波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计.pdf

第4 4 卷第4 期 2 0 1 4 年4 月 中国海洋大学学报 P E R l 0 D I C A L0 FO C E A NU N I V E R S I T Y O FC H I N A 4 4 ( 4 ) ：1 0 0 1 0 3 A p r il 2 0 1 4 研究简报 波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计8 常宗瑜1 ，戴源1 ，常东辉2 ，郑中强1 ( 1 中国海洋大学工程学院，山东青岛2 6 6 1 0 0 ；2 山东烟台利达木2 I L 机械有限公司，山东烟台2 6 4 1 0 0 ) 摘要：移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人( R O V ) 、自治水下机器人( A U V ) 等 移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制，影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型 波浪能驱动的机动浮标，该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成，利用波浪垂荡运动，推动水下推进机构叶片的摆 动，引起水下推进机构在水平方向向前的升力，使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计 制造了波浪驱动机动浮标的实验样机，并进行了海试。实验表明，在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该 设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。 关键词：机动浮标；波浪能；垂荡；水下推进机构 中图法分类号：P 7 3 1文献标志码： A 文章编号：1 6 7 2 5 1 7 4 ( 2 0 1 4 ) 0 4 1 0 0 0 4 海洋生态环境监测技术和设备是国家中长期科 学和技术发展规划纲要( 2 0 0 6 - - 2 0 2 0 ) 指出的海洋研 究的重点领域和优先主题，浮标、潜标及水下移动平 台、水面调查船、海底观测站以及卫星和航空遥感组成 了立体海洋观测系统，可以获取的大范围、全天候、连 续和长时间的序列的海洋观测资料。 在各类立体海洋观测系统中，浮标系统是重要的 海洋环境观测装备，具有在恶劣的海洋环境下，长时间 全天候、连续、自动地对海洋气象、水文环境进行观测 等优点，是海洋观测岸基站、调查船和调查飞机在空间 和时间上的拓展，具有其他调查方法无法替代的优点， 在海洋观测中发挥着巨大的作用。但是浮标布放之后 只能在固定站位开展观测，得到站位附近的海洋观测 要素，重新定位布放需要船只、人员大量消耗。建立自 主控制的移动海洋监测平台是海洋学家深入研究海洋 环境的迫切需求，最近国外研究机构和学者提出了机 动海洋浮标的概念。文献 1 开发了一种用于河流和 浅海的机动浮标A u t o n o m o u sS u r f a ceM o b il eV e h icl e ( A S M V ) ，它可以监测给定的位置和路径的海洋环境， 并可以根据指令自主解锚和锚定，如图1 ( a ) 所示；文献 2 开发了一种海洋机动浮标O A S I S ( O ce a nA t m o s p h e r eS e n s o rI n t e g r a t io nS y s t e m ) ，具有监测海一气界面 通量、赤藻发生及其他气象和水文资料的功能，如图1 ( b ) 所示；文献 3 开发的S co u t 浮标可以通过螺旋桨和 导航控制实现给定站点的环境监测任务，如图1 ( c) 所 示；文献 4 提出了一种可以追踪溢油的机动浮标 ( S p il l e dO ilT r a ck in gA u t o n o m o u sB u o y ) ，如图1 ( d ) 。 此外还有已广泛应用的R O V 和A U V 等。这些非漂 浮的机动浮标都需要自带能源供应，能量供给的限制 大大阻碍了移动监测平台在长时间大范围内的监测活 动。 霸 囊墓鑫渤逸麓 * 基金项目：国家自然科学基金项目( 0 5 1 1 7 5 4 8 4 ) 资助 收稿日期：2 0 1 3 0 4 0 9 ；修订日期：2 0 1 3 0 7 1 0 作者简介：常宗瑜( 1 9 7 3 ) ，男，教授，博导。E - m a il ：z o n g y u ch a n g O U C e d u cn ( c) S C O U T( d ) S O T A B 图l 典型机动浮标 F ig 1 T h et y p ica lm o b il eb u o y 4 期常宗瑜，等：波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计 本文提出了一种能够利用波浪能驱动的机动浮 标，它可以利用波浪的升沉振荡转化为向前运动。文 中介绍了该浮标的工作原理，给出了该机构的设计方 案和样机，并对该浮标进行了海上试验，试验表明该机 构可以J I 顷, N 在波浪作用下前进。 1 基本原理 海洋中的波浪经久不息地做着起伏运动，海水中 的每个水质点的运动主要以垂荡运动为主，辅以小幅 度的水平运动，而且随着深度的增加波浪的振动情况 会大大减少，波浪水质点的运动以及与水深的关系如 图2 所示。 图2 波浪质点的运动 F ig 2T h em o t io no ft h ew a v ep a r t icl e 本文叙述的机动浮标就是利用了海洋表面的波浪 垂荡运动来作为推动机动浮标的动力，其工作机理如 图3 所示。从图上可以看到，当机动浮标处于静水中 时，水下推进装置处于水平状态，图3 ( a ) 所示，当水面 浮体在波浪的作用下向上移动的时候，叶片顺时针旋 转，相对水流垂直向下作用在叶片上，分解为垂直于叶 片的法向力和沿着叶片的切向力，其中法向力就会产 生推动叶片向前移动的一个推力，如图3 ( b ) 所示。 