張安通, 徐令令, 王 健, 肖冬林, 張 波

一種UUV智能應(yīng)急安全控制自救系統(tǒng)設(shè)計

張安通, 徐令令, 王 健, 肖冬林, 張 波

(中國船舶科學(xué)研究中心, 江蘇 無錫, 214082)

針對無人水下航行器(UUV)航行作業(yè)時面臨的安全性問題, 提出了一種智能應(yīng)急安全控制自救系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用了電磁耦合的工作模式, 其基本原理是通過直流線圈產(chǎn)生與永磁體強度相同的反向磁場, 以消除電磁鐵的磁力, 并利用彈簧力將負載拋掉。通過分析線圈電磁力與線圈匝數(shù)等參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系, 給出了電磁鐵設(shè)計方法, 在系統(tǒng)設(shè)計時通過在滑道中設(shè)置單向斜坡擾動結(jié)構(gòu), 以及在控制機制中采用故障優(yōu)先權(quán)聯(lián)鎖等, 實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗及高可靠性。湖上試驗驗證表明, 該系統(tǒng)對于提高中小型UUV在復(fù)雜海洋環(huán)境中的安全性具有實用價值。

無人水下航行器; 安全性; 電磁耦合; 自救系統(tǒng)

0 引言

無人水下航行器(unmanned undersea vehicle, UUV)[1]在水下航行作業(yè)時, 面臨著復(fù)雜環(huán)境的影響和考驗, 如浪流環(huán)境對內(nèi)部儀器設(shè)備的震蕩沖擊、溫躍層[2]導(dǎo)致的掉深超限、海洋微生物附著等; 同時UUV也面臨著自身設(shè)備或技術(shù)狀態(tài)的可靠性問題, 如深度傳感器失靈、控制系統(tǒng)故障、電池能量耗盡等, 這些因素均給UUV的水下作業(yè)帶來極大的安全風(fēng)險, 甚至導(dǎo)致UUV的丟失破壞。因此, 為了保證UUV在出現(xiàn)上述故障或緊急情況時的安全性, 開展相應(yīng)的智能應(yīng)急安全控制自救技術(shù)研究具有重要意義。

UUV應(yīng)急安全自救技術(shù)[3-4]通常是在應(yīng)急工況下緊急拋棄部分載荷, 產(chǎn)生正浮力自動上浮至水面, 啟動通信定位系統(tǒng)從而達到自救目的。目前大型深海UUV所用的應(yīng)急安全控制方法主要有[5-7]: 1) 利用液壓驅(qū)動系統(tǒng)油壓將潛水器與壓載(配重塊、蓄電池、機械臂等)強制分開, 同時還設(shè)置了汽壓式脫離螺栓, 在液壓系統(tǒng)故障時將壓載及部分液壓脫離裝置一同拋棄, 實現(xiàn)雙保險; 2) 在載人耐壓球內(nèi)部伸出一根釋放軸, 帶動外部凸輪轉(zhuǎn)動將掛鉤脫開, 釋放壓載; 3) 采用爆炸螺栓[8], 利用所裝填的火藥產(chǎn)生的爆轟波對螺栓本體產(chǎn)生拉伸及剪切效應(yīng), 使指定部位斷裂完成解鎖。前2種安全控制方法適用于負載能力較大的載人潛水器, 后一種脫離方式更適用于導(dǎo)彈等非水密要求航行器。

針對中小型UUV負載能力小、布置空間有限等特點, 文中提出一種智能應(yīng)急安全控制自救系統(tǒng), 該系統(tǒng)采用了電磁耦合的工作模式, 將水下航行器的穩(wěn)定翼作為拋載載荷, 執(zhí)行機構(gòu)無須耐壓封裝, 使系統(tǒng)具有體積小, 質(zhì)量輕, 阻力小等優(yōu)點。同時文中通過分析線圈電磁力與線圈匝數(shù)等參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系, 給出了電磁鐵設(shè)計方法, 在系統(tǒng)設(shè)計時通過在滑道中設(shè)置單向斜坡擾動結(jié)構(gòu), 以及在控制機制中采用故障優(yōu)先權(quán)聯(lián)鎖等, 保證了系統(tǒng)的低功耗及高可靠性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

