01.建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)

海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，二十大報(bào)告強(qiáng)調(diào)，要“發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”。建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)旨在通過(guò)科技創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、合理開(kāi)發(fā)利用海洋資源、強(qiáng)化海洋環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)、提升海洋經(jīng)濟(jì)質(zhì)量等多個(gè)方面努力，實(shí)現(xiàn)從淺海到深海、從海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展到海洋生態(tài)文明建設(shè)的全面跨越。這其中，掌握和利用好水下資源尤為重要。鑒于海洋環(huán)境的特殊性，水下資源的勘探與開(kāi)發(fā)必須依賴(lài)水下航行器，包括有纜水下機(jī)器人(Remotely Operated Vehicle, ROV)，自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)以及水下載人潛艇等。

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為水下航行器的關(guān)鍵部件，能夠?yàn)闈撍魈峁┓€(wěn)定懸浮的深度控制，并能根據(jù)工作深度的不同通過(guò)改變浮力來(lái)帶動(dòng)潛水器上浮或下潛。因浮力變化原理不同，其調(diào)節(jié)方法主要分為可調(diào)壓載和可變體積兩種方式?？勺凅w積調(diào)節(jié)通常采用油囊實(shí)現(xiàn)，利用液壓泵將油從內(nèi)囊排至外囊以提升浮力，反之則降低浮力。這種方式可以在不改變潛水器重量的情況下調(diào)節(jié)浮力，目前被廣泛應(yīng)用在輕型潛水器中。

▲油囊式浮力調(diào)節(jié)器

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能直接影響水下航行器的安全。早在1963年4月，美國(guó)海軍“長(zhǎng)尾鯊”號(hào)潛艇執(zhí)行深度探測(cè)任務(wù)時(shí)遭遇海水?dāng)鄬?#xff0c;而浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)未能及時(shí)響應(yīng)，潛艇極速下降失去控制，最終導(dǎo)致129名船員無(wú)一生還的慘烈后果。因此，對(duì)水下航行器浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)課題的深入研究至關(guān)重要。

▲下潛超過(guò)極限深度后，失事潛艇被徹底粉碎

02.浮力調(diào)節(jié)的工作原理

可變體積式調(diào)節(jié)是通過(guò)改變外油囊體積實(shí)現(xiàn)的，其原理是改變潛水器的排水量從而改變其浮力，外油囊體積調(diào)節(jié)量ΔV需要滿(mǎn)足式：

其中ΔVΡ代表初始配平細(xì)調(diào)時(shí)潛水器所需排水體積調(diào)整量，其取值由潛水器自身重量與初始排水體積以及潛水器在水中的姿態(tài)計(jì)算而來(lái)；ΔVΒ表示克服包括耐壓殼體形變等影響因素在內(nèi)的且可保證潛水器可靠上浮所需浮力對(duì)應(yīng)的排水體積調(diào)整量；ΔVρ為不同水域密度差導(dǎo)致浮力變化所對(duì)應(yīng)的排水體積調(diào)整量，其計(jì)算公式為：

其中ρmax為已知最大海水密度；ρmin為已知最小海水密度；ρ0為平均海水密度。在水下航行，特別是在未知海域航行時(shí)，需要根據(jù)獲取到的傳感器數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整，防止出現(xiàn)海水密度斷層導(dǎo)致安全事故。

03.浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真

浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能與潛水器的安全直接相關(guān)，應(yīng)將其作為潛水器設(shè)計(jì)的重中之重。傳統(tǒng)的潛水器設(shè)計(jì)過(guò)程需要搭建測(cè)試場(chǎng)地，進(jìn)行水下實(shí)驗(yàn)，但由于水下環(huán)境的特殊性，加之水密設(shè)備大多價(jià)格昂貴，使得測(cè)試存在較大困難，且發(fā)現(xiàn)問(wèn)題難以及時(shí)修改。在研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中使用仿真工具則可以較好規(guī)避此類(lèi)問(wèn)題。

天目全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真軟件SkyEye是一款基于可視化建模的硬件行為級(jí)仿真平臺(tái)，支持用戶(hù)通過(guò)拖拽的方式對(duì)浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。SkyEye致力于真實(shí)場(chǎng)景下的仿真分析，可在無(wú)需二次開(kāi)發(fā)的情況下運(yùn)行二進(jìn)制可執(zhí)行文件，切實(shí)解決實(shí)際工程中存在的問(wèn)題。

基于SkyEye仿真的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括浮力主控系統(tǒng)、動(dòng)力控制系統(tǒng)以及信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)

▲基于SkyEye的浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真原理圖

動(dòng)力控制系統(tǒng)主要控制液壓系統(tǒng)，通過(guò)將油液從內(nèi)囊抽到外囊或者從外囊抽到內(nèi)囊來(lái)實(shí)現(xiàn)潛水器的上浮與下潛。其中：

• 電磁閥控制油路的通斷；
• 正/反向閥控制油液流動(dòng)的方向；
• 電機(jī)與齒輪泵相連產(chǎn)生動(dòng)力。

信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)負(fù)責(zé)將各傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D采樣后傳輸給浮力主控系統(tǒng)進(jìn)行決策。

浮力主控系統(tǒng)根據(jù)所接收到的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，控制動(dòng)力控制系統(tǒng)產(chǎn)生動(dòng)作，同時(shí)調(diào)用上位機(jī)通信接口將浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)上報(bào)，并接收潛水器主控系統(tǒng)的控制信息。

基于SkyEye的仿真浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠有效降低系統(tǒng)的調(diào)試難度與成本，在正式的水下實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，最大限度覆蓋可能的測(cè)試場(chǎng)景，便于開(kāi)發(fā)測(cè)試人員分析改善可能存在的問(wèn)題，提高系統(tǒng)性能，從而推動(dòng)水下航行器的發(fā)展，助力加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)。