（机械电子工程专业论文）多驱动潜器的研制及其悬浮控制实验研究.pdf

摘要 升沉补偿是深海采矿技术中尚需解决的关键技术之一。升沉补偿系统需要检 测采矿船的升沉运动，作为升沉补偿控制的输入信号。但在深海环境，难以找到 合适的静止参考坐标作为基准。因此，如何建立静止参考坐标是深海采矿补偿系 统研究的重点之一。本文对静止参考坐标的作用和要求进行了分析和研究，在参 考课题组前期研究的基础上，着重在潜器悬浮稳定控制上开展模拟实验研究。主 要研究内容如下： ( 1 ) 根据“零波面”条件，研制了多驱动潜器，本文称之为金鱼2 号。着重 在机械与电气部分，主要包括深度位置检测系统、变体积调节控制系统、螺旋桨 推进控制系统硬件的硬件研制和软件开发、设计漏水检测和电源装置等。 ( 2 ) 开展了悬浮控制模拟实验研究，用v i s u a lb a s i c6 0 语言与c 语言，开发 了金鱼2 号的悬浮控制实验软件平台。通过这个平台可以选择p i d 、模糊和比例 一模糊一p i d 等控制方式，对金鱼2 号进行深度位置控制，可以实时显示金鱼2 号的活塞和螺旋桨的工作状态、金鱼2 号的实际深度控制状态。 ( 3 ) 对实验结果进行了分析总结，表明比例一模糊- - p i d 控制效果好，最后 探讨了下一步的研究工作。 本文所做的多驱动潜器的研究工作，取得了大量的实验数据，为今后研究升 沉补偿系统的参考基准提供了有效的参考。 关键字：遥控潜器；悬浮控制；升沉补偿；深海采矿 a bs t r a c t h e a v ec o m p e n s a t i o ni so n eo ft h ek e y st ot e c h n o l o g yt h a tn e e dt os o l v ei n d e e ps e am i n i n g h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mn e e d st og e tt h eh e a v em o t i o n s i g n a lo ft h em i n i n gs h i p a saf e e d b a c kt oc a r r yo u tt h ec o m p e n s a t i o n c o n t r 0 1 t of i n das t a t i cr e f e r e n c ec o o r d i n a t ei nt h ed e e ps e ae n v i r o n m e n ti s i m p o r t a n ta n d a l s od i f f i c u l t b a s e do n t h ef u n c t i o na n dr e q u i r e m e n to ft h e p a p e ri sf o c u s e do nm o d e le x p e r i m e n t p a p e r a r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： t h ew o r kb e f o r e a n da f t e ra n a l y s i so f u n d e r w a t e rv e h i c l e ，t h ew o r ki nt h e r e s e a r c h e s t h em a i nc o n t e n t so ft h i s ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so ft h e “z e r ow a v ep l a n e ”，am o d e l u n d e r w a t e rv e h i c l e ，b a p t i z e dg o l d f i s hi i ，i s d e v e l o p e d f o re x p e r i m e n t r e s e a r c h e s t h e d e v e l o p m e n t o f g o l d e n f i s hi i s s u b - s y s t e m s o ft h e m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls e t u p ，w h i c ha r ec o n s i s t e do ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g no fad e p t h - m e a s u r i n gd e v i c e ，av o l u m e a d j u s t i n gd e v i c e ， p r o p e l l e r s ，al e a km o n i t o rd e v i c ea n dap o w e rd e v i c e ( 2 ) w o r k si n m o d e l e x p e r