本发明涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种姿态调整装置、方法及潜标系统。
背景技术：
锚定的潜标系统在水下是一个运动的平台，潜标底部(锚)固定不动，潜标的上部(包括缆绳和上面挂载的各种功能的传感器)随着海水的流动而产生运动，使得潜标水下姿态时刻变化。当潜标布放在强流海区时，潜标姿态会发生剧烈变化，严重影响潜标各功能传感器的工作效率，甚至导致传感器工作失效，潜标无法在强对流海区布站。因此，保障潜标能够在水下正常有效地工作，控制潜标姿态尤为重要。
技术实现要素：
为克服相关技术中存在的问题，本发明提供了一种姿态调整装置、方法及潜标系统。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种姿态调整装置，用于调整潜标的姿态，所述装置包括：
舱体，通过缆绳与潜标连接；
控制调整模块，用于获取潜标当前的姿态信息和海流信息，根据所述姿态信息和所述海流信息，发出姿态调整指令；
矢量推动器组，用于接收姿态调整指令，根据姿态调整指令调整相应矢量推进器的推水角度和转速，输出指定方向的矢量推力，以调整所述潜标的姿态；
其中，所述控制调整模块安装于所述舱体的内部，所述矢量推动器组安装于所述舱体的外部，所述控制调整模块与所述矢量推动器组通讯连接。
其中，所述矢量推动器组包括若干个矢量推动器，若干个所述矢量推动器分别固定安装于所述舱体的外侧的不同方向上；
其中，若干个所述矢量推动器分别与所述控制调整模块通讯连接。
其中，所述装置还包括：
测流模块，用于获取当前的海流信息发送至所述控制调整模块；
姿态传感器，用于监测所述缆绳，获取当前的姿态信息发送至所述控制调整模块；
其中，所述测流模块安装于所述舱体外的顶部，并与所述控制调整模块通讯连接，所述姿态传感器悬挂于所述舱体的外部，并与所述舱体内的控制调整模块通讯连接。
其中，所述装置还包括电源模块，
所述电源模块，用于给所述矢量推动器组、所述控制调整模块、所述测流模块和所述姿态传感器进行供电；
其中，所述电源模块安装于所述舱体的内部。
其中，所述舱体的形状包括流线型扁球体形状，所述舱体中心线的横向截面为圆形。
根据本发明的第二方面，本发明还提供了一种潜标系统，所述潜标系统的上部、中部及底部分别设置如第一方面任一所述的姿态调整装置。
其中，所述潜标系统还包括：浮体、水密电子舱、水声换能器、水听器阵列、海洋环境监测模块、浮球，声学释放器和锚系重块，
其中，所述浮体、所述水密电子舱、所述水声换能器、所述水听器阵列、所述海洋环境监测模块、所述浮球，所述声学释放器和所述锚系重块互相之间通过缆绳连接。
根据本发明的第三方面，本发明还提供了一种姿态调整方法，用于调整潜标的姿态，所述方法包括：
获取潜标的当前的姿态信息和海流信息；
根据当前的姿态信息和海流信息，确定所述潜标的当前的姿态；
根据所述潜标的当前的姿态，控制矢量推进器组输出矢量推力直至所述潜标姿态达到稳定状态。
其中，确定所述潜标的当前的姿态为稳定状态的方法包括：
判断所述潜标的当前姿态调整后发生偏转时的偏转角度与初始状态的偏转角度的差值未超过第一预设范围时，确定为稳定状态；
或者，
判断所述潜标的当前姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量与前一次姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量的差值未超过第二预设范围时，确定为稳定状态。
其中，所述姿态信息包括姿态偏移量，所述姿态偏移量包括潜标的水平方位倾角、潜标的垂直俯仰倾角中的至少一种；
所述海流信息包括海流速度大小、海流方向。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：通过时刻监测潜标姿态及海流变化时，主动做出姿态调整，以实现对潜标姿态的控制，提高潜标系统在强流海区变化的海流下潜标姿态的稳定性。
参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。
附图说明
并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据一示例性实施例示出的姿态调整装置的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的矢量推进器组的安装结构示意图。