智能應(yīng)急安全控制自救系統(tǒng)構(gòu)成見圖1, 主要由智能故障識別與觸發(fā)系統(tǒng)、應(yīng)急安全裝置和應(yīng)急電源3部分組成, 同時融合UUV深度傳感器、航行控制器和通信系統(tǒng)配合使用。系統(tǒng)在航行器上的安裝示意圖見圖2, 應(yīng)急安全裝置安裝在水密耐壓艙外部, 故障識別與觸發(fā)系統(tǒng)和應(yīng)急電源內(nèi)置在水密耐壓艙中。其中: 故障識別與觸發(fā)系統(tǒng)主要檢測故障信息, 并決定是否啟動執(zhí)行應(yīng)急安全控制自救流程; 應(yīng)急安全裝置用于執(zhí)行拋載動作, 在得到應(yīng)急觸發(fā)控制指令后將載荷拋棄; 應(yīng)急電源可以獨立為系統(tǒng)提供電能。深度傳感器、航行控制器信號作為輸入信號, 供故障識別和觸發(fā)系統(tǒng)判斷是否允許觸發(fā)應(yīng)急安全自救流程, 這些設(shè)備電源由航行器主電源提供。

圖1 智能應(yīng)急安全控制自救系統(tǒng)原理圖

圖2 應(yīng)急安全裝置安裝示意圖

1.1 故障智能識別和觸發(fā)系統(tǒng)

故障智能識別和觸發(fā)系統(tǒng)包含以下幾部分。

1) 深度智能識別部分: 由圖1虛框中的阻抗匹配、信號調(diào)理和比較/自鎖電路組成, 檢測深度傳感器的輸入信號, 判斷深度信號是否超限。

2) 故障優(yōu)先級智能識別部分: 當(dāng)有故障信號輸入時, 判斷是否觸發(fā)系統(tǒng)進行應(yīng)急自救。

3) 驅(qū)動模塊: 一旦觸發(fā)應(yīng)急安全自救流程, 驅(qū)動模塊開始工作可為應(yīng)急安全裝置和自救通信設(shè)備提供獨立應(yīng)急電源, 在未觸發(fā)應(yīng)急安全自救流程時, 該部分不工作, 處于無功耗值守狀態(tài)。

1.2 應(yīng)急安全裝置

應(yīng)急安全裝置結(jié)構(gòu)示意圖見圖3, 其包含拋載翼、壓縮彈簧、電磁鐵[9]和固定基座幾部分。拋載翼安裝在固定基座上, 為鑄鐵材料制作而成, 外表面噴涂防銹漆, 壓縮彈簧和電磁鐵嵌入式安裝在固定基座中, 與拋載翼均為面接觸。固定基座結(jié)構(gòu)示意圖見圖4, 基座上方設(shè)置有導(dǎo)向槽和卡槽, 當(dāng)拋載翼向后彈出時, 一方面可以發(fā)揮向后的導(dǎo)向作用, 另一方面可以承受側(cè)向力以及一定的側(cè)向彎矩, 當(dāng)航行器在航行過程中受到側(cè)向擾動或撞擊時, 依然可以保證可靠性, 避免誤拋載。同時在導(dǎo)向槽的一側(cè)還設(shè)置有斜坡擾動結(jié)構(gòu), 使拋載翼彈出時產(chǎn)生側(cè)傾, 一方面使拋載翼與固定基座脫開, 另一方面使拋載翼產(chǎn)生1個側(cè)向彎矩, 確保其能夠可靠拋掉, 增強了裝置的可靠性。電磁鐵為斷電吸盤式電磁鐵[10], 斷電狀態(tài)下具有磁性吸力, 可以克服壓縮彈簧的彈力將拋載翼牢牢吸住, 通電時電磁鐵失去磁力, 此時壓縮彈簧將拋載翼彈開, 拋載翼在自身重力作用下脫離UUV。

