复合浮力调节装置、自主式水下航行器及其控制方法与流程

1.本发明涉及水下航行器技术领域，具体而言，涉及一种复合浮力调节装置、自主式水下航行器及其控制方法。


背景技术：

2.针对自主式水下航行器（auv）已经成为极具价值的海洋观测工具，在海洋工程、海洋资源勘探、海洋科学研究以及水利水电、军事行动中得到了广泛的应用。但高功率的推进器带来的能源消耗是限制auv工作能力以及工作时间的一个重要因素，auv的续航时间通常只有几个小时到几天，严重限制了auv在海洋观测领域的应用。为了克服长程auv维持深度所带来的消耗，通过在auv上搭载浮力调节装置可以很好的降低能量的损耗。
3.按照改变的物理量不同，可以将浮力调节装置分为体积调控型、重量调控型。体积调控型是通过改变水下航行器排水体积来实现对浮力的调控，主要的调节方式有液压泵－油囊式和活塞式两种。
4.采用液压泵－油囊式的方法对水下航行器进行浮力调控的包括美国第1代“阿尔文”号hov、日本“urashima”号auv、以及高世阳等人研发的深海油囊式浮力调节系统等。这种形式主要的不足是在深水压力下油囊易发生变形，影响调节效果。从几何形状上来说，大型膨胀或收缩是不可行的，使用油囊等膨胀体积可能会显著增加阻力。
5.活塞式浮力调节的潜水器包括西班牙加泰罗尼亚大学研发的guanay ii auv、国产 argo剖面探测浮标copex等。活塞浮力调节装置变化量大、效率高，但其最大排水量与活塞可变行程相关，其浮力变化量小，适用于小型潜水航行器。
6.重量调控型是通过改变水下航行器自身重量以实现浮力调控的方法。如日本“深海6500”号hov、美国第2代“阿尔文”号水下航行器、以及中国的“蛟龙”号hov，“探索者”号auv等。重力式调节方式主要用于深度较大的环境，其机构复杂、所需安装空间大，并不适合在中小型auv上使用。
7.浮力调节会影响auv在水中的姿态，可通过调节前后浮力模块的浮力，实现对auv的俯仰角控制。李默竹等人采用了前后各布置一个浮力模块降低了初始配平的难度。殷宝吉等人研制一种双向变体积式浮力调节装置可在不改变重心的情况下实现精确的浮力调节。但采用两个浮力模块的布置方式，需要两个模块联合控制，导致控制困难、所需精度高以及成本高昂等缺点。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题：长程自主式水下航行器（auv）在使用推进器定深巡航、上浮下潜的过程中能耗高以及传统浮力布置形式带来重心改变控制复杂等技术问题。
9.为解决上述技术问题，本发明的实施例可以这样实现：第一方面，本发明提供一种复合浮力调节装置，复合浮力调节装置包括密封舱端盖、气密封舱、固定板、水密封舱、水舱压板、滤网、浮力调节机构和俯仰调节机构；
气密封舱和水密封舱分别连接在固定板的相对两侧，密封舱端盖连接在气密封舱远离固定板的一端，水舱压板连接在水密封舱远离固定板的一端，滤网安装在水舱压板上；浮力调节机构安装在气密封舱和水密封舱中，俯仰调节机构安装在气密封舱中。
10.在可选的实施方式中，复合浮力调节装置还包括连杆，多根连杆围绕气密封舱和水密封舱设置，每根连杆的中部连接在固定板上，每根连杆的两端分别连接到密封舱端盖和水舱压板上。
11.在可选的实施方式中，浮力调节机构包括活塞和第一驱动机构，活塞设置在水密封舱内、且与水密封舱的内壁密封滑动连接，第一驱动机构安装在气密封舱和水密封舱中，第一驱动机构连接到活塞、并用于驱动活塞沿水密封舱的长度方向滑动。