图3是根据一示例性实施例示出的潜标系统的结构示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的姿态调整方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
常用的潜标水下姿态控制的方法是被动控制方法，一种方法是对潜标进行低流阻设计，即从材料和结构上进行优化设计，以减小海流对潜标的拉扯；另一种方法是采用增加正浮力、系留带、激流丝等方式来实现潜标姿态的稳定。但是，海流在方向和强度是时刻变化的，这种被动的控制方法不仅增加了系留缆索的拉力，而且抗流能力有限，无法实现潜标姿态随海流变化的自动调节。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种姿态调整装置，用于调整潜标的姿态，在潜标系统中配备姿态调整装置，通过时刻监测潜标姿态及海流变化，通过自身所产生的矢量推力，主动做出姿态调整，来控制潜标的姿态，可实现潜标在强烈变化海流中保持姿态稳定，提高潜标的工作效能和生存能力，降低潜标维护成本。
如图1所示，该姿态调整装置包括：舱体1，控制调整模块2和矢量推动器组3，舱体1的顶部和底部可通过缆绳7与潜标串联连接，舱体1具有耐压特性，能够承受深水的水压。舱体1内部可为密封腔，在下水后可提供浮力，控制调整模块2可安装于舱体1的内部，以保证控制模块2在深海下的恶劣环境中正常工作；矢量推动器组3安装于舱体1的外部，控制调整模块2与矢量推动器组3通过电缆进行通讯连接，控制调整模块2用于获取潜标当前的姿态信息和海流信息，根据姿态信息和海流信息，发出姿态调整指令给矢量推动器组；矢量推动器组用于接收姿态调整指令，根据姿态调整指令调整相应矢量推进器的推水角度和转速，输出指定方向的矢量推力，以调整潜标的姿态，可实现确保潜标在强对流海区中能够正常工作，提高了潜标的布站灵活性，以实现海洋全海域的综合观测与利用。
本实施例中的控制调整模块可通过相应传感器获取海洋深度、海流速度大小、海流方向，潜标姿态角度等信息。
本实施例中的缆绳可以为采用高强度的凯夫拉绳，其具有重量轻，强度高，尺寸稳定，收缩率低，机械性能好等优点。
本实施例中的矢量推动器组由多个方向的矢量推动器组成，矢量推动器的喷口可以向不同方向偏转，以产生不同方向的推力。
在一个示例性实施例中，舱体1的形状包括流线型扁球体形状，舱体中心线的横向截面为圆形，舱体可采用钛合金材料制作，强度高，耐海水腐蚀。
在一个示例性实施例中，矢量推动器组包括若干个矢量推动器，若干个矢量推动器分别固定安装于舱体的外侧的不同方向上。
本实施例中，由于姿态调整装置所在潜标的位置不同，矢量推动器组会产生不同的矢量推力，当矢量推动器组接收控制调整模块发来的姿态调整指令后，开启相应方向上的矢量推动器，以使矢量推动器的喷口向指定方向偏转，以产生该方向的推力从而控制潜标的姿态。
在一个示例中，如图2所示，为了满足姿态调整装置在调整潜标姿态时在横向和垂向的运动要求，矢量推动器组可以包括四个矢量推动器，四个矢量推动器分别固定安装在舱体中心线的横向截面和纵向截面正交的四个交点上，可通过控制不同矢量推进器的推水角度和推力的大小，进而通过组合调节矢量推进器来调整潜标在任意方向的姿态，提高水姿态调整装置的操纵性和机动性。
根据一个示例性实施例，参照图1，该姿态调整装置还包括：测流模块4和姿态传感器5。
本实施中的测流模块4安装于舱体1外的顶部，并通过电缆与控制调整模块2通讯连接，测流模块4可获取当前潜标所在位置的海流信息发送至控制调整模块2，其中，海流信息包括海洋流速大小、海洋方向。
本实施中的姿态传感器5悬挂于舱体的外部，并通过水密电缆与舱体内的控制调整模块进行通讯连接。姿态传感器5可绑缚在靠近姿态调整装置的缆绳上，例如绑缚在凯夫拉绳上，以监测凯夫拉绳，通过监测缆绳以获取潜标当前的姿态信息发送至控制调整模块；其中，姿态信息包括姿态偏移量，姿态偏移量包括潜标的水平方位倾角、潜标的垂直俯仰倾角中的至少一种。
根据一个示例性实施例，参照图1，该姿态调整装置还包括：电源模块6，电源模块可由若干节蓄电池组成，用于为姿态调整装置独立提供电能。电源模块可通过电缆分别为矢量推动器组、控制调整模块、测流模块和姿态传感器进行供电。