圖3 應(yīng)急安全裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 固定基座俯視圖

1.3 應(yīng)急電源

應(yīng)急電源包含12 V和5 V這2種規(guī)格, 5 V電源通過電池組穩(wěn)壓后提供, 給故障識別與觸發(fā)系統(tǒng)提供長期工作電流。12 V電源通過電池組不穩(wěn)壓提供, 在執(zhí)行應(yīng)急安全自救流程后開始工作, 為電磁鐵提供瞬時電能, 并向全球定位系統(tǒng)(gl- obal positioning system, GPS)及銥星通信提供長時間的應(yīng)急電能。在未觸發(fā)應(yīng)急安全自救流程時, 12 V無電流輸出。

1.4 自救通信

一旦執(zhí)行應(yīng)急安全自救流程, 則采用測試回路自鎖和應(yīng)急電源供給回路(驅(qū)動模塊)自鎖的雙冗余自鎖機制, 確保應(yīng)急安全自救流程不再受外部信號干擾, 增加拋載自救措施的執(zhí)行可靠性。應(yīng)急自救通信設(shè)備由UUV的通信設(shè)備GPS和銥星通信組成, 該部分設(shè)備正常工作時由UUV主電源提供電力, 在應(yīng)急安全自救模式啟動后強迫投入工作, 采用主電源和應(yīng)急電源同時供電模式, 即使在主電源失效的情況下依然能獲得應(yīng)急電能, 以建立和陸上基站的通信連接, 確保任意一路電源中途失效均不影響自救通信信息的發(fā)送。

2 系統(tǒng)工作模式及流程

應(yīng)急安全自救系統(tǒng)工作模式分為休眠待機狀態(tài)、聯(lián)鎖狀態(tài)和拋載自救3種技術(shù)狀態(tài)。休眠待機狀態(tài)即無故障信息狀態(tài), 輸出接口信號均為低電平, 此時系統(tǒng)類似于休眠, 維持檢測電路的基本工作, 由5 V電壓供電, 以極低的電流維持工作, 維持電流0.3～0.5 mA; 聯(lián)鎖狀態(tài)是指當(dāng)深度超深或浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)信號異常, 而航行控制器不允許觸發(fā)應(yīng)急安全自救流程, 此時處于喚醒模式, 但被航行控制系統(tǒng)聯(lián)鎖, 不執(zhí)行應(yīng)急安全自救流程, 此時仍然只由5V電壓供電; 拋載自救狀態(tài)指該系統(tǒng)觸發(fā)了應(yīng)急安全自救流程, 進入緊急上浮自救狀態(tài)。具體工作原理及流程見圖5。

圖5 應(yīng)急安全保護流程圖

如圖所示, 當(dāng)UUV正常工作時, 應(yīng)急安全裝置的電磁鐵處于斷電狀態(tài), 此時電磁鐵吸附力較大, 能夠克服壓縮彈簧的彈力將拋載翼牢牢吸住; 而當(dāng)故障識別和觸發(fā)系統(tǒng)有應(yīng)急信號觸發(fā)后, 上電觸發(fā)線路使電磁鐵上電, 在線圈反向磁場的作用下, 電磁鐵吸力減弱, 拋載翼在彈簧彈力及重力的作用下與固定基座分離, 拋載翼沿固定基座上的導(dǎo)向槽向后移動, 在滑道設(shè)置的單側(cè)斜坡擾動結(jié)構(gòu)的作用下, 拋載翼與固定基座完全脫離。此時UUV形成正浮力上浮至水面, 應(yīng)急電源給通信系統(tǒng)供電, 通信系統(tǒng)持續(xù)向遠程岸基指揮系統(tǒng)發(fā)送報警信息及自身坐標(biāo)位置, 等待打撈回收。同時在啟動應(yīng)急自救流程后, 則采用測試回路自鎖和應(yīng)急電源供給回路(驅(qū)動模塊)自鎖的雙冗余自鎖機制, 確保應(yīng)急自救流程不再受外部信號干擾。

