摘 要：针对中大型长航程UUV的内部强电磁干扰的特点及浮力姿态调节需求，给出了一种基于CAN通信的海水泵式浮力调节系统设计方案。采用CAN总线连接调节系统的主控制层和从执行层，有效降低了强电磁干扰对调节系的影响。该系统具备自主下潜控制、自适应密度补偿及航行器姿态调整三种功能。原理样机搭载某大型UUV，并通过了全功能的试验验证。

关键词：UUV; CAN; 长航程;多功能; 智能化

随着海洋资源开发向深远海的不断推进，长航程、多功能、智能化中大型无人水下航行器(UUV)成为水下救援机器人的一个非常重要的发展分支。中大型长航程UUV在执行长距离的作业任务时，海水密度的变化和任务载荷的变化是不可避免的，进而打破了UUV的初始浮力平衡状态，改变了UUV的航行深度、浮心及重心位置。为了维持UUV的稳定，通常采用3种方法来抵消密度及载荷改变所带来变化: (1)利用水平舵所产生的舵效；(2)加装垂向推进装置；(3)加装可调压载装置。其中，方法(1)与方法(2)均需要长时间消耗航行器能源以维持航速及垂向推力,对于以电池为主要动力来源的UUV，这种长时间的能量消耗会明显缩短UUV的航程及任务寿命，其代价较高。方法(3)则只在密度和载荷发生变化时,消耗一定的能量即可改变压载装置的重量或体积。与前两种方法相比，方法(3)消耗能量较少，适合于以电池为主要动力的UUV使用,因而在国内外得到了广泛应用。

根据调节手段的不同，可调压载装置分为油囊式和海水泵式两种。油囊式浮力调节系统以液压油为工作介质，通过向耐压橡皮油囊抽取或泵入液压油的方式改变UUV的排水量，达到浮力调节的目的。这种调节方式浮力调节精度高，但浮力调节范围通常处于50L(50 kgf)之内，并且结构比较复杂，适用于中小型作业型UUV。海水泵式浮力调节系统以海水作为工作介质，通过向耐压舱内泵入或抽出海水的方式改变UUV的重量，达到浮力调节的目的。这种调节系统的浮力调节范围较大，可达数百升（数百千克力），同时安全可靠，不存在漏油风险，属于介质友好型系统，但系统的调节精度较低，同时对柱塞泵及海水管路的耐腐蚀性提出了较高的要求，适合于中大型长航程UUV。目前国内的浮力调节系统的研制起步于2000年左右，多集中于油囊式的浮力调节系统。2006年，中船重工第710研究所的谷军等人研制了用于海洋监测平台的油气囊组合式浮力调节系统[1]，2007年,中科院沈阳自动化研究所的郑荣等人研制了用于小型AUV上的油囊浮力调节系统，除了可调节AUV的浮力外，还对AUV的纵倾与横倾进行调节[2]。2008年,华中科技大学的杨钢等人研制了一种可工作于1 800 m的油囊式浮力调节系统,其最大浮力调节能力为5 kgf[3]。2010年哈尔滨工程大学为自研的某水下机器人研制了一套油囊式浮力调节系统,可提供21 kgf的调节能力[4]。上述公开文献中所描述的浮力调节系统仅对用于中小型UUV的油囊式浮力调节系统进行了研究，而对于中大型UUV的海水泵式浮力调节系统目前还未见国内报道。

本文的目的是对应用于中大型UUV的海水泵式浮力调节系统的构成和控制方法进行研究，得到了一种比较合理的设计方案，设计的原理样机成功应用于某大型长航程UUV，并通过海试验证。

1 浮力自适应调节系统总体结构

浮力自适应调节系统的总体结构如图1所示。UUV的艏部及艉部分别布置一套浮力调节机构,包括175 L水箱(内含精密液位计)、阀门、柱塞泵、海水管路及执行控制器。主控制器的位置可根据结构需要灵活调整。以艏部浮力调节机构为例，柱塞泵为单向结构，海水的流动方向为逆时针。当执行控制器打开阀门A、D和电机M时，艏部调节机构处于排水状态，并在艏部产生正浮力；当执行控制器打开阀门B、C和电机M时，艏部调节机构处于进水状态，在艏部产生负浮力。为了降低执行机构的响应延迟时间,设计阀门为电磁阀门,耐压≥6 MPa，响应时间≤400 ms。电机采用了直流无刷电机，最大功率为800 W，配合单向柱塞泵，单套调节机构的最大调节速率为25 kgf/min。

浮力自适应调节系统具有三种主要功能：自主下潜控制、自适应密度补偿及航行器姿态调整。自主下潜控制功能可使在水面静止的UUV自主下潜至某一固定深度，并自主维持在此深度，直至UUV的舵机及推进系统开始动作。自适应密度补偿功能启动后，主控制器根据UUV上搭载的温盐深传感器及国际海洋状态方程计算当前的海水密度，当海水密度变化大于某一阈值时(原理样机的阈值设置为10~3 g/cm3)，主控制器计算出艏艉水箱的进/排水质量并发送相应的执行指令给艏艉执行控制器单元，由艏艉执行控制器控制相应的阀门及电机动作，完成自适应密度补偿。航行器姿态调整功能允许UUV的中央控制单元直接分别控制艏艉水舱的进/排水动作，以配合舵机完成UUV的姿态调整。