12.在可选的实施方式中，第一驱动机构包括第一丝杆、第一电机、传动机构、导杆、安装板和加强板，其中，第一丝杆沿水密封舱的长度方向设置，第一丝杆的一端连接到活塞上，第一丝杆贯穿固定板和安装板、且可相对固定板和安装板滑动，导杆位于气密封舱内、且垂直连接在固定板上，安装板垂直连接在导杆上，第一电机和传动机构均安装在安装板上，第一电机、传动机构和第一丝杆依次传动连接，使第一电机可控制活塞沿水密封舱的长度方向滑动。
13.在可选的实施方式中，俯仰调节机构包括配重块和第二驱动机构，配重块和第二驱动机构设置在气密封舱内，第二驱动机构连接到配重块、并用于驱动配重块沿气密封舱的长度方向滑动。
14.在可选的实施方式中，第二驱动机构包括螺母、第二丝杆和第二电机，其中，螺母安装在配重块上，第二丝杆沿气密封舱的长度方向设置，第二丝杆的一端贯穿配重块、且与螺母啮合，第二丝杆的另一端由第二电机驱动转动，第二电机安装在安装板上。
15.在可选的实施方式中，配重块上还设置有让位缺口，让位缺口的形状与加强板的形状一致，使加强板可以穿过让位缺口。
16.在可选的实施方式中，复合浮力调节装置还包括导向环、o形圈、星形圈和密封环，其中，两个导向环间隔套设在活塞的外周面上、且与水密封舱的内壁滑动连接，o形圈套设在活塞的外周面上、且位于两个导向环之间，密封环套设在o形圈上，星形圈套设在密封环上、且与水密封舱的内壁滑动连接。
17.第二方面，本发明提供一种自主式水下航行器，自主式水下航行器包括前述实施方式的复合浮力调节装置。
18.第三方面，本发明提供一种自主式水下航行器的控制方法，控制方法应用于前述实施方式的自主式水下航行器，控制方法包括：采用目标深度zd作为输入，利用跟踪微分器提取当前目标深度v1与当前目标速度v2，并于当前深度z与当前auv下潜速度z1做差得到深度误差e1、速度误差e2，将e1、e2作为线性状态误差反馈控制器的输入；将调整因子μ0为lesf的输出、并于与nleso输出的e2做差，并通过系统增益1/b0得到vbs的输入加速度因子μi，并通过转换得到浮力br，浮力br作用于auv动力学模型、并通过传感器得到当前深度z。
19.本发明实施例提供的复合浮力调节装置、自主式水下航行器及其控制方法的有益效果包括：
该装置在结构上独立成段，集成了浮力调节和重心调功能，可在满足浮力调节的同时，利用剩余空间实现对俯仰角的控制，具有精确的浮力调节能力，以及保持该机构在水中平衡的能力，相比传统装置可提高空间利用率、简化安装步骤。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
21.图1为本发明实施例提供的复合浮力调节装置与传动auv的布局形式示意图；图2为本发明实施例提供的复合浮力调节装置的外形结构示意图；图3为本发明实施例提供的复合浮力调节装置的内部结构示意图；图4为活塞与水密封舱的配合结构示意图；图5为本实施例提供的复合浮力调节装置在水下的受力示意图；图6为俯仰角与配重块移动距离关系曲线；图7为浮力理论值与浮力实际值的曲线；图8为自主式水下航行器的控制方法的流程示意图。
22.图标：1-舱体；2-浮力调节模块；3-俯仰调节模块；4-复合浮力调节装置；5-密封舱端盖；6-气密封舱；7-连杆；8-固定板；9-水密封舱；10-水舱压板；11-滤网；12-活塞；13-第一丝杆；14-第一电机；15-传动机构；16-导杆；17-安装板；18-加强板；19-配重块；20-让位缺口；21-螺母；22-第二丝杆；23-第二电机；24-挡圈；25-o形圈；26-星形圈；27-密封环；28-导向环。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
24.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相