3 故障智能識別機制

3.1 應(yīng)急智能控制故障模式

1) 航行控制器檢測到嚴(yán)重故障信息

航行控制器檢測到嚴(yán)重故障信息, 包含控制器故障、深度傳感器故障、核心設(shè)備故障等影響系統(tǒng)運行時, 執(zhí)行拋載自救流程。

2) 主電源失電

航行控制器與該系統(tǒng)緊急拋載信號在初始化狀態(tài)為低電平, 要求拋載狀態(tài)為高電平, 主電源失電后航行控制器失電時, 該輸出端口出現(xiàn)高阻, 對于該系統(tǒng)體現(xiàn)為高電平, 執(zhí)行拋載自救流程。

3) 浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障

當(dāng)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障時, 該系統(tǒng)向航行控制器申請拋載自救, 如果航行控制器同意拋載自救或無響應(yīng), 則在延時5 s后執(zhí)行拋載自救流程。

4) 深度超深

當(dāng)UUV下潛深度超過設(shè)置的拋載深度20%時, 系統(tǒng)將向航行控制器申請拋載, 如果航行控制器同意拋載或無響應(yīng), 則在延時5 s后執(zhí)行拋載自救流程。

3.2 深度超深故障智能識別

深度傳感器通過圖6中的V0接入, 經(jīng)運算放大器IC2阻抗變換和幅值調(diào)理后, 送入比較器IC3-1進行幅度比較, 當(dāng)深度信號V0正常時, 比較器IC3-1的3腳電平低于2腳電平, 則輸出端1腳為低電平, 后級電路維持常態(tài); 當(dāng)深度信號V0超過設(shè)定值, IC3-1的3腳電平高于2腳電平, 輸出端1腳將輸出高電平, 該信號送入優(yōu)先識別電路IC5和延時比較電路IC4組成的故障優(yōu)先識別電路。

圖6 信號調(diào)理和檢測電路圖

3.3 控制器和浮力調(diào)節(jié)裝置故障智能識別

航行控制器聯(lián)鎖信號通過圖6中T1接口輸入, 當(dāng)信號T1為高電平或高阻時代表允許執(zhí)行拋載自救流程, 當(dāng)信號T1為低電平時代表不允許執(zhí)行拋載自救流程。

航行控制器故障信號通過T2接口輸入, 浮力調(diào)節(jié)裝置故障通過T3接口輸入。T2和T3有2種狀態(tài): 晶體管邏輯門(transistor-transistor logic gate, TTL)電平和集電極開路信號, TTL高電平和集電極開路的高電阻狀態(tài)均表示需要啟動應(yīng)急拋載保護的故障狀態(tài)。

當(dāng)航行控制器或浮力調(diào)節(jié)裝置發(fā)生故障, T2或T3端口為高電平, 經(jīng)R34和C34以及R35和C35組成的阻容濾波后送入故障優(yōu)先識別電路進行故障優(yōu)先級識別和判斷; 當(dāng)航行控制器或浮力調(diào)節(jié)裝置發(fā)生斷電, 則T2或T3端口為高電阻, IC4和IC5組成的故障優(yōu)先識別電路也判定其為故障狀態(tài)。

3.4 應(yīng)急控制優(yōu)先級

系統(tǒng)僅在出現(xiàn)嚴(yán)重故障問題時工作, 為了防止如深度傳感器深度信號輸出有跳點等現(xiàn)象導(dǎo)致不必要的自救流程觸發(fā), 該系統(tǒng)設(shè)置故障優(yōu)先權(quán)聯(lián)鎖機制, 就是將應(yīng)急控制分為2個優(yōu)先級, 即：一級故障和二級故障。一級故障一旦發(fā)生, 系統(tǒng)將立即無條件執(zhí)行應(yīng)急安全控制自救流程。二級故障發(fā)生后, 系統(tǒng)將先向航行控制器發(fā)送請求執(zhí)行拋載信號, 如果航行控制器工作正常, 且判斷為不需要緊急拋載, 則需在5 s內(nèi)將拋載聯(lián)鎖信號T1由高電平置為低電平, 系統(tǒng)不執(zhí)行拋載自救流程; 如果航行控制器在5 s內(nèi)無響應(yīng), 系統(tǒng)將默認為準(zhǔn)許拋載, 則執(zhí)行上浮自救流程。