i m e n t s o nt h es t a t i o nk e e p i n gc o n t r o li s c o m p l e t e d m a i nt a s k si n c l u d e ：b u i l d i n gae x p e r i m e n t a ls o f t w a r ep l a t f o r m b ym e a n so fv i s u a lb a s i ca n dc 51 ，w i t hw h i c ht h ea l g o r i t h mc a nc h o s e n f r o mp i d ，f u z z ya n dp r o p o r t i o n f u z z yi np i df o rc o n t r o lo fg o l d e n f i s hi i i ns t a t i o n k e e p i n g a l s ot h e r ei sar e a l t i m ei n d i c a t i o no ft h es t a t u so ft h e p i s t o na n dp r o p e l l e r ，a n dt h es t a t ec h a n g eo ft h er o v i nd i s p l a c e m e n t ( 3 ) a n a l y s i sa n ds u m m a r i z a t i o no fe x p e r i m e n tr e s u l t s ，i te x p r e s s e dt h a t t h e a l g o r i t h m o f p r o p o r t i o n f u z z y i np i di s b e t t e r f i n a l l y ，s o m e e x p l o r a t i o ni nf u t u r er e s e a r c hi sd i s c u s s e d w h a ti sf u l f i l l e di so b t a i n e dag r e a ta m o u n to fe x p e r i m e n td a t a ，a n dt h a t i sh e l p f u lf o rt h ef u t u r er e s e a r c ho nt h er e f e r e n c ec o o r d i n a t ef r a m eo ft h e h e a v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mi nt h ed e e p s e am i n i n g k e yw o r d s ：r o v ；s t a t i o nk e e p i n gc o n t r o l ；h e a v ec o m p e n s a t i o n ；d e e ps e am i n i n g 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科研道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字：7 易建军 论文作者签字：涉， 拨 2 0 0 7 年0 5 月2 0 日 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 全球经济的发展导致人类对资源的需求与日俱增，虽然人们仍能在陆地上发 掘出大量的资源，但是随着消耗的增加，陆地资源已不能满足人类的长期需要。 因此，人们把目光投向了海洋。 海底的矿产资源有着巨大的储量，具有重要的经济价值。据初步估计，在太 平洋、大西洋、印度洋大陆架一带常年沉积的锰结核资源量约1 万至1 5 万亿吨， 其中有经济价值的约3 0 0 0 亿吨。每1 0 0 万吨锰结核可获得2 7 万吨锰，1 6 万吨镍， 1 3 万吨铜，2 8 0 0 吨钴【1 】。因此，如何开采这些资源就成为各国竞相研究的重要课 题。 1 1 1 集矿机加管道的采矿系统 深海矿藏的开采可以参考近海钻井技术嘲。但是深海采矿中收集矿物的集矿技 术和把矿物传送到海面采矿船的扬矿技术是尚待解决的关键性问题。多年来。各 国投入了大量的人力、物力取得了一定的研究成果。文献【3 】中提到了3 种较有代 表性的采矿系统方案：连续绳斗式( c l b ) 开采系统、自动穿梭式采矿车开采系 统和集矿机加管道输送采矿。其中集矿机加管道输送采矿被认为是具有更高的效 率和可靠性州。它由集矿机、输送软管、中继仓、扬矿管及采矿船等等组成。集矿 机在海底采集矿物，然后在集矿机里对矿物进行清洗脱泥和破碎，经软管输送到 连接于刚性扬矿管下端的中继仓，最后矿物经过扬矿管输送到海面的采矿船上【，】， 原理如图1 1 所示。 但该方案存在比较突出的技术问题就是采矿船随波浪运动使得扬矿管产生拉 伸和弯曲变形甚至疲劳断裂，直接影响扬矿管的稳定性和可靠性，影响整个采矿 系统的正常运行。 ，2 1 f i 4 6 1 。 全 一6 l 啻 1 采矿船 2 扬矿管3 提升泵4 电缆5 中继仓6 输送软管7 集矿机 图1 1 水力提升式采矿系统原理图嘲 f i g 1 一lp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i c l i f t i n gm i n i n gs y s t e m 解决这个问题，可选用阶梯式的扬矿管和合理的中继仓外形吲、可采用弹性接 头m 或加装升沉补偿系统【q 。其中，升沉补偿系统被认为是最有前景的方案m 。但 主动补偿系统需要一个参考坐标作为基准，用以获取浮式采矿船运动位移作为控 制信号，并送到补偿装置实现升沉补偿控制。 1 1 2 升沉补偿参考坐标的选择 目前应用于海洋中物体位置铡定的主要方法有以下几种： ( 1 ) 船载蓝绿激光技术能在海水中有效传播的光是蓝绿激光，但由于蓝绿 激光在水中衰减大，有效测深一般不大于1 5 0 米。因此蓝绿激光技术难以直接应 用于大洋深海环境下，在测量采矿船升沉位移中也难以对焦。 ( 2 ) g p s 全球定位直接用人造卫星全球定位系统( g p s ) 进行检测，但其精度 在士5 米左右依托基站，g p s 全球定位系统可以准确得到海面上物体的准确高度 2 第一章绪论 位置，精度可以达到厘米级。但g p s 需要跟卫星以及地面通信校准数据，时间滞 后很大，无法满足升沉补偿系统的实时性要求。 ( 3 ) 岸基雷达定位以陆地作为参照物，依托陆地上无线电基站检测对海中 运动物体进行高度检测。由于海洋采矿区远离海岸，以岸基雷达系统测量船只的 纵向定位精度在1 5 m 左右m l ，这是无法达到升沉补偿系统要求的。 ( 4 ) 海底基定位目前应用的水声定位系统主要有超短基线( s u p e r u l t r as h o r t b a s e l i n e ) 、短基线( s h o r tb a s e l i n e ) 及长基线( 1 0 n gb a s e l i n e ) 三类。不同的水声 定位系统有着不同的工作原理和方式，而定位精度也有所不同。其中超短基线使 用方便灵活，尤其适用于深海矿产资源的调查和开发。但我国注册登记的太平洋 海域，多金属结核矿位于5 0 0 0 6 0 0 0 米深的海底。若采用上述海底基系统的三种 方法检测采矿船的升沉位移，测试仪精度为万分之一时，检测误差达l 米；水声 信号往复全程应答器耗时约7 秒，实时性也不满足要求。 综上所述，以上各种方案均难以直接应用于检测深海采矿的升沉运动。广东 工业大学，基于“零波面”理论，提出了基于潜式坐标检测采矿船升沉运动的方 案，见图1 2 。其工作原理是：在“零波面”处放一潜器，在潜器和采矿船上分别 安装超声波发射装置和应答器，通过计算超声波应答器接收到超声波的时差，可 以求得采矿船相对于潜器的坐标，经坐标转换可得绝对坐标。 所提的方案，需要解决的问题有：需要分辨率和精度高的程差测量方法；为 了保证坐标系o - - x y z 和c 一删对应的坐标轴平行，需要控制潜器的姿态稳定；由 于超声波信标的发射角有一定范围与超声波发射有指向性，也需要控制潜器的姿 态和位置。为减少多普勒效应对测量精度的影响，需要潜器的位置稳定控制；由 于潜器的姿态控制结果不可能使两个坐标系对应的坐标轴完全平行，需要修正坐 标。 在以上需要解决的问题可用以下的方法加以解决。潜器在水平面位置控制已 经有许多动力定位的方法可以参考。姿态带来的问题可以用万向结构支承超声波 信标加以解决。修正坐标需要测量坐标系三个欧拉角的变化，已经有陀螺仪与电 罗经可用。可见分辨率高和精度高的程差测量方法( 与扩大基阵单元有效间距有 关) 及潜器的深度位置稳定控制( 即悬停控制) 是尚待解决的关键问题。本文着 重对潜器的深度位置稳定控制技术难题开展研究。 广东工业大学工学硕士学位论文 图1 2 采矿船升沉位移检测简图 f i g1 2 h e a v em e a s u r e m e n to fm i n i n gs h i p 1 2 国内外相关研究 近几十年来，我国在潜水器技术方面取得了很多成就。1 9 8 7 年，国家海洋局 研制了深海4 0 0 0 米测流潜标 1 0 i ；1 9 9 5 年8 月研制了最大工作水深6 0 0 0 m 的第一 套无缆自治水下机器人，并在中国南海完成了海上试验及课题验收】。2 0 0 0 年， 中国船舶科学研究中心做了水下机器人的视觉定位方面的研究 1 2 ，；同年，上海交 通大学建立了水下机器人基于视觉的水下管线识别与定位系统并进行了仿真 1 3 1 ； 2 0 0 1 年，哈尔滨工程大学，对潜器母船动力定位自动控制系统进行了研究，实现 了工作母船定向航行、动力定位及自动跟踪r o v 【1 4 ，：两年后，该大学提出运用g p s 和超短基线等设备实现潜器水下高精度定位的方案，给出了完整的定位解算数学 模型和进行了误差仿真分析。