对重要性。
28.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
29.为了提高长程auv的航向自适应能力和降低功耗，并辅助auv完成定深悬浮和航行姿态调整功能，搭载浮力调节模块具有重要意义。传统的auv中，浮力调节模块2在舱体1内的两种布局形式如图1中方案a、方案b所示，方案a在前后各布置一个浮力调节模块2，在浮力调节过程中可以实现对auv的姿态调节。方案a因需要两个独立模块，造成安装结构的复杂性以及高昂的成本，同时为精准调节姿态需要两个模块协同作用，得具有较高调节精度以及良好的动态响应。
30.方案b将浮力调节模块2放置在重心上，以此减小浮力调节对auv姿态的影响。方案b在实际安装中会存在重心不在中间以及整体结构复杂的情况。
31.考虑以上两种布局形式的优缺点，请参阅图1中方案c，本实施例采用浮力调节模块2与俯仰调节模块3并列设置在舱体1内。
32.请参考图2，对作业深度小于100m的小型浅水型auv，考虑到实际工作环境和使用需求，利用变体积的工作机理，借鉴活塞运动方式，采用双o型圈进行密封以及图1中方案c的布局形式，本实施例提供了一种自主式水下航行器，自主式水下航行器包括复合浮力调节装置4。该装置在结构上为单一模块，集成了浮力调节系统与俯仰角控制系统，并提供统一的通信接口，便于集成在auv上。同时，通过理论计算验证该装置在auv上所能达到的性能。
33.复合浮力调节装置4包括密封舱端盖5、气密封舱6、连杆7、固定板8、水密封舱9、水舱压板10和滤网11。
34.气密封舱6和水密封舱9分别连接在固定板8的相对两侧，密封舱端盖5连接在气密封舱6远离固定板8的一端，水舱压板10连接在水密封舱9远离固定板8的一端，滤网11安装在水舱压板10上，因为水中泥浆的大小约为1mm，滤网11的孔径设计为小于1mm，可以是0.5mm。多根连杆7围绕舱体1设置，每根连杆7的中部连接在固定板8上，每根连杆7的两端分别连接到密封舱端盖5和水舱压板10上，从而加强装置的结构强度、并对气密封舱6和水密封舱9起到保护作用。
35.请参阅图3，复合浮力调节装置4还包括浮力调节机构和俯仰调节机构。浮力调节机构安装在气密封舱6和水密封舱9中，俯仰调节机构安装在气密封舱6中。
36.浮力调节机构包括活塞12和第一驱动机构，活塞12设置在水密封舱9内、且与水密封舱9的内壁密封滑动连接，第一驱动机构安装在气密封舱6和水密封舱9中，第一驱动机构连接到活塞12、并用于驱动活塞12沿水密封舱9的长度方向滑动。
37.第一驱动机构包括第一丝杆13、第一电机14、传动机构15、导杆16、安装板17和加强板18，其中，第一丝杆13沿水密封舱9的长度方向设置，第一丝杆13的一端连接到活塞12上，第一丝杆13贯穿固定板8和安装板17、且可相对固定板8和安装板17滑动，导杆16位于气密封舱6内、且垂直连接在固定板8上，安装板17垂直连接在导杆16上，第一电机14和传动机构15均安装在安装板17上，第一电机14、传动机构15和第一丝杆13依次传动连接，使第一电机14可以控制活塞12沿水密封舱9的长度方向滑动。
38.具体的，本实施例中，导杆16的数量为两根，第一丝杆13的数量为三根，三根第一丝杆13间隔均匀的连接在活塞12上，三根第一丝杆13远离活塞12的一端均连接在加强板18
上，以稳定三根第一丝杆13的相对位置。传动机构15包括一个主动齿轮和三个从动齿轮，主动齿轮连接在电机的输出轴上，三个从动齿轮与主动齿轮啮合、且分别套设在三根第一丝杆13上，每个从动齿轮与第一丝杆13均为齿啮合连接，因此，从动齿轮在由电机驱动的过程中，第一丝杆13和活塞12会同步进行伸缩运动。