航行控制器故障信息T2屬于一級故障信息, 深度超深信號V0和浮力調(diào)節(jié)裝置故障信息T3屬于二級故障信息。

當(dāng)出現(xiàn)故障信息如深度連續(xù)超深時, IC5的第1、2、3腳為高電平, 經(jīng)優(yōu)先識別電路識別后, 從IC5的6腳和9腳同時輸出高電平信號, 6腳信號為拋載請求信號01, 送入航行控制器, 如果航行控制器10 s內(nèi)無響應(yīng), 則執(zhí)行拋載自救流程, IC5的9腳信號通過R31、R32、C31和C32送入IC4進行延時比較, 該信號受T1信號聯(lián)鎖, 當(dāng)T1信號為高電平或高阻時, IC4的6腳輸出高電平送入IC5的11腳進行邏輯判斷并自鎖, 同時從IC5的12腳輸出拋載信號T4, 送入驅(qū)動模塊進行應(yīng)急供電, 電磁鐵消磁拋掉載荷, 最終完成上浮自救。

4 電磁鐵特性及設(shè)計應(yīng)用

圖7 電磁鐵結(jié)構(gòu)圖

UUV正常工作時, 線圈斷電, 拋載翼在永磁體強磁場的作用下被牢牢吸住; 當(dāng)UUV工作異常時, 線圈上電, 產(chǎn)生與永磁體磁極相反的磁場, 電磁鐵消磁, 在彈簧力作用下, 拋載翼彈出脫落。這種方式電路結(jié)構(gòu)簡單, 可采用模塊化封裝, 具有功耗低、可靠性高的特點; 另外, 電磁鐵可直接與水環(huán)境接觸, 無須耐壓封裝, 不受耐壓深度的限制, 可以做成流線型結(jié)構(gòu), 從而確保了應(yīng)急安全裝置具有體積小, 質(zhì)量輕, 阻力小等優(yōu)點, 特別適用于在UUV上安裝使用。

4.1 電磁鐵特性

為了保證系統(tǒng)可靠性, 通過線圈產(chǎn)生與永磁體磁場強度基本相同的反向磁場是該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

磁場能量密度函數(shù)[11]為

根據(jù)能量守恒, 減少的磁場能量轉(zhuǎn)變成拋載翼的機械能, 滿足

則磁場吸力為

對于電磁鐵直流線圈, 磁通量滿足

根據(jù)高斯磁場定律[12], 通過鐵芯極化的磁通量滿足

根據(jù)磁路歐姆定律, 氣隙磁導(dǎo)滿足

由式(5)~(8)可得, 直流線圈對拋載翼的吸力滿足

4.2 應(yīng)用實例

5 試驗驗證

該系統(tǒng)設(shè)計集成在“海翔”系列水下滑翔機上, 該系列水下滑翔機深度檢測采用冗余設(shè)計, 搭載了2個不同型號的深度傳感器, 其應(yīng)急安全控制模式是當(dāng)其中任意一個深度傳感器輸出的深度值連續(xù)10 s超過設(shè)定的安全值時, 即執(zhí)行應(yīng)急安全拋載動作。2016年, 該水下滑翔機在千島湖開展了湖上測試(見圖8), 滑翔機下潛轉(zhuǎn)上浮深度設(shè)置為30 m, 應(yīng)急安全觸發(fā)深度為50 m。

圖8 集成有應(yīng)急安全系統(tǒng)的水下滑翔機湖上試驗

某航次中, 在水下滑翔機上浮時觸發(fā)了應(yīng)急控制保護功能, 2個深度傳感器深度信號曲線見圖9。如圖所示, 在水下滑翔機初始下潛過程中深度傳感器1與深度傳感器2的信號輸出正常且基本一致, 在水下滑翔機由下潛轉(zhuǎn)換至上浮狀態(tài)過程中, 深度傳感器1發(fā)生故障, 其深度信號開始出現(xiàn)異常, 信號值變大并不斷波動, 在橫軸420 s處深度傳感器1的信號值開始連續(xù)超過設(shè)定的50 m應(yīng)急觸發(fā)深度, 在435 s時工作深度約22 m處執(zhí)行了應(yīng)急拋載保護動作, 水下滑翔機將垂直穩(wěn)定翼拋棄后上浮, 最終完成了安全回收。此動作流程與事先設(shè)定的系統(tǒng)深度超差故障應(yīng)急控制保護流程完全一致, 即深度值連續(xù)10 s超過設(shè)定的安全值時申請拋載自救, 在延時5 s后執(zhí)行拋載自救流程, 驗證了系統(tǒng)工作可靠性。