2 0 0 2 年，中国科学院对采用英国s o n a r d y n e 公司的 超短基线( u l 仃a s h o r tb a s el i n e ) 实现r o v 动力定位的可行性进行了研究；2 0 0 3 年，中国科学院沈阳自动化所研制了我国第二套水下6 0 0 0 m 机器人m 1 ：同年，海 军工程大学采用参数自整定的模糊控制对潜器动力定位进行了仿真。2 0 0 4 年， 4 第一苹绪论 中国科学院对载人潜器动力定位进行了模糊自适应p i d 控制的应用研究。 国外主要集中在深潜技术和视觉技术等方面的研究：1 9 9 3 年，日本研制出第 一个潜深1 0 ，0 0 0 m 的“海沟”号无人潜水器f l l 】。随后日本、法国和美国都相继成 功开发了6 0 0 0 m 级的载人深潜器，英国和意大利共同研制成功装有声纳和电视传 感器，并能在水下6 0 0 0 m 处工作2 5 0 小时的水下机器人【- 9 1 。1 9 9 8 年，美国b r i g h a m y o u n g 大学，研究水下机器人的位置非线性最优控制【2 0 】；1 9 9 9 年，美国m i a m i 大 学，研究了水下潜器位置保持的视觉技术 2 t 训；2 0 0 1 年，在韩国举行的机器人与 自动化国际会议上，j e l o t s 做了有关水下机器人位置保持的2 d 视觉伺服系统的 报告；2 0 0 2 年，在瑞士举行了智能机器人系统研讨会上，x a v i e rc u r l 做了基于视 觉的水下无人机器人的位置保持的报告【2 1 。 与潜式坐标最相近的研究有文献【2 7 2 8 】，它们介绍了a r g o ( a r r a y f o r r e a l t i m eg e o s t r o p h i co c e a n o g r a p h y ) 全球海洋观测网的技术和最新进展，其关键探 测器为p a l a c e ( 自律式拉格朗日环流剖面观测) 浮标，它在布放后自动潜入2 0 0 0 m 深处的等密度层，随海流保持中性漂浮，到达预定时间仪器自动上升直至水面， 中性漂浮时深度变化范围约2 0 米。a r g o 浮标用于长期、自动、实时和连续获 取大范围、深层海洋资料。 可见国内外对潜器的研究，主要集中在其的动力特性、航行特性、航向控制 方法、深潜性能和视觉方面。而对潜器作参考基准的研究，本课题组进行了一些 前期研究，研制了第一代潜器，并用模糊p i d 进行了模拟实验，但由于第一代潜 器只是通过变密度调节装置来控制潜器的悬浮稳定，过渡时间长。因此，本文研 制了第二代潜器，在本文命名为金鱼2 号，它不仅有变密度调节装置还有螺旋桨 驱动装置。 1 3 本课题的来源 本论文的研究工作是国家自然科学基金项目“深海采矿工程升沉补偿系统的 研究”( n o 5 9 9 7 5 0 1 8 ) 的研究内容之一，是广东省教育厅自然科学基金项目“海 洋水下潜式坐标的研究”( n o z 0 3 0 2 5 ) 的研究内容的一部分。 5 1 4 论文主要工作及论文结构 1 4 1 主要完成工作 1 对研究内容进行调研，搜集国内外相关资料，为研究工作提供参考； 2 根据金鱼2 号的运动控制要求， 3 为实现对金鱼2 号的运动控制， 4 建立金鱼2 号的模拟实验环境， 1 4 2 论文结构 设计金鱼2 号的电子电气系统； 设计金鱼2 号的运动控制及相关程序； 并对其进行悬浮控制实验研究。 本论文共分五章。第一章绪论叙述论文研究的背景、研究目的和意义，介绍了 国内外相关领域的研究现状与本课题的来源；第二章介绍了水下机器人的坐标系 及其在水中的运动描述；第三章介绍了金鱼2 号的机械系统，包括金鱼2 号的壳 体、变体积调节系统和螺旋桨推进系统等；第四章介绍了金鱼2 号的电子电路系 统，包括金鱼2 号的深度检测系统、变体积调节控制系统、螺旋桨推进控制系统、 漏水监控和电源装置等；第五章建立了金鱼2 号的模拟实验环境，并分别用数字 p i d 、模糊控制和比例一模糊一p i d 等控制方法对其进行了控制实验研究，最后为 结论与展望。 6 第二章水下机器人的动力学简介 第二章水下机器人的动力学简介 2 1 坐标系及坐标变换 2 1 1 坐标系 在讨论水下机器人运动学问题时，首先需要确定个惯性参考系。根据不同 的坐标系和选取不同系列的运动要素符号，则描述水下机器人运动的模型也不相 同。这里以地面坐标系( e 一翻f ) 作为惯性坐标系。地面坐标系有时也称为静坐 标系。静坐标系的原点e 可取地面、海面或海中的任意一点；彤轴的正向沿水平 面朝地理东方向：勖轴位于e f 轴所在的水平面内，且与霹轴相垂直，其正向按 右手法则确定；吖轴与善却平面垂直，正向指向远离地心。e 一翻f 成右手直角 坐标系。 为了讨论问题的方便，本文还采用了另外两个坐标系，即运动坐标系( 简称 动坐标系) 0 一x y z 和速度坐标系0 一b c d 。动坐标系的原点0 固联于水下机器人。纵 轴o x 与水下机器入主对称轴取向一致，正向指向前方；横轴掣与辅助对称轴取向 一致，正向指向右方；铅垂轴o g 正向指向水下机器人的顶部。0 一x y z 也构成一个 右手直角坐标系。坐标轴o x 、0 2 1 、o z 为水下机器人的惯性主轴。速度坐标系的原 点与动坐标系原点重合，曲轴的方向可取水下机器人的前进方向，其他两个方向 可以任意选取。 