同样道理，当水面浮体在波浪作用下向下运动时， 叶片逆时针转动，水流作用下垂直向上作用在叶片上， 分解为向上的法向力和沿着叶片的切向力，同样法向 力也会产生推动叶片向前移动的推力，如图3 ( c) 所示。 这种情况类似于在飞行过程机翼所产生的升力， 只不过机动浮标中速度方向为垂直方向，而产生的升 力是水平向上。 由此，通过机构的巧妙设计实现了无论在波浪推 动浮标上下运动时都能产生向前的推动力，实现了对 载体的无动力、全静音驱动。而且从波浪驱动机动浮 标的原理可以看出，随着波浪振荡幅值的增加，水上浮 体拉动水下推进装置的幅度增加，推进的速度进一步 加快，因此在高海况条件下，不仅不会影响机动浮标的 使用，而且会令机动浮标有更快的速度。 2 波浪驱动机动浮标的设计 根据上述波浪驱动机动浮标运动机理，对波浪驱 动浮标进行设计，浮标的示意图如图4 所示。其中1 为 水面浮体，2 为水下推进装置，二者之间为连接的缆索 3 ，其中水面浮体上主要构件为浮体和舵板4 。 7 弋 图3 仿生机动浮标的工作原理 F ig 3 T h ep r in cip l eo fb io n icm o b il eb u o y 4 图4 机动浮标总体示意图 F ig 4 T h es k e t chm a po fm o b il eb u o y 2 水面浮体的尺寸为9 0 0m m X 6 0 0m m 7 0m m ，采 用薄钢板包络的泡沫浮体材料。连接上浮体与水下推 进机构的绳索长度为4m ，水下推进机构总长度大约为 8 0 0m m 。水下推进机构是整个装置的动力源和核心机 构。如图5 所示，整个水下推进机构由推进机构基体、 摆杆、连杆和翼片组成，1 0 片翼片连接在1 0 个摆杆的 连接体处，对称分布在基体的两端，摆杆和连杆组成平 行四边形机构，保证五组翼板同步。翼片尺寸为4 0 0 m m X1 0 0m m 3m m 。除去翼片采用有机玻璃板、浮 体外，其他构件均为3 1 6 不锈钢。叶片组数可以根据 结构的复杂程度加以增减。 中国海洋大学学报 图5 水下推进装置示意图 F ig 5 T h es k e t chm a po fu n d e r w a t e rp r o p u l s io nd e v ice 3 实验研究 根据上述原理和设计图纸，制作了机动浮标的样 机，其结构如图6 所示。波浪作用在水面浮体上，通过 缆索带动水下推进机构叶片的摆动，使整个装置向前 缓慢移动，水面浮体的方向舵用于控制机动浮标的行 进方向，由计算机远程控制。水面浮体的运动参数和 方向舵的转角通过传感器检测通过无线传输给计算 机。此外有水下摄像机对水下推进机构叶片的运动进 行观测。 波浪能仿生推进装置 P r o p u l s io nm e ch a n is mo f m o b il e b u o y d ir e ct l y d r iv e n b y w R v e 图6 波浪能驱动机动浮标系统 F ig 6T h es y s t e mo fm o b il eb u o yd ir e ct l yd r iv e nb yw a v e 根据上述原理和设计图纸，制作一个小型机动浮 标的样机，其各个主要尺寸和材料见表1 。 表1 小型机动浮标的样机参数 T a b l elT h ep a r a m e t e ro fp h y s ica lp r o t o t y p eo fm o b il eb u o y 制作的水下推进装置实验样机见图7 。 图7 水下推进机构 F ig 7T h ed iv ceo fu n d e r w a t e rp r o p u l s o r 利用该实验样机进行了海试。为监测水下推进装 置的翼片运动情况，在缆索下端安装水下摄像机。在 烟台养马岛水域进行了实验，通过实验发现随着波浪 的起伏，机动浮标缓慢向前移动( 见图8 ) ，通过水下摄 像机发现翼片随着波浪做显著摆动。实验初步证明本 设计原理和样机是有效的。 图8 仿生推进装置海试图( 截图白录像资料) F ig 8T h ee x p e r im e n to fu n d e r w a t e r p r o p u l s io nd e v iceins e a 4 结语 本文设计了一种新型波浪能驱动的机动浮标，该 浮标由水面浮体和水下推进机构两部分组成，水下推 进机构可以将波浪垂荡振动转化为前进的动力，本文 介绍了该浮标的结构和工作原理，给出了设计方案，并 进行了海试，实验结果表明文中设计的机动浮标系统 可以在波浪的作用下实现有效的前进运动，辅以远程 控制舵板等机构可以实现有控制的巡航。本文提出的 机动浮标方案为了开展物理海洋环境、海洋生态、海洋 污染的提供一种有效仪器搭载工具。 常宗瑜，等：波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计1 0 3 参考文献： ( ) r t o nPM ，G il l isWR ，M o is a nJR ，e ta 1 T h eM o b il eB u o y ：A n A u t o n o m o u sS u r f a ce V e h icl ef o rI n t e g r a t e dO ce a n - A t m o s p h e r e S t u d ie s c W a s h in g t o n ：A m e r ica nG e o p h y s ica lU n io n ，S p r in g M e e t in g ，2 0 0 9 W o o dS ，R e e sM ，P f e if f e rZ A nA u t o n o m o u sS e l f - M o o r in gV e h i cl ef o rL it t o r a l & C o a s t a lO b s e r v a t io n