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海洋广袤无垠蕴藏着丰富的资源。近现代以来人类使用各种手段探索海洋探索广袤无垠的海洋与人类的生活越来越紧密至少10亿人口摄入的蛋白质来自海洋全球超过90%的货物、数据信息交流在海洋中转海洋中丰富的矿产资源、独特的经济军事价值等使其成为世界各国竞争的新热点。
我国幅员辽阔、地大物博拥有1万多个岛屿、300多万平方公里的海域。党的二十大报告指出“发展海洋经济保护海洋生态环境加快建设海洋强国。”提高海洋资源开发利用能力加快建设海洋强国是中国式现代化的必然选择。大力发展包括深海探测、运载等在内的海洋技术加强海洋勘探项目的研究有助于形成对海洋的全方位立体观测提升我国海洋资源的利用水平。
当下被广泛使用的海洋设备有卫星遥感、科考船、浮标、水下机器人等越来越多的水下设备被运用到海洋开发和利用活动中然而水下环境复杂多变设备能够携带的能源有限往往难以自主地适应环境改变去执行任务。
水下探测中一般情况下随着下潜深度的增加水下航行器浮力会不断增加。浮力调节系统作为涉及潜水的海洋设备的关键部件能够为潜水器提供稳定悬浮的深度控制并能根据工作深度的不同通过改变浮力来带动潜水器上浮或下潜。常见的浮力调节系统详见下图。 ▲浮力调节系统分类 变体积式通常采用油囊实现利用液压泵将油从内囊排至外囊以提升浮力反之则降低浮力。这种方式可以在不改变潜水器重量的情况下调节浮力目前被广泛应用在轻型潜水器中。
轻型潜水器中较为常用的是油囊式浮力调节系统。值得一提的是不仅仅局限于潜水器潜标、滑翔机上也有相关应用美国研发的滑翔机Spray Glider和Seaglider、日本的潜标Deep NINJA等都是采用油囊式浮力调节系统。 ▲日本URASHIMA号AUV 上图为采用了油囊式浮力调节系统的日本URASHIMA号该浮力调节系统是利用直流电机来驱动齿轮油泵使得液压油在油箱和油囊之间抽排从而使得整机的体积得以改变帮助URASHIMA号实现下潜上浮运动。
国内最有代表性的无疑是Argo浮标COPEXChina Ocean Profiling Explorer中国海洋剖面探测浮标其浮力调节装置示意图如下图所示。 ▲Argo 浮标COPEX的浮力调节装置 该浮力调节系统中丝杠一侧和减速电机相连另一侧和柱塞相连减速电机转动从而带动丝杠运动将电机的旋转运动转变为柱塞的直线运动实现油囊内液压油的抽排。 若需要增大浮力则需将柱塞泵中液压油压入油囊浮标排水体积变大若需要减小浮力则需将液压油从油囊中抽回到柱塞泵浮标排水体积减小。 数字孪生浮力调节系统仿真
浮力调节系统的性能与潜水器的安全直接相关应将其作为潜水器设计的重中之重。传统的潜水器设计过程需要搭建测试场地进行水下实验但由于水下环境的特殊性加之水密设备大多价格昂贵使得测试存在较大困难且发现问题难以及时修改。在研发设计过程中使用基于数字孪生概念的仿真工具则可以较好规避此类问题。
天目全数字实时仿真软件SkyEye是一款基于可视化建模的硬件行为级仿真平台支持用户通过拖拽的方式对浮力调节系统进行建模和仿真。SkyEye致力于真实场景下的仿真分析可在无需二次开发的情况下运行二进制可执行文件切实解决实际工程中存在的问题。
基于SkyEye仿真的浮力调节系统主要包括浮力主控系统、动力控制系统以及信号调理系统。 ▲基于SkyEye的浮力调节系统仿真原理图 图中可见浮力主控系统根据所接收到的信号调理系统传输来的数据进行决策控制动力控制系统产生动作同时调用上位机通信接口将浮力调节系统运行状态上报并接收潜水器主控系统的控制信息。 基于SkyEye的仿真浮力调节系统能够有效降低系统的调试难度与成本在正式的水下实验前先进行仿真实验最大限度覆盖可能的测试场景便于开发测试人员分析改善可能存在的问题提高系统性能从而推动水下航行器的发展。数字孪生作为新质生产力有助于加快建设海洋强国对于我国海洋装备的跨越式发展以及保障我国海洋权益都有着十分重要的意义。