在本实施例中，姿态调整装置可为一个独立运行装置，不需要依靠潜标系统的其他设备来传递电能，成为自容式姿态调整装置，提高了姿态调整装置的使用灵活性。
根据一个示例性实施例，如图3所示，本实施例提供一种潜标系统，在本实施例中，该潜标系统使用三个姿态调整装置分别通过自身矢量推力控制上部、中部和底部的潜标姿态，以实现对不同部分潜标的姿态的控制。将姿态调整装置应用于潜标系统中，以控制潜标姿态，姿态调整装置的使用数量可根据使用需求进行设置。
本实施例中，潜标系统中的三个姿态调整装置构成三级姿态调整装置，将靠近潜标上部的姿态调整装置可称为第一级姿态调整装置，用来控制潜标上层的姿态。将靠近潜标中部的姿态调整装置可称为第二级姿态调整装置，用来控制潜标中层的姿态。将靠近潜标底部的姿态调整装置可称为第三级姿态调整装置，用来控制潜标底层的姿态。
根据一个示例性实施例，参照图3，该潜标系统包括从上至下通过凯夫拉绳200依次顺序连接的浮体201、第一级姿态调整装置202、水密电子舱203、水声换能器204、第二级姿态调整装置205、水听器阵列206、海洋环境监测模块207、第三级姿态调整装置208、浮球209、声学释放器210和锚系重块211。
本实施例中，通过在潜标系统中设置多级姿态调整装置，对潜标系统的上、中、下三个部分以不同方向的矢量推动器进行姿态平稳调节，以实现潜标姿态在整体上快速达到稳定状态。
其中，第一级姿态调整装置202的矢量推力大于第二级姿态调整装置206的矢量推力，第二级姿态调整装置205的矢量推力大于第三级姿态调整装置208的矢量推力。
本实施例中的可将潜标系统划分为基础模块和功能模块，其中，基础模块包括主控处理模块(图中未示出)、接口模块(图中未示出)、水下储能模块(图中未示出)、水密电子舱和系留结构。主控处理模块用来完成潜标系统状态的监测，以及预存储潜标功能单元指令以完成对潜标的各功能进行控制；接口模块提供多个通讯接口，以实现各模块间的接口连接；水下储能模块由若干节蓄电池组成，用于给潜标系统提供电能。
在本实施例中将主控处理模块、接口模块、水下储能模块及功能模块的各干端控制模块安装位于水密电子舱203的内部，以确保位于水密电子舱内的各个模块在深海下恶劣环境中的正常工作。系留结构为保障水密电子舱以及其他湿端设备在水中位置和深度稳定的支撑平台。系留结构包括：浮体201、浮球209、凯夫拉绳200、声学释放器210和锚系重块211。锚系重块用于将潜标系统固定在海底。声学释放器用于回收潜标时，将潜标系统的主体设备与锚系重块脱离，在浮球和浮体的浮力作用下，上浮至海面，待船只回收。
在本实施例中将水听器阵列206、水声换能器204、第一级姿态调整装置202、第二级姿态调整装置205、第三级姿态调整装置208和海洋环境监测模块207划分为功能模块。水听器阵列接收的水声信号和海洋环境数据，并将多路水声信号进行声电转换、前置放大和滤波，以获得多路模拟信号；水声换能器用于实现电声能量的转换，接收放大后的待发射水声信号，将其转换为声能量，向海水中辐射出去。海洋环境监测模块，用于监测海洋环境信息。海洋环境监测模块包括但不限于adcp、ctd、海底地震仪、生物传感器、化学传感器等。
根据一个示例性实施例，如图4所示，本实施例提出了一种姿态调整方法，用于调整潜标的姿态，该方法包括：
步骤401、获取潜标的当前的姿态信息和海流信息。
该步骤中，当潜标系统布放完成开始工作后，姿态传感器通过监测缆绳获取当前潜标的姿态信息发送至控制调整模块。测流设备实时检测潜标所在深海位置的海流信息，并将海流信息传递给控制调整模块。其中，姿态信息包括姿态偏移量，姿态偏移量包括潜标的水平方位倾角、潜标的垂直俯仰倾角中的至少一种；海流信息包括海流速度大小、海流方向。
步骤402、根据当前的姿态信息和海流信息，确定潜标的当前的姿态。
该步骤中，控制调整模块获取到潜标当前的姿态信息和海流信息，根据当前的姿态信息和海流信息，确定潜标的当前的姿态，以判断潜标当前姿态状态是否需要调整。可判断当前姿态发生偏转时的偏转角度是否大于阈值，当判断为是时，则需要对潜标的当前姿态状态进行调整；当判断为否时，则不需要对潜标的当前姿态状态进行调整。
步骤403、根据潜标的当前的姿态，控制矢量推进器组输出矢量推力直至潜标姿态达到稳定状态。
