隨著海洋資源開發向深遠海的不斷推進，長航程、多功能、智能化中大型無人水下航行器(UUV)成為水下救援機器人的一個非常重要的發展分支。中大型長航程UUV在執行長距離的作業任務時，海水密度的變化和任務載荷的變化是不可避免的，進而打破了UUV的初始浮力平衡狀態，改變了UUV的航行深度、浮心及重心位置。為了維持UUV的穩定，通常采用3種方法來抵消密度及載荷改變所帶來變化: (1)利用水平舵所產生的舵效；(2)加裝垂向推進裝置；(3)加裝可調壓載裝置。其中，方法(1)與方法(2)均需要長時間消耗航行器能源以維持航速及垂向推力,對于以電池為主要動力來源的UUV，這種長時間的能量消耗會明顯縮短UUV的航程及任務壽命，其代價較高。方法(3)則只在密度和載荷發生變化時,消耗一定的能量即可改變壓載裝置的重量或體積。與前兩種方法相比，方法(3)消耗能量較少，適合于以電池為主要動力的UUV使用,因而在國內外得到了廣泛應用。
　根據調節手段的不同，可調壓載裝置分為油囊式和海水泵式兩種。油囊式浮力調節系統以液壓油為工作介質，通過向耐壓橡皮油囊抽取或泵入液壓油的方式改變UUV的排水量，達到浮力調節的目的。這種調節方式浮力調節精度高，但浮力調節范圍通常處于50L(50 kgf)之內，并且結構比較復雜，適用于中小型作業型UUV。海水泵式浮力調節系統以海水作為工作介質，通過向耐壓艙內泵入或抽出海水的方式改變UUV的重量，達到浮力調節的目的。這種調節系統的浮力調節范圍較大，可達數百升（數百千克力），同時安全可靠，不存在漏油風險，屬于介質友好型系統，但系統的調節精度較低，同時對柱塞泵及海水管路的耐腐蝕性提出了較高的要求，適合于中大型長航程UUV。目前國內的浮力調節系統的研制起步于2000年左右，多集中于油囊式的浮力調節系統。2006年，中船重工第710研究所的谷軍等人研制了用于海洋監測平臺的油氣囊組合式浮力調節系統[1]，2007年,中科院沈陽自動化研究所的鄭榮等人研制了用于小型AUV上的油囊浮力調節系統，除了可調節AUV的浮力外，還對AUV的縱傾與橫傾進行調節[2]。2008年,華中科技大學的楊鋼等人研制了一種可工作于1 800 m的油囊式浮力調節系統,其最大浮力調節能力為5 kgf[3]。2010年哈爾濱工程大學為自研的某水下機器人研制了一套油囊式浮力調節系統,可提供21 kgf的調節能力[4]。上述公開文獻中所描述的浮力調節系統僅對用于中小型UUV的油囊式浮力調節系統進行了研究，而對于中大型UUV的海水泵式浮力調節系統目前還未見國內報道。
    本文的目的是對應用于中大型UUV的海水泵式浮力調節系統的構成和控制方法進行研究，得到了一種比較合理的設計方案，設計的原理樣機成功應用于某大型長航程UUV，并通過海試驗證。
1 浮力自適應調節系統總體結構
    浮力自適應調節系統的總體結構如圖1所示。UUV的艏部及艉部分別布置一套浮力調節機構,包括175 L水箱(內含精密液位計)、閥門、柱塞泵、海水管路及執行控制器。主控制器的位置可根據結構需要靈活調整。以艏部浮力調節機構為例，柱塞泵為單向結構，海水的流動方向為逆時針。當執行控制器打開閥門A、D和電機M時，艏部調節機構處于排水狀態，并在艏部產生正浮力；當執行控制器打開閥門B、C和電機M時，艏部調節機構處于進水狀態，在艏部產生負浮力。為了降低執行機構的響應延遲時間,設計閥門為電磁閥門,耐壓≥6 MPa，響應時間≤400 ms。電機采用了直流無刷電機，最大功率為800 W，配合單向柱塞泵，單套調節機構的最大調節速率為25 kgf/min。

    浮力自適應調節系統具有三種主要功能：自主下潛控制、自適應密度補償及航行器姿態調整。自主下潛控制功能可使在水面靜止的UUV自主下潛至某一固定深度，并自主維持在此深度，直至UUV的舵機及推進系統開始動作。自適應密度補償功能啟動后，主控制器根據UUV上搭載的溫鹽深傳感器及國際海洋狀態方程計算當前的海水密度，當海水密度變化大于某一閾值時(原理樣機的閾值設置為10~3 g/cm3)，主控制器計算出艏艉水箱的進/排水質量并發送相應的執行指令給艏艉執行控制器單元，由艏艉執行控制器控制相應的閥門及電機動作，完成自適應密度補償。航行器姿態調整功能允許UUV的中央控制單元直接分別控制艏艉水艙的進/排水動作，以配合舵機完成UUV的姿態調整。
　除了上述三種功能外，浮力自適應調節系統還具備三種安全保護功能：水艙空執行保護、水艙滿執行保護及控制艙漏水執行保護。前兩種保護功能主要依賴于艏艉水艙內置的精密液位計實現，當發現水艙即將全滿或全空時自動停止調節機構的進/排水動作，并向主控制器反饋相應告警信息。漏水執行保護則依賴于艏艉儀表艙內的漏水傳感器，當檢測到漏水時，執行控制器自動向主控制器反饋漏水告警信息，并根據UUV中央控制單元的命令執行相應的動作(例如可執行排水動作，實現緊急上浮)。
2 浮力自適應調節系統控制器設計
    考慮到大型UUV艏艉相距較遠、結構復雜且強電與弱電混合布置等特點，浮力自適應調節系統的控制器部分采用了2層控制結構：主控制器和執行控制器，兩者間采用抗干擾能力較強的CAN總線[5-6]作為信息交互的通道。同時艏艉執行控制器與電磁閥門、直流無刷電機之間的接口采用了光耦隔離措施，降低了大功率設備對控制器的干擾。圖2所示為控制器的結構框圖。

