伴随着国内外海洋事业的高速发展,水下机器人已经成为海洋开发与探测的重要工具。自治式水下机器人(AUV:Autonomous Underwater Vehicle)由于其工作范围大,机动灵活性强,智能化程度高等特点受到人们的关注。由于AUV无人无缆工作在海洋环境中,一次下潜作业携带的能源有限,AUV的节能技术受到该领域研究者重视。同时,在复杂海洋环境中保障自身安全已成为AUV研制和应用过程中所追求的一项重要指标。研究基于浮力调节的AUV大潜深升沉运动控制与安全抛载技术具有重要的研究意义和使用价值。本文针对基于浮力调节的AUV大潜深升沉运动控制与安全抛载技术开展了以下研究工作:(1)分析了国内外水下机器人的浮力调节技术与安全抛载技术发展现状,总结了浮力调节装置与安全抛载装置的特点。分析了储水系统液位控制技术的发展现状及其在浮力调节液位控制中由于应用环境复杂且高外压所造成的水量调节精度降低的问题。提出了增压海水泵式浮力调节系统与抛载式安全抛载系统的总体设计方案,并研制了试验样机。(2)针对系统在深海环境下的使用要求,完成浮力调节液压系统及安全抛载系统组成元件的选型与设计。针对前期研制的压力平衡阀存在使用寿命短,弹簧易被腐蚀等问题,进行新型压力平衡阀设计。针对爆破片爆破压力值与使用压力值存在较大偏差以至于降低无源抛载精度的问题,研究无缘抛载机构的新型触发方式。为解决系统中油齿轮泵进油口压力不足的问题,研制油路蓄能器。针对耐压水舱内液面的波动问题,研究液位计浮球的结构改进方法。针对海试中机电混合控制抛载机构铁盘因海水腐蚀而出现压载无故掉落问题,研究铁盘防海水腐蚀方法。由于AUV载体为复杂的集成系统,为满足系统集成装配模块化要求,研究浮力调节及安全抛载系统的装配方案。(3)针对液压动力源不能承受深海高外压的问题,完成增压泵低压回路的耐外压设计与齿轮泵轴封的高压动密封设计,并通过试压验证其耐压性。进行液压动力源输出功率计算,验证其是否满足系统的输出功率要求。为提高系统的工作效率,实现液压系统流量在低压管路和高压管路的双路供给,同时降低输出脉动,设计新型海水增压器。针对液压系统存在脉动问题,研究液压脉动被动减振技术,并提出一种谐振式销振器与干涉式销振器相结合的减振方案。为检验其减振效果,进行基于AMESim软件的仿真。针对存在AUV触底而无源抛载装置未达到极限深度的情况,研制机械定时式无源抛载机构,在有源信号中断时也能实现压载重物的定时抛弃,使无源抛载机构同时具备定深和定时两种抛载模式。为提高无源抛载机构自身的可靠性,研究多级双模触发无源抛载技术,即以冗余的联接方式,提高无源抛载的成功率。(4)针对不同水深造成的负载压力对电机转速和液压动力源容积率的影响,本文建立海洋深度影响下的浮力调节压载舱水量控制系统数学模型。针对系统原有比例控制方法存在控制精度低的问题,本文研究并设计适用于海洋环境下浮力调节定量控制的PID控制器和滑模模糊控制器。为验证PID控制器和滑模模糊控制器控制效果,本文分别在无负载、10MPa负载和幅值1MPa随机干扰这三种情况下,利用Matlab分别进行两种控制器的水量控制仿真,并将系统在调节速度、调节精度和抗干扰能力三方面的仿真结果进行对比分析。(5)为验证增压泵的排水能力,在无负载和10MPa负载下分别进行增压泵的排量实验,并对比两种条件下的实验结果。由于压力阀门在临近设定压力时会产生一定的泄漏,从而造成抛载深度误差,且AUV载体有距海底50m工作的任务,要求抛载深度误差小于50m,针对这一要求,完成阀门开启特性实验。针对机械定时式无源抛载机构在高压环境下的定时抛载要求,进行触发阀门在高压环境下的定时开启实验。为检验负载下浮力调节水量控制精度,进行10MPa压力下水量调节实验。为检验浮力调节与安全抛载系统装艇集成后的性能,进行10m水池装艇联调实验研究与验证。为验证浮力调节与安全抛载系统在复杂海洋环境中的可靠性,进行实际海域实验。