在运动坐标系中原点的速度矿在工、y 、z 轴上的投影分别表示为甜、1 ，和w ， 角速度q 在工、y 、z 轴上的分量记为p 、q 和r 。力，和力矩肘与其各轴对应的 力和力矩的分量分别用z 、r 、z 和k 、膨、表示。速度和力的方向与坐标轴 的方向一致，角速度和力矩的方向按右手定则判定。 动坐标系和速度坐标系的原点有速度、加速度、角速度、角加速度，它们不 是惯性坐标系，牛顿第二运动定律在这两个坐标系中不适用。因此，首先应当在 静坐标系中建立运动方程然后转换到动坐标系中去，为此我们将在下面讨论坐 标变换问题【2 l 。 7 2 1 2 坐标变换 图2 1 坐标系 f i g 2 - lc o o r d i n a t es y s t e m 在讨论水下机器人空间运动方程时，为了不失一般性，认为动坐标系的原点 不设在水下机器人的重心g 上。水下机器人的空间位置取决于动坐标系原点0 在 静坐标系中的三个分量乞、仉、，以及动坐标系对于静坐标系的三个姿态角妒( 横 倾角) 、口( 纵倾角) 、矿( 艏向角) 。 不同坐标系之间进行的转换在很多书籍中都有推导。这里只给出结果。设在 动坐标系中有矢量乞可以列矩阵乞= k 】7 表示，则该矢量从动坐标系到静坐 标系的坐标变换矩阵写为： c v c o c i f ，s 8 s 9 一邓c 9 唧s e 印哪s 妒 = is y c 0 彤j 夙妒一缈印彤j 如妒一缈印i ( 2 1 ) i s 口栅妒 c 6 k 妒 l 肛阱目 亿2 ， 8 第二章水下机器人的动力学简介 又称为方向余弦矩阵。 2 1 3 速度和加速度的坐标变换 假设经过缸时间增量，坐标系转到新的位置，这时方向余弦矩阵o + f ) ， 根据定义： ：等：t i m c 。( t + a t ) - c ：( t ) ( 2 4 ) 。”f a t - - 0 a t 。 在出时间内转过的角度为微量，因此： c ：( t + a t ) = ( f ) 口+ y 】 ( 2 5 ) 代入( 2 4 ) 得到： = l i r a a 址矿= q 弼 ，= x ，+ x f 。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 将( 2 6 ) 式代入( 2 7 ) 式后得： 尸= ( 户。+ q ，)( 2 8 ) 式( 2 8 ) 括号中第一项为动坐标系中的微商，第二项为角速度引起的牵连速 度，以下讨论有角速度和加速度的情形。 对( 2 8 ) 式再微分得： j ：= ( ，。+ f 2 x r 。+ q ，。+ d x d x r o ) ( 2 9 ) 式中： 严动坐标系加速度； o x 尸牵连角速度和相对速度引起的哥氏加速度； q ，o 牵连角加速度引起的切线加速度； 1 3 x f 2 x r 4 一一牵连角速度引起的向心角速度。 9 o f g ， 。l u l n = q 1 1 ： 广 中 知 式 已 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 水下机器人在合力作用下的空间运动表达式 在动坐标系中的坐标为x o 、y o 、。根据式( 2 4 ) 从静坐标系看，重心的速度由 圪= 矿+ q ( 2 1 0 ) q - - - - 连速度。 吃= 警= 丢+ q 民) = 矿+ q y + 盎+ q ) ( 2 1 1 ) 叫三甜( w q v r ) i + ( u rw p ) j + ( v pu q ) k 立月。= 三曼j 三 = c 垂乙一6 。弦+ c 向咯一p ，+ c j 一圣b ，七c 2 t 6 ， 1 0 第- - l t 水下机器人的动力学简介 o x ( 0 ) =； 囊乏l ，k 匕曼 = q ( p y s 掣咯) 一r ( r x , 一p z s 冲+ r ( q z s r y e ) ( 2 1 7 ) 一p ( p y z 目哆f ) 】_ ，+ 【p ( 7 一p z g ) 一q ( 目一7 k ) 】j 将以上关系式代入( 2 1 2 ) 式，就可以得到动坐标系中的三个分力的表达式： 石= 聊一 + 叼一( 碍2 + ，2 ) + 以( p 窖一户) + 乙( p r + 口) 】 ( 2 1 8 ) r = 辨【矗一w p + u r 一以( p 2 + r 2 ) + z g ( p r 一声) + ( p g + 产) 】 ( 2 1 9 ) z = m f i , 一u q + v p z g ( p 2 + 9 2 ) + x g ( r p 一+ 咒( w + 声) j ( 2 2 0 ) 同理，外力对原点的力矩m 。和外力对重心的力矩m 。