圖9 湖試中水下滑翔機深度傳感器信號曲線

6 結(jié)束語

針對目前中小型UUV應(yīng)急自救控制技術(shù)的不足, 介紹了一種采用電磁耦合的應(yīng)急安全自救系統(tǒng), 完成了系統(tǒng)集成并通過了試驗驗證, 這種智能應(yīng)急安全自救技術(shù)對于提高中小型UUV在復(fù)雜海洋環(huán)境中的安全性具有較高的實用價值, 其技術(shù)特點如下。

1) 該系統(tǒng)將UUV的穩(wěn)定翼等作為拋載載荷, 應(yīng)急上浮自救時將其拋掉, 不用增加額外負載作為拋載模塊, 同時利用電磁鐵的吸附力和彈簧彈力做功, 兩者均可直接與水環(huán)境接觸, 無須耐壓封裝。同時電磁鐵的安裝外殼不受耐壓深度的限制, 可以做成流線型結(jié)構(gòu), 從而確保其具有體積小、質(zhì)量輕、阻力小等優(yōu)點, 特別適用于在UUV上安裝使用。

2) 該系統(tǒng)自成獨立體系, 電路結(jié)構(gòu)簡單, 采用模塊化封裝, 功耗低, 可靠性高。其平時處于休眠狀態(tài), 長期工作電路采用低壓供電, 通過小電流維持工作, 所有耗電器件選用低功耗器件, 確保在待機狀態(tài)下功耗不大于2.5 mW, 一旦接收到故障信息, 則判斷故障信息的優(yōu)先級別, 通過預(yù)設(shè)的觸發(fā)機制決定是否緊急拋載自救, 觸發(fā)工作狀態(tài)功耗不大于70 mW, 從而實現(xiàn)低功耗。

該系統(tǒng)在設(shè)計過程中需要注意的關(guān)鍵點是，電磁鐵線圈與永磁體反向消磁匹配性設(shè)計。同時, 需要進一步開展該系統(tǒng)穩(wěn)定翼拋載分離時的摩擦阻力、水流阻力與彈簧力匹配性設(shè)計的相關(guān)理論研究, 為系統(tǒng)彈簧力的優(yōu)化選取提供理論依據(jù)。

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Design of an Intelligent Emergency Safety Control Self-rescue System for UUV

ZHANG An-tong, XU Ling-ling, WANG Jian, XIAO Dong-lin, ZHANG Bo

(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)

In view of the fact that unmanned undersea vehicle(UUV) navigation operations face serious security problems, this paper puts forward an intelligent emergency safety control self-rescue system. This system adopts the operation mode of electromagnetic coupling. Its basic principle is to generate a reverse magnetic field with the same strength as the permanent magnet through a direct current(DC) coil so as to offset the electromagnetic force, then the load can be removed via spring force. The design method of the electromagnet is given by analyzing the corresponding relationship between the coil electromagnetic force and other parameters such as coil turns. The unidirectional slope disturbance structure is set in the chute, and the fault priority interlock is used in the control mechanism to realize low power consumption and high reliability of the system. Lake trial shows that the system is applicable for improving the safety of UUV.

unmanned undersea vehicle(UUV); safety; electromagnetic coupling; self-rescue system

TJ630.2; TP273.5

A

2096-3920(2019)05-0548-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.010

張安通, 徐令令, 王健, 等. 一種UUV智能應(yīng)急安全控制自救系統(tǒng)設(shè)計[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2019, 27(5): 548-554.

2019-01-21;

2019-04-16.

海洋公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目資助(201205035).

張安通(1987-), 男, 碩士, 工程師, 主要從事水下無人系統(tǒng)總體及結(jié)構(gòu)性能技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)