39.浮力调节机构的工作原理：复合浮力调节装置4置于水中，水会穿过滤网11进入水密封舱9内，即滤网11与活塞12之间形成储水腔，通过第一电机14控制活塞12在水密封舱9中的位置，就可以控制储水腔的容积大小，从而实现对复合浮力调节装置4的浮力调节。
40.俯仰调节机构包括配重块19和第二驱动机构，配重块19和第二驱动机构设置在气密封舱6内，第二驱动机构连接到配重块19、并用于驱动配重块19沿气密封舱6的长度方向滑动。
41.第二驱动机构包括螺母21、第二丝杆22、第二电机23和挡圈24，其中，螺母21安装在配重块19上，第二丝杆22沿气密封舱6的长度方向设置，第二丝杆22的一端贯穿配重块19、且与螺母21啮合，第二丝杆22的另一端由第二电机23驱动转动，第二电机23安装在安装板17上。
42.两根导杆16同样贯穿配重块19，对配重块19的运动起到导向作用，导杆16的端部连接挡圈24，挡圈24的作用在于防止配重块19从导杆16上脱落。
43.值得注意的是，配重块19上还设置有让位缺口20，让位缺口20的形状与加强板18的形状一致，使加强板18可以穿过让位缺口20。在活塞12向固定板8移动的过程中，第一丝杆13的端部以及加强板18会向配重块19移动，在配重块19上开设让位缺口20，可以使第一丝杆13的移动距离不受配重块19约束，即浮力调节机构与俯仰调节机构二者各自运作不会相互干涉，增加第一丝杆13以及活塞12的行程，从而提高复合浮力调节装置4的浮力大小的调节范围，也增加配重块19的行程，从而提高复合浮力调节装置4的俯仰角度的调节范围，也能使装置整体体积较小。
44.复合浮力调节装置4的可靠性主要取决于其耐压性能和密封性能。关于密封性能，为了节约密封舱的制造成本，所有的静密封都采用径向密封。并为了保证密封舱内电子元件的安全，采用了双o型密封圈。活塞12用于往复运动，工作介质为水和空气，为达到更好的密封性能，采用星型组合daq密封。
45.具体的，请参阅图4，复合浮力调节装置4还包括导向环28、o形圈25、星形圈26和密封环27，其中，两个导向环28间隔套设在活塞12的外周面上、且与水密封舱9的内壁滑动连接，o形圈25套设在活塞12的外周面上、且位于两个导向环28之间，密封环27套设在o形圈25上，星形圈26套设在密封环27上、且与水密封舱9的内壁滑动连接。这种密封方式具有良好的静态和动态密封效果，并集低摩擦与高弹性于一体，具有双重安全性。
46.关于耐压性能，密封舱端盖5、气密封舱6、水密封舱9和水舱压板10选用6061-t4铝合金，使用ansys workbench进行舱体耐压性能的有限元仿真。当水深为100m时，其对该装置的压力为1mpa。对该装置施加1.3 mpa的载荷，装置发生的最大变形为0.313mm、最大应力为132.82mpa，端盖和密封舱都没有屈服，并很好地满足了设计要求。
47.为了验证本实施例所提出方案对俯仰角的控制以及对升沉速度的影响，因此，对浮力驱动量进行分析。
48.本实施例中，浮力调节机构可提供的浮力f：
（1）式中，为水密封舱9内部半径，为水密封舱9的长度，为不可用空间长度，为水的密度，为重力加速度，其中，，，，，。
49.由式（1）可知，浮力调节机构可提供共约68n的浮力，浮力调节机构的浮力包括上浮和下潜两部分，本实施例中的复合浮力调节装置4使用的环境为水下100m。
50.经过仿真实验验证，因此不考虑在水下100m外壳受压以及浮力材料外形变形而导致的浮力改变。在复合浮力调节装置4处于零浮力状态下时，浮力调节机构所能提供的最大下潜力为，最大上升力为：若复合浮力调节装置4以一定倾角上浮或下潜，参考滑翔机上浮或下潜速度计算公式计算，其受力如图5所示。