有如下的关系： m = + 心x f( 2 2 1 ) 外力对重心的动量矩为： 岛= k p i + k + 乞聩 ( 2 2 2 ) 式中，k 、k 和k 分别是对应轴的转动惯量，根据转动惯量的移轴定理则 有： l = k + m 0 圣+ ) ( 2 2 3 ) 儿= + 聊暖+ ) ( 2 2 4 ) t = 乞+ 柳( + ) ( 2 2 5 ) 代入式( 2 2 2 ) 并考虑： 心2 詈 ( 2 2 6 ) 即可得到： k = t 户+ ( t i y ) q r + m y s ( f i , + v p u q ) 一z g ( 9 + u r 一p ) 】 ( 2 2 7 ) m = 圣+ ( t i t ) r p + m z s ( ( f + w q + v r ) 一x g ( w + v p 一叼) 】 ( 2 2 8 ) = 1 2 + 以一l ，) p q + m x 8 p + 一w p ) 一y g ( 吱+ w q v r ) 】 ( 2 2 9 ) 式2 1 8 、2 1 9 、2 2 0 、2 2 7 、2 2 8 、2 2 9 即为水下机器人6 自由度的运动方程。 观察上述6 个方程不难看出。水下机器人任意一个自由度的运动都和其他自由度 运动有关，也就是说在6 个自由度之间存在交叉耦合。 p k ， 广东工业大学工学硕士学位论文 2 3 本章小结 由上文的推导知，水下机器人的6 个自由度有耦合性。结构对称可以减小耦 合性，这为研制金鱼2 号提供了设计原则。此外，金鱼2 号的速度低，在结构对 称时，三个移动的自由度可以看作为解耦的，这为单独研究悬浮控制提供了基础。 上文假定在零波面以下工作，所以金鱼2 号的运动控制试验可以在静水环境下进 行。 第三章金鱼2 号的机械系统设计 第三章金鱼2 号的机械系统设计 3 1 金鱼2 号的机械结构功能简介 金鱼2 号机械结构主要由壳体、变体积调节系统和推进器三个部分组成。壳 体主要有3 个作用：( 1 ) 提供个密封的耐压仓，用来装置电子元器件及检测设备； ( 2 ) 用于固定上下螺旋桨和活塞，起到支架的作用：( 3 ) 提供浮力，是金鱼2 号的主 要浮力提供者。变体积调节系统，主要用于补偿由于水介质的特性( 压力、温度) 及排水体积的变化而引起的剩余浮力( 正的或负的) ；作为微动力，通过改变金鱼2 号的体积改变其浮力。而推进器则是金鱼2 号作升沉运动的主要驱动力。 图3 1 金鱼2 号的三视图 f i g 3 - 1t h r e ev i e wo ft h eg o l d e n f i s hi i 3 2 金鱼2 号的总体布局 a ) 金鱼2 号的三维前视图b ) 金鱼2 号的三维后视图 一 ， ? 广 什硼日 i 一i 一 闩m旧 u l j ， ， z c ) 布置框图d ) 布置框图 1 传感器2 下左螺旋桨3 下右螺旋桨4 左活塞5 右活塞6 上螺旋桨电机驱动 器7 下螺旋桨电机驱动器8 变体积电机驱动器9 电气电路板1 0 干电池1 1 上 螺旋桨驱动装置1 2 电源1 3 左上螺旋桨1 4 电缆接口1 5 上右螺旋桨1 6 下螺旋 桨电机驱动器17 变体积电机驱动器18 变体积驱动装置 图3 2 金鱼2 号总体布置图 f i g 3 - 2m a i nl a y o u to ft h eg o l d e n - f i s hi i 1 4 第三覃金鱼2 号的机槭系统设计 总体布局对金鱼2 号的使用性能有非常重要的影响，其布局的优劣直接影响 到系统的总体性能。金鱼2 号的总体布置主要考虑了以下3 个因素： ( 1 ) 结构对称。 ( 2 ) 布置紧凑，充分利用金鱼2 号各部分空间，以保证各种装置便于操作， 又避免干扰和影响。 ( 3 ) 最大程度地发挥各种装置和仪器的技术性能。 金鱼2 号的总体布置图，如3 2 所示，上左螺旋桨1 3 和下左螺旋桨1 与上右 螺旋桨1 5 和下右螺旋桨2 关于z 轴对称，上左螺旋桨1 3 、下左螺旋桨l 、上右螺 旋桨1 5 和下右螺旋桨2 自身相对与z 轴对称，上螺旋桨电机驱动器1 1 和下螺旋桨 电机驱动器1 6 相对于z 轴对称、变体积电机驱动器1 7 与跟其重量相当的采集卡 和螺旋桨、变体积控制器9 相对于z 轴对称，左活塞3 和右活塞5 相对于z 轴对称。 因此，水下机器人总体在x 轴和y 轴上是平衡对称的。而变体积驱动器的重量约等 于下螺旋桨驱动器与变体积电机驱动器的重量之和，因此水下机器人的中心大抵 落在z 轴方向上，靠近底部的1 3 处。 3 3 壳体设计 3 3 1 形状的选择 金鱼2 号的壳体用来提供一个密封的耐压仓，装置电子元器件及检测设备。 因此壳体要有足够的强度和可靠的密封。同时，壳体也是浮力的主要提供者，而 它的重量也占金鱼2 号重量的很大比例。所以壳体的结构形式、强度和密封，对 金鱼2 号性能是至关重要的。 潜器的壳体可以采用立方体、椭圆体、球体、圆柱体或其他形体。形体的选 择取决于两个主要因素，( 1 ) 潜器的最大设计深度；( 2 ) 水下机器人的有效负荷， 而这两个数值是根据潜器的基本使命及其作业深度决定的。 立方壳体虽然容易加工，工艺性好，但从应力和获得的重量排水比值( w 们 角度考虑，却不那么理想。另外，其与水作用的阻力较大，动态性和稳定也不好。 球形壳体具有稳定性高和密度小的特点，即从应力和获得最小的重量排水比 值( w v ) 角度考虑，球形壳体最佳一。球形壳在匀压下大部分区域的两个方向的 广东工业大学工学硕士学位论文 中面主应力相等，且是同样半径圆柱壳周向中面应力的一半，因而材料得到充分 利用。