引言
随着水下生产系统技术的不断发展，对水下控制系统监控管理功能的需求越来越大，控制功能和海底网络拓扑结构越来越复杂，需要相应的水下控制系统功率设计，水下控制系统功率负载不断变化，电源是水下控制系统非常重要的组成部分，电源程序与电源距离和负载密切相关，不同的供电距离、不同的供电负载，都有可能需要设计不一样的供电方案。
一、概述
水下无人航行器(unmannedunderseavehicle,UUV)因具有自主航行能力，可完成海洋/海底环境信息获取，固定/移动目标探测、识别、定位与跟踪以及区域警戒，具有重要的民用军用价值，已成为世界各国海洋装备的重要研究方向。
二、自主水下航行器变浮力系统研究现状
近年来,针对水下航行器浮力调节装置有诸多研究成果。研究了一种油囊式的浮力调节装置。研究了一种带辅助弹簧的动态浮力调节装置,并进行了初步的试验。提出潜水器浮力微调采用海水液压浮力调节系统,替代油压和气压浮力调节系统,具有结构简单,性能可靠等优点,是目前大深度航行器普遍采用的形式。
活塞缸式浮力调节装置,利用AMESim软件进行了液压系统仿真,重点分析了液压缸的动态特性。阐述了一种对变浮力装置的耐压密封试验方法。设计了油舱浮力调节装置,分析了测量气体体积变化的准确性和灵敏度。分别从装置组成、工作原理、液压系统和关重件设计四方面对浮力调节装置展开论述。针对自主水下航行器的水下工况,设计并分析了油囊式、高精度油囊式以及活塞缸式3种浮力调节装置设计了一套浮力调节装置PMSM驱动控制系统。提出了一种基于齿轮—滚珠丝杠传动的浮力调节装置的设计方法。设计了一种气压与液压结合的低功耗浮力调节系统,提高了海洋滑翔机浮力调节系统的可靠性,进一步降低了系统功耗。提出了一种智能应急安全控制自救系统,可实现无人水下航行器浮力调节装置故障智能识别与防护。
三、自主水下航行器变浮力系统控制技术
（一）基于模型的控制方法
随着识别系统、最优控制、滤波和评价理论的发展，基于模型的控制理论在工业过程中得到了广泛的应用。在进行控制系统设计时，首先要获得系统的数学模型，然后根据得到的数学模型设计控制器。但是对于水下航行器来说，模型参数的推导是一个困难的过程，需要实际的实验分析。参数估计具有不确定性和可变性。例如，在水面附近航行时，水下航行器的运动很容易受到风、波、流等环境影响。在水下航行中，水的密度变化、洋流的干扰也会影响水下航行器的动态特性，水下航行器本身的非线性动态特性使得日常的线性控制变得困难。
（二）AI视觉控制
该系统主要由主控板、颜色识别模块、机械手控制模块和WiFi模块等相关电路组成。主控板通过WiFi模块实时进行监测，把接收到的指令信息传输至控制单元进行处理，把处理结果传输至颜色识别模块。颜色识别模块实时扫描控制台上的目标物体，若颜色与指令信息一致，则把识别结果反馈至控制单元。控制单元控制机械手运动，完成抓取目标物体、搬运到指定位置、再回到初始状态等操作，实现机械视觉的智能控制。
（三）不依赖模型的控制方法
水下航行器控制中最常用的PID是一种通用的无模型控制算法，它独立于水下航行器运动控制系统的特定模型信息，仅使用当前两个控制节点和前两个控制节点的数据在输出端进行计算。PID方法具有易于实现、易于调节、可靠性好等优点，但PID不能根据水下航行器系统动态特性的变化精确调整参数。随着潜水器自身性能和海况的变化，PID总是偏离最佳工作状态。基于经典PID控制、分段PID、模糊PID等改进方法，出现了新的问题，改进PID的缺点是参数调整成本高，测试周期长。
（四）水下控制模块
水下控制模块是接收平台的各种电力、液压、光纤等控制信息，传输给各种水下设备，将水下设备的实时监控信息反馈给平台的中央控制系统。相当于水下控制大脑，必须检查水下控制模块的到达状态。包括水下控制模块完整性、回收工具、测试工具等。
（五）水下分离器的控制
水下分离器系统包括水下分离器主体、水下控制模块(包括SEM)、主控站(MCS)、动力站(EPU)、变送器等五个部分。通过SEM，水下分离器壳体的所有变送器、阀门、变频电机和水下控制模块的所有类型的液压阀都具有信号采集、过程控制、报警触发、通信传输等功能。SEM将水下所有信号数据发送到水设备主控站，在主控站实现人机交互，在平台上增加水下分离器上位机，以满足平台的总体控制要求。
（六）基于改进人工势场的智能避碰方法
在无人水下航行器避碰系统中，引入改进人工势场法的思想是把无人水下航行器的运动被看作是在人造引力场中运动。在航行的过程中，周围的障碍物对航行器产生“斥力”，而最终目的地对无人水下航行器产生“引力”，当航行器航行路线上存在障碍物时，会收到引力场和斥力场的叠加，最终产生一个使航行器避开障碍物的合力。当目的地对无人水下航行器的引力与障碍物对无人水下航行的斥力相等时，航行器所受合力等于零，此时航行器陷入极小值就无法航行出障碍物区域，改进人工势场法就会陷入局部最优解。假如障碍物在目的地附近的话，航行器则永远不能到达目的地。因此，需要考虑如何设计“引力场”和“斥力场”函数来避免控制系统陷入局部最优解的问题。
（七）欠驱动水下无人航行器
针对欠驱动无人水下航行器相对位置保持的需求，提出一种航行器相对目标位置稳定的欠驱动无人水下航行器双环位置控制算法。该方法将航行器的位置控制分解为外环位置环与内环姿态/速度环，实现欠驱动无人水下航行器的相对位置保持。同时将编队位置保持与轨迹跟踪问题均建立为相对位置保持问题采用相同的控制方法对其进行控制。仿真结果表明，相对位置保持法能有效实现航行器的平面轨迹跟踪与编队位置保持，保证航行器对运动目标的相对位置稳定，此时编队采用虚拟领航者下的主从式编队构型，对通信依赖度小。由于在惯性系下设计位置误差方程，可使得外环控制简化为线性控制，对于现有产品仅需增加线性位置控制环即可实现相对位置保持，亦即实现编队控制与轨迹跟踪，方法快捷简单。
结束语
自主水下航行器是海上无人作战不可或缺的组成部分，在各种传感器上提供环境信息、目标和其他传感器的自主水下控制系统是确保执行任务的前提条件。对水电系统采用控制技术直接影响自主水下航行器的运行稳定性和效率。自主水下航行器的一个不可或缺的组成部分是合理的供水系统控制系统，使自主水下航行器供水系统能够高效联网和监测，促进良好的数据通信关系，实现高质量的数据管理、传输和处理。
参考文献
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