51.（2）（3）其中，μ为复合浮力调节装置4水平方向上的受力，w为复合浮力调节装置4竖直方向上的受力，b为浮力调节驱动力，为俯仰角，为阻力系数，为阻力面积。为了保证浮力调节机构具有足够的浮力调节能力，按照最小俯仰角计算浮力。其中，,,在ansys workbench中仿真得到；带入式（2）和式（3）中计算得到在该装置下，若复合浮力调节装置4以30
°
的倾角上浮或下潜，则依靠该浮力调节机构所能达到的最大上浮或下潜速度为、。
52.若复合浮力调节装置4以垂直运动的方式下潜或上浮，则由受力平衡得：（4）式中，为阻力系数，为垂直上浮速度，为垂直上浮时截面面积，其中，，,，带入计算得到；证明在该浮力调节机构的调节下，auv能以最大速度垂直上浮或下潜。
53.若auv在水中保持悬浮状态，auv的竖向力与浮力调节机构的纵倾力相互抵消。在水下悬停时，其受力状态如图5所示，由力矩平衡的原理：（5）
（6）式中，m为auv的重量，h为重心与浮心的距离，l为配重块19移动的距离，g为配重块19的重力。所讨论的auv其，,，，带入上式得。证明在该复合浮力调节装置4的调节下，auv悬浮时所能达到的最大俯仰角为。
54.为了分析不同配重块19使auv所能达到的俯仰角，计算了配重块19的重力为40n、50n、60n、70n时，得到了配重块19移动距离l与俯仰角的关系如图6所示，该计算为以后实验选择合理配重块19提供了理论依据。
55.为验证本实施例提供的复合浮力调节装置4上述浮力驱动量的准确性，本实施例搭建了复合浮力调节装置4的样机，样机的长、直径、重量为、最大排水量约为。实验环境为的水池，实验时水深为。
56.为验证样机的性能，分别做了以下三组实验，分别对装置密封性、浮力调控的精确性以及俯仰调节机构的水平控制能力进行了验证。
57.由于实验环境限制，通过将样机放置池底经过长达五小时的浸泡、并使活塞12进行多次往复运动。样机均未发现任何渗水，证明了该样机具有良好的动态密封性能。
58.为测试活塞12运动所改变浮力的精确性，将样机放置水中测试了活塞12运动所产生的浮力。在测试时，由于其本身具有正浮力，则加上了三个配重块19，配重块19在水中的重力为，由力的平衡原理得：（7）其中，为样机的重力，为测力计所测量拉力，为活塞12位移为0时的浮力，为相对于移动x后变化的浮力。
59.结果如图7所示，其最大误差仅为2.8n。考虑到一定的实验误差，证明了样机具有非常精准的浮力调控能力。由于实验场地的限制，仅测试了俯仰机构的配平功能，其可以很好的将整个装置维持在一个水平的状态。实验结果表明该机构具有良好的调节精度，并可以作为独立模块进行工作，因此该装置具有一定通用性和适用性。
60.请参阅图8，本实施例还提供上述自主式水下航行器的控制方法（以下简称：控制方法），控制方法包括：首先采用目标深度zd作为输入，利用跟踪微分器提取当前目标深度v1与当前目标速度v2，并于当前深度z与当前auv下潜速度z1做差得到深度误差e1、速度误差e2，将e1、e2作为线性状态误差反馈控制器（lesf）的输入。调整因子μ0为lesf的输出、并于与降解扩张状态观测器（nleso）输出的e2做差，并通过系统增益1/b0得到变浮力装置的vbs的输入加速度因子μi,并通过转换得到浮力br，浮力br作用于auv动力学模型、并通过传感器得到当前深度z。
61.当前深度z通过跟踪微分器进行滤波，直接作为线性状态误差反馈控制率（lesf）的输入，z1和z2通过以当前深度z作为输入、并通过降解扩张状态观测器获得，z1为auv的下潜速度和z2为auv的下潜加速度。
