一种用于地热探针的分阶段下落姿态收敛控制方法及系统与流程

本发明涉及海洋地热探测与海底观测装备，具体涉及一种用于地热探针的分阶段下落姿态收敛控制方法及系统。

背景技术：

1、现有技术中的自返式地热探针在海水自由下落及海底沉积物贯入过程中主要面临以下技术问题：

2、（1）探针在海水中自由下落过程中易受海流扰动、释放初始姿态偏差以及流体阻力分布不均等因素影响，导致探针发生偏转、摆动或翻滚，难以保持稳定的下落姿态；

3、（2）现有地热探针主要依赖尾翼、配重等被动稳定方式进行姿态保持，缺乏对下落姿态的实时感知和主动调节能力，当环境条件发生变化时，探针难以自动修正姿态偏差；

4、（3）当探针以较大的倾斜姿态接触海底沉积物时，不仅会导致探针与沉积物之间接触热阻分布不均，影响沉积物温度梯度测量的准确性，而且由于倾斜贯入会降低探针的有效贯入深度，增加贯入阻力，甚至造成探针弯折、偏移或插入失败，进而影响海底热流参数测量结果的可靠性；

5、因此，需要一种新的用于地热探针的分阶段下落姿态收敛控制方案，以解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于地热探针的分阶段下落姿态收敛控制方法及系统，旨在解决现有技术中探针下落姿态难以控制、垂直入泥能力不足以及沉积物温度梯度测量可靠性较低的技术问题，该方法提高了地热探针下落过程中的姿态稳定性和垂直入泥能力。

2、为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供如下技术方案：一种用于地热探针的分阶段下落姿态收敛控制方法，包括：

3、响应于地热探针进入海水，实时获取地热探针的三轴姿态状态数据；

4、基于所述三轴姿态状态数据，识别所述地热探针所处的姿态类型；

5、基于所述姿态类型，确定所述地热探针所处的下落阶段；

6、基于所述地热探针所处的姿态类型以及下落阶段，确定调用的尾翼控制分配策略，并根据实时获取所述地热探针的三轴姿态状态数据，对调用的尾翼控制分配策略进行动态修正，直至所述地热探针完成下落过程。

7、在本发明中，优选的，所述三轴姿态状态数据至少包括所述地热探针在三个方向的角速度、加速度、以及所述地热探针的姿态角、下落速度及深度。

8、在本发明中，优选的，所述基于所述三轴姿态状态数据，识别所述地热探针所处的姿态类型，包括：

9、对所述三轴姿态状态数据进行姿态解算与数据融合，构建所述地热探针的姿态状态向量，其中，所述姿态状态向量至少包括俯仰角、横滚角、角速度、下落速度及下落深度的状态参数；

10、基于所述姿态状态向量，对所述地热探针当前运动状态进行识别，并确定所述地热探针所处的姿态类型，其中，所述姿态类型至少为稳定下落姿态、倾斜姿态、径向侧旋姿态、轴向自旋姿态、螺旋旋进姿态及翻滚姿态之中的一种。

11、在本发明中，优选的，所述基于所述三轴姿态状态数据，确定所述地热探针所处的下落阶段，包括：

12、基于所述姿态状态向量，得到当前所述地热探针的综合姿态失稳指标；

13、基于所述综合姿态失稳指标以及所述三轴姿态状态数据，确定所述地热探针所处的下落阶段；

14、所述综合姿态失稳指标的计算公式为：

15、，

16、其中，j为综合姿态失稳指标，θ为地热探针的俯仰角，为地热探针的横滚角，ω为地热探针的角速度，v为地热探针的实时下落速度，v0为地热探针的预设期望稳定下落速度，σ1为俯仰角的权重系数，σ2为横滚角的权重系数、σ3为角速度的权重系数、σ4为速度偏差的权重系数。由于俯仰角、横滚角、角速度及速度偏差之间存在量纲差异，权重系数σ1、σ2、σ3和σ4分别根据参考俯仰角、参考横滚角、参考角速度和参考速度偏差进行确定，即σ1=w1/θref，，σ3=w3/ωref，σ2=w4/vref，其中，w1、w2、w3和w4为无量纲权重且其和为1；θref、、ωref和vref分别为根据地热探针结构参数及水池标定试验确定的参考值。