该步骤中，在确定潜标的当前的姿态需要进行调整时，根据海流变化情况以及潜标的当前的姿态，向矢量推动器组发出姿态调整指令，矢量推动器组接收到控制调整模块传递的姿态调整指令后，根据姿态调整指令内容，开启相应方向的矢量推动器输出矢量推力，对当前的潜标姿态进行调整，直至潜标姿态达到稳定状态。
在本实例中，通过实时对潜标姿态信息和海流信息进行监测，并及时检测潜标的当前的姿态，并判断潜标当前姿态状态是否需要调整，在判断潜标当前姿态处于不稳定状态时，及时控制矢量推动器组输出矢量推力对当前的潜标姿态进行调整，直至潜标姿态达到稳定状态，以实现对潜标姿态主动做出姿态调整，实现潜标真正意义上的自主姿态的控制，有效提升潜标的抗流能力及水下抗扰动能力。
在一个示例性实施例中，确定潜标的当前的姿态为稳定状态的方法包括：判断潜标的当前姿态调整后发生偏转时的偏转角度与初始状态的偏转角度的差值未超过第一预设范围时，确定为稳定状态；
或者，
判断潜标的当前姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量与前一次姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量的差值未超过第二预设范围时，确定为稳定状态。
本实施例中，在对潜标的当前的姿态进行调整后，还需要判断调整后的潜标姿态是否处于稳定状态，在对潜标姿态进行调整后，需要判断潜标的当前姿态调整后发生偏转时的偏转角度与初始状态的偏转角度的差值是否超过第一预设范围，当差值处于第一预设范围内时，则确定潜标调整后的姿态为稳定状态，不需要对潜标的当前的姿态再次进行调整。
其中，初始状态的偏转角度可为当前姿态调整前发生偏转时的偏转角度。
本实施例中，确定潜标的当前的姿态为稳定状态的方法，等效于求取姿态传感器输出的潜标姿态偏移量的最小值。在对潜标姿态进行第一次调整后，判断调整后的潜标姿态仍然处于非稳定状态，则需要对潜标姿态进行第二次调整，当对潜标姿态进行第二次调整后，需要判断潜标的当前姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量与前一次姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量的差值未超过第二预设范围时，确定为稳定状态。也就是说，在潜标的当前姿态第二次调整后发生偏转时的姿态偏移量与第一次姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量的差值未超过第二预设范围时，确定潜标调整后的姿态为稳定状态，不需要对潜标的当前的姿态继续进行调整。若在潜标的当前姿态第二次调整后发生偏转时的姿姿态偏移量与第一次姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量的差值超过第二预设范围时，需要对潜标姿态进行第三次调整，依次类推，直至在预设时间内，潜标的当前姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量与前一次姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量的差值始终处于第二预设范围内时，或者潜标的当前姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量与前一次姿态调整后发生偏转时的姿态偏移量的差值恒定不变，则停止对潜标的当前的姿态的调整，从而实现潜标真正意义的自主姿态控制。
其中，姿态偏移量为潜标的水平方位倾角或者为潜标的垂直俯仰倾角，第一预设范围、第二预设范围可根据实际情况具体设定，在此不做具体限定。
在一个示例性实施例中，由测流设备获取海流速度矢量
由姿态传感器获取姿态调整后的因海流引起的当前潜标的姿态偏移量
确定潜标的当前的姿态为稳定状态包括当矢量推动器组无修正推力时，此时姿态传感器输出的潜标姿态偏移量最小，潜标姿态达到稳定。
当姿态传感器输出的潜标姿态偏移量最小时，即求取
可采用最速下降法来求取优化问题，则选取初始矢量推力
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