62.上述控制方法可以通过ladrc（线性自抗扰）控制器执行，为了提高ladrc控制器的性能，对上述所设计的lesf进行模糊处理，模糊处理可以实现深度反馈增益和速度反馈增益随时间变化做出调整。所设计的模糊处理中：其中，和为控制器的初始反馈增益，和为校正因子，用于调整模糊规则对控制器的影响，和为模糊推理部分调节k1和k2的自适应参数。
63.所提出的ladrc控制器具有较强的鲁棒性，具有稳态误差、超调量、稳定时间和响应时间等优点。此外，所提出的模糊处理可以进一步减小因目标距离增加而引起的超调量和稳态误差，比于线性自抗扰控制方法具有较好的信号跟踪精度以及扰动抑制能力，结果表明，所设计的深度控制器（ladrc控制器）能够满足水下机器人深度控制要求。
64.本发明实施例提供的复合浮力调节装置4、自主式水下航行器及其控制方法的有益效果包括：该装置在结构上独立成段，集成了浮力调节和重心调功能，可在满足浮力调节的同时，利用剩余空间实现对俯仰角的控制，并采用一种新的浮力模块布置方式，通过理论计算验证了该装置可以在auv上浮、悬浮、下潜过程中保持一定姿态。
65.搭建了样机，对主要部件进行强度校核，测试其在水下的密封性能和浮力调节精确度，结果表明：该机构具有精确的浮力调节能力，以及保持该机构在水中平衡的能力，相比传统布置方式可提高空间利用率、简化安装步骤。
66.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种复合浮力调节装置，其特征在于，所述复合浮力调节装置包括密封舱端盖（5）、气密封舱（6）、固定板（8）、水密封舱（9）、水舱压板（10）、滤网（11）、浮力调节机构和俯仰调节机构；所述气密封舱（6）和所述水密封舱（9）分别连接在所述固定板（8）的相对两侧，所述密封舱端盖（5）连接在所述气密封舱（6）远离所述固定板（8）的一端，所述水舱压板（10）连接在所述水密封舱（9）远离所述固定板（8）的一端，所述滤网（11）安装在所述水舱压板（10）上；所述浮力调节机构安装在所述气密封舱（6）和所述水密封舱（9）中，所述俯仰调节机构安装在所述气密封舱（6）中。2.根据权利要求1所述的复合浮力调节装置，其特征在于，所述复合浮力调节装置还包括连杆（7），多根所述连杆（7）围绕所述气密封舱（6）和所述水密封舱（9）设置，每根所述连杆（7）的中部连接在所述固定板（8）上，每根所述连杆（7）的两端分别连接到所述密封舱端盖（5）和所述水舱压板（10）上。3.根据权利要求1所述的复合浮力调节装置，其特征在于，所述浮力调节机构包括活塞（12）和第一驱动机构，所述活塞（12）设置在所述水密封舱（9）内、且与所述水密封舱（9）的内壁密封滑动连接，所述第一驱动机构安装在所述气密封舱（6）和所述水密封舱（9）中，所述第一驱动机构连接到所述活塞（12）、并用于驱动所述活塞（12）沿所述水密封舱（9）的长度方向滑动。4.根据权利要求3所述的复合浮力调节装置，其特征在于，所述第一驱动机构包括第一丝杆（13）、第一电机（14）、传动机构（15）、导杆（16）、安装板（17）和加强板（18），其中，所述第一丝杆（13）沿所述水密封舱（9）的长度方向设置，所述第一丝杆（13）的一端连接到所述活塞（12）上，所述第一丝杆（13）贯穿所述固定板（8）和所述安装板（17）、且可相对所述固定板（8）和所述安装板（17）滑动，所述导杆（16）位于所述气密封舱（6）内、且垂直连接在所述固定板（8）上，所述安装板（17）垂直连接在所述导杆（16）上，所述第一电机（14）和所述传动机构（15）均安装在所述安装板（17）上，所述第一电机（14）、所述传动机构（15）和所述第一丝杆（13）依次传动连接，使所述第一电机（14）可控制所述活塞（12）沿所述水密封舱（9）的长度方向滑动。