全。為了保障水下航行器的正常工作，需要對密封艙的密封性能進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)密封艙漏水時，應(yīng)該使UUV盡快上浮，避免造成進(jìn)一步的損失。

UUV在深水航行時，由于設(shè)計、安裝等方面的缺陷，導(dǎo)致密封艙漏水的情況時有發(fā)生，UUV如果不能及時上浮，導(dǎo)致漏水下沉，會造成UUV沉入海底或丟失。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，密封艙內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)可以通過傳感器進(jìn)行實時的監(jiān)測，但是氣體體積的檢測仍是有待解決的難題。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，質(zhì)量為m，摩爾質(zhì)量為M的理想氣體，其狀態(tài)參量壓強(qiáng)p(單位Pa)、體積V(單位m³)和絕對溫度T(單位K)之間的函數(shù)關(guān)系為：

其中R是氣體常數(shù)，n為氣體的物質(zhì)的量(單位mol)。對UUV密封艙進(jìn)行真空處理后，艙內(nèi)氣體近似于理想氣體，適用理想氣體狀態(tài)方程。在近似真空的耐壓艙內(nèi)，氣體的總量n可以近似視為常量。

名稱為“一種水下耐壓艙漏水檢測裝置”，專利申請?zhí)枮?01210461350.9的中國專利提到了一種結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的漏水檢測裝置，但是其在溫度降低、艙內(nèi)氣體液化情況下，傳感器容易產(chǎn)生虛報；

名稱為“一種深海耐壓艙漏水的遠(yuǎn)程檢測裝置”，專利申請?zhí)枮?01010147912.3的中國專利提到了一種遠(yuǎn)程實時檢測深海耐壓艙漏水情況的裝置，但其檢測電路較為復(fù)雜，且需要耐壓艙與船上的檢測電路通過電纜連接，不適用于UUV，應(yīng)用范圍有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于密封艙密封性檢測的水下無人航行器主動保護(hù)方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

在密封艙密封工作完成后，實時采集溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過補(bǔ)償和校正 后得到氣體的溫度和壓強(qiáng)，由理想氣體狀態(tài)方程得到理想氣體體積的變化量ΔV，如果ΔV大于給定的閾值V_set，則發(fā)出報警信號，拋載裝置上電。

微控制器與所述的溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器之間采用串行通信方式，其中溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器輸出的數(shù)據(jù)是未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟刃盘柡蛪簭?qiáng)信號，對溫度傳感器進(jìn)行自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償具體包括：

1)根據(jù)溫度傳感器的輸出和數(shù)字低通濾波的輸出判斷溫度變化速度,決策是否需要動態(tài)補(bǔ)償；

2)若需要動態(tài)補(bǔ)償，運(yùn)用溫度傳感器動態(tài)補(bǔ)償數(shù)字濾波器：

其中，x(n)為溫度傳感器的輸出量,y_c(n)為動態(tài)補(bǔ)償?shù)妮敵鼋Y(jié)果,y(n)為數(shù)字溫度傳感器自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償?shù)妮敵鼋Y(jié)果,溫度傳感器動態(tài)補(bǔ)償后的頻帶拓寬了k倍,τ為數(shù)字溫度傳感器時間常數(shù),τ_sam為采樣間隔，c＝1/τ，b＝kc；

3)根據(jù)數(shù)字低通濾波器輸出y_L(n)的二階差分信息確定拐點i，然后根據(jù)i點之后溫度傳感器的輸出量、數(shù)字低通濾波器的輸出結(jié)果以及決策閥值實時搜索動態(tài)補(bǔ)償結(jié)束點,中止溫度傳感器的動態(tài)補(bǔ)償,完成溫度傳感器的自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償。

數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)所述經(jīng)過補(bǔ)償和校正后得到氣體的溫度和壓強(qiáng)，由理想氣體狀態(tài)方程得到密封艙初始理想氣體體積V_ori，每間隔時間T_d，微控制器重新采集溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)，并計算出密封艙內(nèi)理想氣體體積V_n，理想氣體體積的變化量ΔV＝V_ori-V_n。

所述的拋載裝置安裝于密封艙外，位于UUV底部，具體包括：安裝平臺、壓載、永磁鐵、安裝架，其中壓載位于安裝平臺內(nèi)，吸附于永磁鐵下方，永磁鐵由安裝架固定于安裝平臺上。