s c A b e r d e e n ：I E E EO ce a n s ，2 0 0 7 ：1 - 6 C u r cioJ ，M cG il l iv a r yPA ，F a l lK ，e ta 1 S e l f _ P o s it io n in gS m a r t B u o y s ，T h e “U nB u o y ”S o l u t io n ：L o g is t icC o n s id e r a t io n su s in g A u t o n o r a o u sS u r f a ceC r a f tT e ch n o l o g ya n dI m p r o v e dC o m m u n ica t io n sI n f r a s t r u ct u r e C B o s t o n ：I E E EO ce a n s ，2 0 0 6 ：1 82 2 M u n e oY o s h ie ，Y o s h it a k aM a t s u z a k i，l s a m uF u j it a A t s e aT r ia l 5 6 T e s to fa nA u t o n o m o u sB u o yw h ichT r a ck sD r if t in gO iJa n dO b s e r v a t io no fI n S it uD a t aT r a ck in gD r if t in gM a r k e r so nt h eS e af o r P r e d ict in gL o ca t io no ft h eS p il l e dH e a v yO ilr - c O s a k a ：P r o ce e d in g so ft h eN in e t e e n t h ( 2 0 0 9 ) I n t e r n a t io n a lO f f s h o r ea n dP o l a rE n g in e e r in gC o n f e r e n ce ，2 0 0 9 A n t o n e l l iG U n d e r w a t e rr o b o t s ：M o r io na n df o r ceco n t r o lo fv e h i cl em a n ip u l a t o rs y s t e m s M B e r l in ：S p r in g e r ，2 0 0 3 W a n gX ia o m in g ，S h a n gJ ia n z h o n g ，L u oZ ir o n g ，e ta 1 R e v ie w so f p o w e rs y s t e m sa n de n v ir o n m e n t a le n e r g yco n v e r s io nf o ru n m a n n e d u n d e r w a t e rv e h icl e sE J R e n e w a b l ea n ds u s t a in a b l eE n e r g yR e v ie w s ，2 0 1 2 ，4 3 ( 1 6 ) ： 9 5 8 一】9 7 0 7 常宗瑜波浪驱动的机动浮标：实用新型专利 P 2 0 1 2 2 0 5 8 3 0 0 4 3 D e s ig no fP r o p u l s io nM e ch a n is mo fM o b il eB u o yD ir e ct l yD r iv e nb yW a v e C H A N G Z o n g Y u l ，D A IY u a n l ，C H A N GD o n g - H u i2 ，Z H E N GZ h o n g - Q ia n 9 1 ( 1 C o l l e g eo fE n g in e e r in g ，O ce a nU n iv e r s it yo fC h in a ，Q in g d a o2 6 6 1 0 0 ，C h in a ；2 Y a n t a iL id aW o o d w o r k in gM a ch in e r y C oL t d ，Y a n t a i2 6 4 1 0 0 ，C h in a ) A b s t r a ct M o b il eo b s e r v a t io np l a t f o r misim p o r t a n tf o ro ce a n o g r a p h ic s p a ceo b s e r v a t io ns y s t e m R e m o t eo p e r a t e dv e h icl ea n da u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h icl ea n dS Oo na r el im it e dint h ea p p l ica t io no fl o n g a n dl a r g es ca l eo fo ce a nr e s e a r chin v e s t ig a t io nf o rt h en e e do fs h ips u p p o r ta n de n e r g ys u p p l yl im it e d A n o v e lw a v ed r iv e nm o b il eb u o yw a sco n ce iv e da n dd e s ig n e db ya p p l y in gt h eh e a v in gm o t io no fw a v e I t w a sco m p o s e do fs u r f a cef l o a t a t io na n ds u b m e r g ep r o p e l l in gd e v ice T h eh e a v in