17、在本发明中，优选的，所述基于所述综合姿态失稳指标以及所述三轴姿态状态数据，确定所述地热探针所处的下落阶段，包括：

18、基于所述综合姿态失稳指标以及所述三轴姿态状态数据，确定所述地热探针所处的下落过程；

19、基于所述地热探针所处的下落过程，确定所述地热探针所处的下落阶段，其中，所述下落阶段分为自由下落阶段、姿态收敛阶段和触底预稳定阶段；

20、下落阶段的划分判定逻辑为：

21、若j＞j1，则判定为自由下落阶段；

22、若j2＜j≤j1，则判定为姿态收敛阶段；

23、若j≤j2且h≥h*，则判定为触底预稳定阶段；

24、其中，j为综合姿态失稳指标，j1为一级失稳分级阈值，j2为二级失稳分级阈值，h为实时深度，h*为触底预判深度阈值。

25、在本发明中，优选的，所述基于所述地热探针所处的姿态类型以及下落阶段，确定调用的尾翼控制分配策略，包括：

26、基于所述地热探针所处的姿态类型以及下落阶段，选取与所述地热探针所处的姿态类型以及下落阶段相匹配的预设的姿态控制策略，其中，所述姿态控制策略至少包括不同阶段对应的姿态控制目标及尾翼调节方式；

27、基于选取的所述姿态控制策略，构建尾翼控制分配策略。

28、在本发明中，优选的，所述基于选取的所述姿态控制策略，构建尾翼控制分配策略，包括：

29、基于选取的所述姿态控制策略，构建尾翼控制分配矩阵；

30、基于尾翼控制分配矩阵，将姿态状态参数映射为各尾翼的目标控制量，生成尾翼控制分配策略，其中，所述尾翼控制分配策略包括尾翼调节提供控制指令。

31、在本发明中，优选的，所述根据实时获取所述地热探针的三轴姿态状态数据，对调用的尾翼控制分配策略进行动态修正，直至所述地热探针完成下落过程，包括：

32、执行所述尾翼控制分配策略，即调整尾翼的展开状态；

33、实时获取所述地热探针在调节后的三轴姿态状态数据；

34、基于所述地热探针在调节后的三轴姿态状态数据，对所述尾翼控制分配策略进行动态修正；

35、直至所述地热探针完成下落过程。

36、根据本发明的第二方面，本发明提供如下技术方案：一种用于地热探针的分阶段下落姿态收敛控制系统，用于执行上述任一项所述的用于地热探针的分阶段下落姿态收敛控制方法，所述系统包括姿态感知模块、可调尾翼执行机构及姿态控制模块：

37、姿态感知模块，设置于地热探针上，用于实时获取所述地热探针在海水中自由下落过程中的三轴姿态状态数据；

38、可调尾翼执行机构，包括沿所述地热探针的尾部周向布置的若干个调节展开角的尾翼单元，用于执行尾翼控制分配策略；

39、姿态控制模块，分别与所述姿态感知模块和所述可调尾翼执行机构之间通信连接，用于根据三轴姿态状态数据，识别所述地热探针所处的姿态类型以及下落阶段，以及根据所述姿态类型以及下落阶段，控制可调尾翼执行机构执行调用的尾翼控制分配策略，并根据姿态感知模块实时获取所述地热探针的三轴姿态状态数据，对调用的尾翼控制分配策略进行动态修正，控制可调尾翼执行机构执行修正后的尾翼控制分配策略，直至所述地热探针完成下落过程。

40、在本发明中，优选的，所述姿态感知模块包括：

41、惯性测量单元，包括加速度计和陀螺仪，用于实时测量地热探针的三个方向的线加速度和角速度；

42、压力传感器，用于测量地热探针的周围海水压力值，并根据所述压力值，确定所述地热探针的当前下落深度及下落速度；

43、姿态融合计算模块，用于将所述惯性测量单元和压力传感器的数据进行融合解算，得到所述姿态状态向量。

44、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

45、本方法通过在地热探针进入海水后，通过根据实时获取的该探针的三轴姿态状态数据，识别该探针所处的姿态类型与下落阶段，进而确定并调用尾翼控制分配策略，并对该尾翼控制分配策略进行动态修正，直至该地热探针完成下落过程，实现了实时获取探针在下落过程中的俯仰角、角速度及运动状态信息，并依据不同下落阶段动态调整尾翼展开状态，利用流体作用力产生恢复力矩，实现探针姿态由初始状态向垂直方向逐步收敛，从而提高探针触底时的姿态稳定性和垂直贯入能力；而且，本发明以保证探针垂直插入海底沉积物为核心目标，在不依赖持续推进动力的前提下，充分利用探针自由下落过程中流体阻尼的可调控特性，实现了姿态的主动校正与稳定控制；通过降低海流扰动及初始姿态误差对探针下落过程的影响，减少倾斜贯入造成的贯入深度不足、探针弯折及接触热阻不均等问题，为海底沉积物温度梯度测量及热流参数获取提供稳定可靠的姿态保障。