本發(fā)明屬于水下無(wú)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(cè)的水下無(wú)人航行器主動(dòng)保護(hù)方法。

背景技術(shù)：

水下無(wú)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(duì)密封艙的密封性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)密封艙漏水時(shí)，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(shí)，由于設(shè)計(jì)、安裝等方面的缺陷，導(dǎo)致密封艙漏水的情況時(shí)有發(fā)生，UUV如果不能及時(shí)上浮，導(dǎo)致漏水下沉，會(huì)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(guò)傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，但是氣體體積的檢測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)裝置”，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01210461350.9的中國(guó)專利提到了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的漏水檢測(cè)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(bào)；

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

技術(shù)實(shí)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(cè)的水下無(wú)人航行器主動(dòng)保護(hù)方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

在密封艙密封工作完成后，實(shí)時(shí)采集溫度傳感器和壓強(qiáng)傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)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(bào)警信號(hào)，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?hào)和壓強(qiáng)信號(hào)，對(duì)溫度傳感器進(jìn)行自適應(yīng)動(dòng)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?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償；

2)若需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償，運(yùn)用溫度傳感器動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)妮敵鼋Y(jié)果,溫度傳感器動(dòng)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(shí)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(diǎn)i，然后根據(jù)i點(diǎn)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(shí)時(shí)搜索動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)束點(diǎn),中止溫度傳感器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,完成溫度傳感器的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

數(shù)據(jù)融合模塊根據(jù)所述經(jīng)過(guò)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(shí)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(jì)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(tái)、壓載、永磁鐵、安裝架，其中壓載位于安裝平臺(tái)內(nèi)，吸附于永磁鐵下方，永磁鐵由安裝架固定于安裝平臺(tái)上。

當(dāng)所述的拋載裝置上電啟動(dòng)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(jiǎn)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；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(cè)裝置受潮，發(fā)生虛報(bào)的情況；對(duì)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(lái)的損失；附有拋載裝置，在密封性出現(xiàn)異常時(shí)，能夠主動(dòng)拋出壓載，迅速上浮，應(yīng)對(duì)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(shuō)明

圖1是密封艙密封性能檢測(cè)裝置及主動(dòng)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(jì)的拋載裝置剖視圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明原理設(shè)計(jì)的拋載裝置俯視圖。

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

具體實(shí)施方法

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于密封艙密封性檢測(cè)的UUV主動(dòng)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(shí)時(shí)檢測(cè)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(jì)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(bào)警信號(hào)，使拋載裝置上電啟動(dòng)，拋出壓載，UUV自動(dòng)上浮。本發(fā)明能以簡(jiǎn)單快捷的方式檢測(cè)出密封艙的密封性，在密封性出現(xiàn)異常時(shí)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(cè)的水下無(wú)人航行器主動(dòng)保護(hù)方法，具體包括密封艙密封性檢測(cè)和主動(dòng)保護(hù)。

密封性檢測(cè)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?hào)(T)和壓強(qiáng)信號(hào)(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?jiǎng)討B(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(dòng)態(tài)補(bǔ)償噪聲會(huì)影響溫度傳感器的測(cè)量精度，于是將運(yùn)用溫度傳感器自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方法。

溫度傳感器自適應(yīng)動(dòng)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?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償；

2)若需要?jiǎng)討B(tài)補(bǔ)償，運(yùn)用溫度傳感器動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)妮敵鼋Y(jié)果,溫度傳感器動(dòng)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(shí)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(diǎn)i,然后根據(jù)i點(diǎn)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(shí)時(shí)搜索動(dòng)態(tài)補(bǔ)償結(jié)束點(diǎn),中止溫度 傳感器的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,完成溫度傳感器的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

經(jīng)過(guò)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(shí)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(jì)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(bào)警信號(hào)，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(tái)、壓載、永磁鐵、安裝架。其中壓載位于安裝平臺(tái)內(nèi)，吸附于永磁鐵下方，永磁鐵由安裝架固定于安裝平臺(tái)上。當(dāng)拋載裝置上電啟動(dòng)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(shuō)明書附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明中基于密封艙密封性檢測(cè)的UUV主動(dòng)保護(hù)方法根據(jù)圖4流程圖做以下詳細(xì)說(shuō)明。

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

密封性檢測(cè)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(hào)(T)，以及讀取溫度傳感器的兩個(gè)校正系數(shù)：參考溫度(T_ref)以及溫度的溫度系數(shù)(T_sen)對(duì)溫度值進(jìn)行校正。

為計(jì)算方便引入中間變量dT(實(shí)際溫度與參考溫度之差)：

dT＝T-T_ref

經(jīng)過(guò)微型控制器校正后得到的實(shí)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(hào)(P)，校正后實(shí)際的溫度(TEM)以及讀取的壓強(qiáng)傳感器的四個(gè)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(duì)壓強(qiáng)值進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

實(shí)際溫度下的壓強(qiáng)偏置：

OFF＝P_off+TCO*dT (4)

實(shí)際溫度下的壓強(qiáng)靈敏度：

SENS＝P_sen+TCS*dT (5)

在該溫度下的實(shí)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(shí)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(jì)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(bào)警信號(hào)，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(tái)、壓載、永磁鐵、永磁鐵支架。如圖2所示，安裝平臺(tái)固定在UUV底部；壓載位于安裝平臺(tái)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(tái)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(guò)安裝架上的輸線管孔穿出，通過(guò)微控制器啟動(dòng)。

在密封艙密封性能良好時(shí)，控制器將實(shí)時(shí)狀態(tài)發(fā)送到計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)，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(shí)，控制器輸出報(bào)警信號(hào)，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。