2.1主控制器
    主控制器以MSP430F5438A為核心CPU，內含兩路CAN總線，分別對應于UUV的中央控制單元和浮力調節系統的艏艉執行控制器，同時預留了一個與UUV中央控制單元的RS485接口。其功能包括接收及解讀UUV中央控制單元發送的命令、執行自主下潛控制算法、執行自適應密度補償算法、接收及解讀艏艉執行控制器的反饋信息、發送自適應浮力調節系統的狀態信息等。
    主控制器使用的CPU為MSP430F5XX系列單片機沒有內置CAN控制及收發模塊,因此使用Microchip公司的MCP2515作為CAN控制器，該控制器完全支持CAN V2.0B 技術規范,能發送接收標準和擴展數據幀以及遠程幀。自帶2個驗收屏蔽寄存器和6個驗收濾波寄存器，減少了主單片機（MCU）的開銷。與CPU的連接采用了SPI接口。CAN收發器則使用了隔離型收發器ISO1050，該器件為電流隔離式 CAN 收發器, 采用了二氧化硅隔離勢壘技術，降低了傳輸時延并減少了外圍器件數量，可滿足或超過 ISO11898 標準的規格要求。當與隔離式電源一起使用時,可防止數據總線或其他電路上的噪聲電流進入局部地干擾或損壞電路。
     在主控制器端執行的算法包括了密度值計算和自主下潛控制算法。密度值的計算主要依據國際海洋狀態方程，溫度、鹽度及深度信息由UUV的中央控制單元給出。自主下潛控制算法以UUV中央控制單元每5 s給出的深度值作為反饋信息，采用滑模控制的方法計算當前艏艉水艙的進排水量:

2.2執行控制器
    執行控制器同樣采用了MSP430F5438A為核心的CPU，包含了1路CAN總線接口(與主控制器的CAN總線連接)、5路光耦輸出(分別連接閥門A、B、C、D及直流無刷電機)、1路光耦輸入(連接漏水報警電路)及1路4~20 mA電流接收環路接口(連接水艙液位傳感器)。其功能包括：接收及執行主控制器發送的執行命令、反饋執行控制器的狀態、液位傳感器信號處理及采集、動作執行保護、漏水報警檢測等。
    在調節系統中，水艙內的液位傳感器的誤差直接影響了調節誤差。為了盡可能地降低調節誤差，液位傳感器采用了磁傳感器，且精度達到0.05%。在UUV強弱混合的強干擾情況下，液位傳感器的輸出被強干擾噪聲污染,因此在執行控制器端執行了平均處理及液位升/降斜率限制2種算法，降低液位值抖動和野值帶來的影響。
3 原理樣機聯調結果
    根據前述的設計方案制作的調節系統原理樣機如圖3、圖4所示。圖5為現場調節系統控制器。

    2012年3月,在某水庫對該浮力自適應調節系統進行了UUV搭載實驗,完成了自主下潛和姿態調整功能的湖上實驗驗證。自主下潛功能設定目標深度分別為10 m、20 m、30 m，誤差均控制在2 m以內。由水面下潛至30 m處所需時間約為800 s。2012年8月，浮力自適應調節系統在某海域進行了自主下潛和姿態調整功能的海上驗證實驗。由于受到海面風浪的影響，當自主下潛功能設定目標深度為10 m、20 m、30 m時，誤差控制在4 m以內，由水面下潛至30 m處并穩定在此深度所需時間約為900 s。
參考文獻
[1] 谷軍.油氣囊組合式升降平臺技術[C].第五屆中國國際救撈論壇論文集，2008.
[2] 楊鋼,郭晨冰，李寶仁，等.浮力調節裝置實驗研究[J].機床與液壓，2008，36(10):52-54.
[3] 鄭榮,常海龍.浮力調節系統在作業型AUV上的應用研究[J].機器人技術，2006,22(9-2):207-209.
[4] 李建明. 水下機器人浮力調節系統及其深度控制技術研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學， 2010.
[5] 丁忠林，劉堯猛，于秀麗.電梯控制系統CAN通信節點設計[J].微型機與應用，2012,31(7):33-35.
[6] 趙永剛，張國義，劉曉霏,等. 基于CAN總線的大型殼體結構分布式測量系[J].微型機與應用,2013,32(9):71-73.