在相同材料下，它比其他形状的壳体的重量与排水量之比w d 要小，故适 用于大深度的水下机器人。另外，它便于制造壳体的杯型管接和进行应力的分析 但不利于内部舱室的布置，不易加工制造，水中的运动阻力大。 椭圆形壳体虽然没有球形壳体那么小的重量排水比值，也没有球形壳体那么 好的耐压性，但椭圆形壳体在轴线方向上具有很好稳定性。其应力和重量排水比 值、稳定性和工艺性都介于球型壳体和圆柱型壳体之间，是较理想的壳体外型。 圆柱形壳体具有对称性，内部空间便于布置仪器，空间利用率高，加工比较 容易等，虽然其耐压性能没球形好，但可通过加强筋增强其强度。 a ) 壳体的立体图 b ) 相片 图3 3 金鱼2 号的壳体 f i g 3 3h u l lo ft h eg o l d e n f i s hi i 由于在本项目中水下机器人的下潜深度最多只有1 5 米，对抗压强度的要求不 高，并且运动限定在一个方向。而圆柱形壳体具有内部空间便于布置仪器，空间 利用率高，加工比较容易等优点，因此，是金鱼2 号理想的壳体结构。 1 6 3 3 2 外壳耐压校核 金鱼2 号的耐压壳体，其厚度与曲率半径之比很小可视为薄壳结构，可按 薄壳理论来计算强度，以保证壳体的应力小于规定允许的应力。但金鱼2 号的耐 压壳体受海水压力的外压作用、属外压容器，它往往不是因强度不足被破坏，而 是当外压增大到一定值时，壳体的变形从量变转为质变，其变形的对称性将被破 坏，外压力与变形之间的线性关系也不复存在、外压力下失去原来的形状。此时、 壁内所受单纯的压应力变为主要是受弯应力，壳体丧失其稳定性，从而造成耐压 壳体的破坏、因此、在计算受外压的水下机器人耐压壳体时，可不必用薄壳理论 的复杂计算公式去计算强度，只进行保证壳体稳定性的计算就能满足实用要求l 。 按照壳体受压破坏的情况，圆柱形壳体可分为长圆筒和短筒。 长圆筒( 上 4 0 d ) 可以忽略两端边界对稳定性的影响，压扁时的波数 开= 2 ，临界压力巴仅与t d 有关，与l d 无关。其稳定性计算公式为： 己2 号d ) 3 ( 3 1 ) 式中，己为临界稳定压力，e 为弹性模量，y 为泊松比，d 为圆柱壳的直径， t 圆柱壳的厚度。 短圆筒( 工 2 的正整数，临界压力。与t d 、l d 有关。其稳定性在工程上常用拉姆公式计算： 毛= 端 ( 3 2 ) 式中，只、占、d 和t 同上。 金鱼2 号壳体属于短圆筒( l = 0 4 4 m ，4 0 d = 1 1 4 5 ) ，采用拉姆公式计算 其临界压力： 弓：笺笔：2 5 9 x 2 1 0 x 1 0 9 x 2 硎1 ( k p a ) ( 3 3 ) l d _ 戳4 4 0 x 3 2 0 4 3 ”2 临界压力时，水深： j i = p p g = 蒜6 2 ( m ) ( 3 4 ) 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 远远大于水池深度，故壳体稳定性好。 3 4 变体积调节系统设计 3 4 1 功能介绍 潜器的浮力调节系统有两种：( 1 ) 潜器的排水体积不变，而有一定的可调重 量，称之为变质量调节系统；( 2 ) 潜器的重量不变，而排水体积可变化，称之为 交体积调节系统。 变质量调节系统是在壳体内放置水箱，其容积等于最大浮力调节量。需要调 节浮力时用泵排出水，或者从外界注入水，使潜器的重量产生变化，以此来调节 浮力。 金鱼2 号采用了第二种调节系统，即变体积调节系统。变体积调节系统在金 鱼2 号中有两个功能：( 1 ) 补偿由于水介质的特性( 压力、温度) 及排水体积的 变化而引起的剩余浮力( 正的或负的) 。( 2 ) 通过改变金鱼2 号的体积可以改变其 浮力，因此作为金鱼2 号的浮力精确调节机构。 3 4 2 传动系统设计 变体积调节系统的工作原理图，如图3 4 所示。 变体积调节系统从电机到活塞经过了2 级齿轮传动和1 级带轮传动。其总传 动比： f ：一z 2 2 3 2 4 ：丝兰塑兰! 竺；5 8 5 ( 3 5 ) z l z 2 。z 3 。 2 1 x 3 4 x 1 3 、7 第三章金鱼2 号的机械系统设计 z ；= 1 3 = 1 9 图3 - 4 变体积调节系统的原理图 f i g 3 4p r i n c i p l eo ft h ev o l u m e c h a n g i n ga d j u s t m e n ts y s t e m 3 4 3 结构设计 金鱼2 号的变体积调节系统机械结构图，如图3 - 5 所示。 变体积调节系统中，左右活塞对称分布，工作时，其伸出和缩进量均相同， 这样保证了水下机器人的浮力作用点在其体积改变时始终保持不变，具有很好的 稳定性。 变体积调节系统调节水下机器人浮力的原理是：伺服电机的旋转角位移，通 过齿轮和同步带轮，传递并转换为夹在同步带9 上的拨动件夹紧块7 的平动位移， 拔动件夹紧块7 的平动位移通过同轴调节块1 3 和关节臂1 1 传递到活塞1 ，带动活 塞往外往内往复运动，从而改变金鱼2 号的体积和浮力。 我们可以通过增加或减少配重，使金鱼2 号的活塞位于中位( 活塞移动位移 的一半) 时的排水重量等于金鱼2 号的重量( 包括配重) 。