5.根据权利要求4所述的复合浮力调节装置，其特征在于，所述俯仰调节机构包括配重块（19）和第二驱动机构，所述配重块（19）和所述第二驱动机构设置在所述气密封舱（6）内，所述第二驱动机构连接到所述配重块（19）、并用于驱动所述配重块（19）沿所述气密封舱（6）的长度方向滑动。6.根据权利要求5所述的复合浮力调节装置，其特征在于，所述第二驱动机构包括螺母（21）、第二丝杆（22）和第二电机（23），其中，所述螺母（21）安装在所述配重块（19）上，所述第二丝杆（22）沿所述气密封舱（6）的长度方向设置，所述第二丝杆（22）的一端贯穿所述配重块（19）、且与所述螺母（21）啮合，所述第二丝杆（22）的另一端由所述第二电机（23）驱动转动，所述第二电机（23）安装在所述安装板（17）上。7.根据权利要求6所述的复合浮力调节装置，其特征在于，所述配重块（19）上还设置有让位缺口（20），所述让位缺口（20）的形状与所述加强板（18）的形状一致，使所述加强板（18）可以穿过所述让位缺口（20）。
8.根据权利要求3所述的复合浮力调节装置，其特征在于，所述复合浮力调节装置还包括导向环（28）、o形圈（25）、星形圈（26）和密封环（27），其中，两个所述导向环（28）间隔套设在所述活塞（12）的外周面上、且与所述水密封舱（9）的内壁滑动连接，所述o形圈（25）套设在所述活塞（12）的外周面上、且位于两个所述导向环（28）之间，所述密封环（27）套设在所述o形圈（25）上，所述星形圈（26）套设在所述密封环（27）上、且与所述水密封舱（9）的内壁滑动连接。9.一种自主式水下航行器，其特征在于，所述自主式水下航行器包括权利要求1所述的复合浮力调节装置。10.一种自主式水下航行器的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于权利要求9所述的自主式水下航行器，所述控制方法包括：采用目标深度z
d
作为输入，利用跟踪微分器提取当前目标深度v1与当前目标速度v2，并于当前深度z与当前auv下潜速度z1做差得到深度误差e1、速度误差e2，将e1、e2作为线性状态误差反馈控制器的输入；将调整因子μ0为lesf的输出、并于与nleso输出的e2做差，并通过系统增益1/b0得到vbs的输入加速度因子μ
i
，并通过转换得到浮力b
r
，浮力b
r
作用于auv动力学模型、并通过传感器得到当前深度z。

技术总结
本发明提供一种复合浮力调节装置、自主式水下航行器及其控制方法，涉及水下航行器技术领域。复合浮力调节装置包括密封舱端盖、气密封舱、固定板、水密封舱、水舱压板、滤网、浮力调节机构和俯仰调节机构；气密封舱和水密封舱分别连接在固定板的相对两侧，密封舱端盖连接在气密封舱远离固定板的一端，水舱压板连接在水密封舱远离固定板的一端，滤网安装在水舱压板上；浮力调节机构安装在气密封舱和水密封舱中，俯仰调节机构安装在气密封舱中。该装置在结构上独立成段，集成了浮力调节和重心调功能，可在满足浮力调节的同时，利用剩余空间实现对俯仰角的控制，还可以提高空间利用率、简化安装步骤。化安装步骤。化安装步骤。


技术研发人员：李永龙 陈永灿 王皓冉 夏毅 李佳龙 谢辉 汤坤
受保护的技术使用者：清华四川能源互联网研究院
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/6/7