當(dāng)所述的拋載裝置上電啟動后，電磁鐵上電抵消永磁鐵的磁性，壓載在重力的作用下脫離UUV，為UUV提供足夠的浮力使其上浮自救。

本發(fā)明的有益效果在于：

該方法發(fā)明涉及的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，應(yīng)用廣，不僅可以用于UUV，還適用于其他水下密封裝置，能夠?qū)ε擉w密封性進(jìn)行實時監(jiān)測；具有很高的可靠性，避免了目前常用的以濕敏電阻為傳感器的檢測裝置受潮，發(fā)生虛報的情況；對溫度傳感器進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，避免了因溫度傳感器的溫度滯后性帶來的損失；附有拋載裝置，在密封性出現(xiàn)異常時，能夠主動拋出壓載，迅速上浮，應(yīng)對速度快，最大程度上保護(hù)了密封艙內(nèi)的設(shè)備，保證了UUV的安全。

附圖說明

圖1是密封艙密封性能檢測裝置及主動保護(hù)裝置在UUV內(nèi)示意圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明原理設(shè)計的拋載裝置剖視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明原理設(shè)計的拋載裝置俯視圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明原理設(shè)計的密封艙密封性能檢測流程圖。

具體實施方法

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明公開了一種基于密封艙密封性檢測的UUV主動保護(hù)方法?？刂破髟诿芊馀撁芊鉅顟B(tài)下利用溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器分別實時檢測密封艙內(nèi)氣體壓強(qiáng)PA和氣體溫度TEM，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算出理想氣體體積的變化量ΔV，如果ΔV大于給定的閾值V_set，則發(fā)出報警信號，使拋載裝置上電啟動，拋出壓載，UUV自動上浮。本發(fā)明能以簡單快捷的方式檢測出密封艙的密封性，在密封性出現(xiàn)異常時拋載自救，可有效提高UUV的安全性，避免UUV沉海丟失。

一種基于密封艙密封性能檢測的水下無人航行器主動保護(hù)方法，具體包括密封艙密封性檢測和主動保護(hù)。

密封性檢測裝置安裝于UUV密封艙內(nèi)，包括電源、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)融合模塊，控制器。數(shù)據(jù)融合模塊與溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器之間采用串行通信方式，其中溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器輸出的數(shù)據(jù)是未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟刃盘?T)和壓強(qiáng)信號(P)。在控制初期,系統(tǒng)控制量大,溫度改變迅速,溫度傳感器需要動態(tài)補(bǔ)償才能達(dá)到要求；而在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下,控制量減少,溫度改變緩慢,動態(tài)補(bǔ)償噪聲會影響溫度傳感器的測量精度，于是將運(yùn)用溫度傳感器自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償方法。

溫度傳感器自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償方法如下：

1)根據(jù)溫度傳感器的輸出和數(shù)字低通濾波的輸出判斷溫度變化速度,決策是否需要動態(tài)補(bǔ)償；

2)若需要動態(tài)補(bǔ)償，運(yùn)用溫度傳感器動態(tài)補(bǔ)償數(shù)字濾波器，其算法為：

其中，x(n)為溫度傳感器的輸出量,y_c(n)為動態(tài)補(bǔ)償?shù)妮敵鼋Y(jié)果,y(n)為數(shù)字溫度傳感器自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償?shù)妮敵鼋Y(jié)果,溫度傳感器動態(tài)補(bǔ)償后的頻帶拓寬了k倍,τ為數(shù)字溫度傳感器時間常數(shù),τ_sam為采樣間隔，c＝1/τ，b＝kc；

3)根據(jù)數(shù)字低通濾波器輸出y_L(n)的二階差分信息確定拐點i,然后根據(jù)i點之后溫度傳感器的輸出量、數(shù)字低通濾波器的輸出結(jié)果以及決策閥值實時搜索動態(tài)補(bǔ)償結(jié)束點,中止溫度 傳感器的動態(tài)補(bǔ)償,完成溫度傳感器的自適應(yīng)動態(tài)補(bǔ)償。