当伺服电机顺时针方向 旋转时，左右两个活塞同时往外伸出，金鱼2 号的排水体积增加，浮力增大，其 浮力的增量等于活塞伸长排开水的重量。当活塞伸出的长度达到极大值 ( ，= 7 0 r a m ) 时，金鱼2 号的排水体积最大，具有最大的正浮力。相反，当伺服 电机逆时针方向旋转时，左右两个活塞同时往内收缩。金鱼2 号的排水体积减小， 浮力减小，其浮力的减少量等于活塞缩短充入水的重量。当活塞收缩的长度达到 极大值( f = - 7 0 r a m ) 时，金鱼2 号的排水体积最小，具有最大的负浮力。 广东工业大学工学硕士学位论文 a ) 相片 b ) 变体积调节系统机械结构的立体图 1 活塞2 活塞固定架3 衬套4 同步带轮5 同步带6 减速箱7 拔动件夹紧块8 同步带轮9 同步带1 0 同步带张紧装置1 1 关节臂1 2 直接1 3 同轴调节块1 4 减速器支座1 5 同步带张紧装置1 6 伺服电机1 7 滑块1 8 导轨 图3 5 变体积调节系统机械结构图 f i g 3 5m e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ev o l u m e c h a n g i n ga d j u s t m e n ts y s t e m 3 5 推进器设计 3 5 1 推进器作用与数量 潜器在水下空间可实现6 自由度运动，即三个平移运动：推进、升沉、横移、 三个回转运动：转艏、纵倾、横倾。 为使潜器在所有6 自由度运动中均是可控的，即它不仅可以在给定方向上精 确地沿着给定的轨迹运动，而且还可以在补偿外部扰动的状态下正常工作，必须 具备性能良好的推进系统，推进系统的任务就是耍实现潜器运动的可控并能保持 位置稳定。 推进器的数量通常可用下述方法确定j ： ( 1 ) 推进器的数量等于( 或多于) 广义坐标数，在这种情况下，每对推进器按两 个广义坐标( 直动和回转) 移动潜器，这种方法不是解决问题的最佳方法。 ( 2 ) 利用回转式推进器例如采用装在回转式导流管里的螺旋推进系统。推进 器的数量可少于潜器的受控坐标数，这种方法结构上比较简单。 ( 3 ) 采用使推进器推力方向旋转的方法，只使用三四个推进器就能够控制潜器 做6 自由度运动。这种方法结构比较简单，但控制系统要复杂。 显然，每种方法的选择取决于潜器的具体条件和结构特性。本项目中，金鱼2 号只考虑一个自由度的情况，即金鱼2 号限定在升沉这种运动，故其推进器设定 为4 个，即上螺旋桨推进器2 个和下螺旋桨推进器2 个。2 个上螺旋桨推进器的转 向相反，避免反作用力引起潜器转动。2 个下螺旋桨推进器的作用类似。 3 5 2 推进器布置 推力器数量确定以后，应该进一步考虑推力器的布置。推力器的布置会影响 金鱼2 号的控制性能和工作效率。金鱼2 号的推进器布置如图3 - 6 所示。 金鱼2 号的主要驱动力是螺旋桨旋转产生的轴向力。金鱼2 号有4 个螺旋桨， 4 个螺旋桨的旋转轴均平行于金鱼2 号的主轴，并在主轴平面内，与主轴成对称关 系。这种对称结构可以保证驱动力的合力与主轴平行，因而可以达到最好的控制 广东工业大学工学硕士学位论文 性能和最大的效率。 喽。、惑 广嗣h 山 i t 1t 2l ll u 3抄 1! i 里 l叫 一呖皑 ? ) 协 a ) 螺旋桨的扭矩b 1 照片 图3 - 6 金鱼2 号推进器布置图 f i g 3 - 6l a y o u to ft h eg o l d f i s h st h r u s t e r 螺旋桨在水中旋转时，水对螺旋桨有作用力，表现为阻止螺旋桨转动，这个 阻力通过电机轴传递到电机转子，电机转子与定子之间的电磁力作用到固定电机 定子的潜器上，从而引起潜器跟螺旋桨旋转方向相同的转动。显然这是不期望的 附加运动。对于这个运动，金鱼2 号通过设计两个旋向相反的螺旋桨来克服。 3 5 3 推进器传动与结构设计 推进器主要由螺旋桨传动机构、步进电机、减速箱和同步带传动机构等构成。 推进器的结构，如图3 7 所示。 第三章金鱼2 号的机械系统设计 a ) 推进器结构立体图b ) 图片 1 同步带轮2 同步带3 步进电机4 电机支架5 齿轮6 减速箱7 减速箱固定架 8 同步带张紧装暨 图3 7 推进器的结构图 f i g 3 7s t r u c t u r eo ft h et h r u s t e r 3 5 4 推进器推力估箅 螺旋桨的推力计算是一个复杂的问题，文献 3 5 】给出了推力公式： t = p n 2 d 4 岛 ( 3 6 ) 式中： p 水的密度； 以螺旋桨转速( 转秒) ； d 螺旋桨直径： 墨推力系数，它与螺旋桨的几何参数( 如叶片数量、叶片的螺 距和叶片形状) 有关。 由公式( 3 6 ) ，可求出金鱼2 号单个螺旋桨的推力： t = 1 o x l 0 3 x ( o 0 9 ) n 2 群= 6 5 6 1 x l o - 2 n 2 马( 3 7 ) 3 6 本章小结 本章阐述了金鱼2 号的机械结构功能和总体布局，设计并校核了金鱼2 号的 壳体；设计了金鱼2 号的变体积调节系统：根据金鱼2 号的