除了上述三种功能外，浮力自适应调节系统还具备三种安全保护功能：水舱空执行保护、水舱满执行保护及控制舱漏水执行保护。前两种保护功能主要依赖于艏艉水舱内置的精密液位计实现，当发现水舱即将全满或全空时自动停止调节机构的进/排水动作，并向主控制器反馈相应告警信息。漏水执行保护则依赖于艏艉仪表舱内的漏水传感器，当检测到漏水时，执行控制器自动向主控制器反馈漏水告警信息，并根据UUV中央控制单元的命令执行相应的动作(例如可执行排水动作，实现紧急上浮)。

2 浮力自适应调节系统控制器设计

考虑到大型UUV艏艉相距较远、结构复杂且强电与弱电混合布置等特点，浮力自适应调节系统的控制器部分采用了2层控制结构：主控制器和执行控制器，两者间采用抗干扰能力较强的CAN总线[5-6]作为信息交互的通道。同时艏艉执行控制器与电磁阀门、直流无刷电机之间的接口采用了光耦隔离措施，降低了大功率设备对控制器的干扰。图2所示为控制器的结构框图。

2.1主控制器

主控制器以MSP430F5438A为核心CPU，内含两路CAN总线，分别对应于UUV的中央控制单元和浮力调节系统的艏艉执行控制器，同时预留了一个与UUV中央控制单元的RS485接口。其功能包括接收及解读UUV中央控制单元发送的命令、执行自主下潜控制算法、执行自适应密度补偿算法、接收及解读艏艉执行控制器的反馈信息、发送自适应浮力调节系统的状态信息等。

主控制器使用的CPU为MSP430F5XX系列单片机没有内置CAN控制及收发模块,因此使用Microchip公司的MCP2515作为CAN控制器，该控制器完全支持CAN V2.0B 技术规范,能发送接收标准和扩展数据帧以及远程帧。自带2个验收屏蔽寄存器和6个验收滤波寄存器，减少了主单片机（MCU）的开销。与CPU的连接采用了SPI接口。CAN收发器则使用了隔离型收发器ISO1050，该器件为电流隔离式 CAN 收发器, 采用了二氧化硅隔离势垒技术，降低了传输时延并减少了外围器件数量，可满足或超过 ISO11898 标准的规格要求。当与隔离式电源一起使用时,可防止数据总线或其他电路上的噪声电流进入局部地干扰或损坏电路。

在主控制器端执行的算法包括了密度值计算和自主下潜控制算法。密度值的计算主要依据国际海洋状态方程，温度、盐度及深度信息由UUV的中央控制单元给出。自主下潜控制算法以UUV中央控制单元每5 s给出的深度值作为反馈信息，采用滑模控制的方法计算当前艏艉水舱的进排水量:

2.2执行控制器

执行控制器同样采用了MSP430F5438A为核心的CPU，包含了1路CAN总线接口(与主控制器的CAN总线连接)、5路光耦输出(分别连接阀门A、B、C、D及直流无刷电机)、1路光耦输入(连接漏水报警电路)及1路4~20 mA电流接收环路接口(连接水舱液位传感器)。其功能包括：接收及执行主控制器发送的执行命令、反馈执行控制器的状态、液位传感器信号处理及采集、动作执行保护、漏水报警检测等。

在调节系统中，水舱内的液位传感器的误差直接影响了调节误差。为了尽可能地降低调节误差，液位传感器采用了磁传感器，且精度达到0.05%。在UUV强弱混合的强干扰情况下，液位传感器的输出被强干扰噪声污染,因此在执行控制器端执行了平均处理及液位升/降斜率限制2种算法，降低液位值抖动和野值带来的影响。

3 原理样机联调结果

根据前述的设计方案制作的调节系统原理样机如图3、图4所示。图5为现场调节系统控制器。

2012年3月,在某水库对该浮力自适应调节系统进行了UUV搭载实验,完成了自主下潜和姿态调整功能的湖上实验验证。自主下潜功能设定目标深度分别为10 m、20 m、30 m，误差均控制在2 m以内。由水面下潜至30 m处所需时间约为800 s。2012年8月，浮力自适应调节系统在某海域进行了自主下潜和姿态调整功能的海上验证实验。由于受到海面风浪的影响，当自主下潜功能设定目标深度为10 m、20 m、30 m时，误差控制在4 m以内，由水面下潜至30 m处并稳定在此深度所需时间约为900 s。

参考文献

[1] 谷军.油气囊组合式升降平台技术[C].第五届中国国际救捞论坛论文集，2008.

[2] 杨钢,郭晨冰，李宝仁，等.浮力调节装置实验研究[J].机床与液压，2008，36(10):52-54.

[3] 郑荣,常海龙.浮力调节系统在作业型AUV上的应用研究[J].机器人技术，2006,22(9-2):207-209.

[4] 李建明. 水下机器人浮力调节系统及其深度控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学， 2010.

[5] 丁忠林，刘尧猛，于秀丽.电梯控制系统CAN通信节点设计[J].微型机与应用，2012,31(7):33-35.

[6] 赵永刚，张国义，刘晓霏,等. 基于CAN总线的大型壳体结构分布式测量系[J].微型机与应用,2013,32(9):71-73.