經(jīng)過補(bǔ)償和校正后得到氣體的溫度(TEM)和壓強(qiáng)(PA)。數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)溫度(TEM)和壓強(qiáng)(PA)由理想氣體狀態(tài)方程得到密封艙初始理想氣體體積V_ori，每間隔時間T_d，微控制器重新采集溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)，并計算出密封艙內(nèi)理想氣體體積V_n，理想氣體體積的變化量ΔV＝V_ori-V_n。如果ΔV大于給定的閾值V_set，則發(fā)出報警信號，拋載裝置上電。

拋載裝置安裝于密封艙外，位于UUV底部，具體包括：安裝平臺、壓載、永磁鐵、安裝架。其中壓載位于安裝平臺內(nèi)，吸附于永磁鐵下方，永磁鐵由安裝架固定于安裝平臺上。當(dāng)拋載裝置上電啟動后，電磁鐵上電抵消永磁鐵的磁性，壓載在重力的作用下脫離UUV，為UUV提供足夠的浮力使其上浮自救。

參照說明書附圖和具體實例對本發(fā)明中基于密封艙密封性檢測的UUV主動保護(hù)方法根據(jù)圖4流程圖做以下詳細(xì)說明。

本發(fā)明中基于密封艙密封性能檢測的水下無人航行器主動保護(hù)方法，具體包括密封艙密封性檢測和主動保護(hù)。

密封性檢測裝置安裝于UUV密封艙內(nèi)，包括電源、溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器、數(shù)據(jù)融合模塊，控制器。數(shù)據(jù)融合模塊與溫度傳感器、壓強(qiáng)傳感器之間采用串行通信方式。

數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)從溫度傳感器獲得的溫度信號(T)，以及讀取溫度傳感器的兩個校正系數(shù)：參考溫度(T_ref)以及溫度的溫度系數(shù)(T_sen)對溫度值進(jìn)行校正。

為計算方便引入中間變量dT(實際溫度與參考溫度之差)：

dT＝T-T_ref

經(jīng)過微型控制器校正后得到的實際溫度：

TEM＝20°+dT*T_sen (3)

其次，微型控制器根據(jù)從壓強(qiáng)傳感器獲得的壓強(qiáng)信號(P)，校正后實際的溫度(TEM)以及讀取的壓強(qiáng)傳感器的四個校正系數(shù)：壓強(qiáng)靈敏度(P_sen)、壓強(qiáng)偏置(P_off)、壓強(qiáng)靈敏度的溫度系數(shù)(TCS)、壓強(qiáng)偏置的溫度系數(shù)(TCO)對壓強(qiáng)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

實際溫度下的壓強(qiáng)偏置：

OFF＝P_off+TCO*dT (4)

實際溫度下的壓強(qiáng)靈敏度：

SENS＝P_sen+TCS*dT (5)

在該溫度下的實際的壓強(qiáng)：

PA＝D2*P_sen-OFF (5)

數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)溫度(TEM)和壓強(qiáng)(PA)由理想氣體狀態(tài)方程得到密封艙初始理想氣體體積V_ori，每間隔時間T_d，微控制器重新采集溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)，并計算出密封艙內(nèi)理想氣體體積V_n，理想氣體體積的變化量ΔV＝V_ori-V_n。如果ΔV大于給定的閾值V_set，則發(fā)出報警信號，拋載裝置上電。

拋載裝置安裝于密封艙外，如圖1所示，位于UUV底部，具體包括：安裝平臺、壓載、永磁鐵、永磁鐵支架。如圖2所示，安裝平臺固定在UUV底部；壓載位于安裝平臺內(nèi)，吸附在永磁鐵的下方，且壓載下方的UUV底部鏤空；永磁鐵由安裝架固定于安裝平臺上方。如圖3所示，永磁鐵一共有三塊，每塊永磁鐵中都有通電線圈，連接通電線圈的導(dǎo)線通過安裝架上的輸線管孔穿出，通過微控制器啟動。

在密封艙密封性能良好時，控制器將實時狀態(tài)發(fā)送到計算機(jī)控制平臺，拋載裝置不上電，永磁鐵擁有磁性，吸住壓載；當(dāng)密封性能異常時，控制器輸出報警信號，拋載裝置上電，通電線圈通電，永磁鐵消磁失去磁性，壓載從UUV底部脫落水中，為UUV提供足夠的浮力使其上浮自救。