（机械电子工程专业论文）温差能驱动的水下监测平台系统设计与实验研究.pdf

中文摘要 中文摘要 水下监测平台对海洋环境的监测具有重要的作用，与使用电能作为驱动能 量的水下监测平台相比，温差能驱动水下监测平台具有工作时间长，工作深度 深，噪声小等特点，因此在海洋科研与军事领域都具有广阔的发展前景。 热机是温差能驱动水下监测平台的动力装置。本文详细介绍了热机的工作 原理以及使用范围。 本文对垂直升降运动水下监测平台的运动性能进行了分析，并讨论了系统 垂直运动的稳定性。根据温差能驱动的工质材料试验结果和监测平台的运动分 析，结合微结构剖面测量的试验指标完成了温差能驱动的垂直升降水下监测平 台机械系统设计。 控制系统研究包括两部分，一部分是温差能驱动水下监测平台垂直运动控 制系统，另一部分是微结构剖面测量控制系统。监测平台垂直运动控制系统设 计以低能耗与高可靠性为基本设计指标，同时考虑系统的小型化，简单化，采 用集中式控制系统，并采用了中央控制单元协调各个功能模块的结构化设计思 想。微结构剖面测量控制系统则以微小信号测量与处理为主要目标。 温差驱动水下监测平台于二零零五年七月在浙江省千岛湖区进行了水下实 验。实验结果表明各项设计指标达到设计要求。 关键词：温差能，水下监测平台，热机，微结构剖面 垒呈! 坐! ! a b s t r a c t u n d e r w a t e rm e a s u r i n gu n i ti si m p o r t a n tt ot h es u r v e yo f t i mo c e a ne n v i r o n m e n t c o m p a r e dw i t ht h ep r o p e l l e db ye l e c t r i c i t y , u n d e r w a t e rm e a s u r i n g u n i tp r o p e l l e db y t h e r m a le n g i n eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sl o n g e rw o r k i n gt i m e ，l a r g e rw o r k i n g d e p t ha n ds m a l l e rn o i s e a sar e s u l t ，i tw i l lh a v em o r ef o r e g r o u n d si nt h ef i e l do f s c i e n t i f i ca n dm i l i t a r yt a s k s t h e r m a le n g i n ei st h ed r i v e d e v i c eo fu n d e r w a t e rm e a s u r i n gu n i td r i v e nb y t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ee n e r g y 1 - l l i st h e s i si n t r o d u c e st h et h e o r y o ft h et h e r m a l e n g i n ea n da p p l i c a t i o na r e a i nt b j st h e s i s w ea l s oa n a l y z e dt h ed y n a m i c so ft h eu n d e r w a t e ru n i tp r o p e l l e d b yt h e r m a le n g i n e t h i st h e s i ss t u d i e dt h ed y n a m i cm o d e lm o v i n go nav e r t i c a l l i n e ，a n dg a v et h es t a b i l i t yo fi t b a s e do nt h er e s u l to fm o d ee x p e r i m e n ta n dt h e a n a l y s i so fd y n a m i c s ，w eh a v ef i n i s h e dt h em e c h a n i c a ld e s i g nw h i c hc a l lm e a s u r e t h em i c r o s t r u e t u r ep r o f i l e r t h es t u d yo fc o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e dt w op a r t s o n ei st h ev e r t i c a lm o v e m e n t o ft h eu n d e r w a t e rm e a s u r i n gu n i t ，a n o t h e ri st h em e a s u r e m e n to fm i c r o s t r u c t u r e p r o f i l e r t h ev e r t i c a lm o v e m e n ts y s t e mi sb a s e do ns m a l le n e r g yc o s ta n dh i g h s e c u r i t yw h i l ec o n s i d e r e do fs m a l la n db r i e f n e s s ，w ea d o p tt h ew h o l ec o n t r o ls t y l e w h i c hac e n t e rc o n t r o la n dh a r m o n i z eo t h e ru n i t s t h em i c r o s t r u c t u r es y s t e mm o s t l y d e a l sw i t ht h es h e a rp r o b es i g n a l i nj u l yo f2 0 0 5 w ef i n i s h e do fo u re x p e r i m e n ti nt h o u s a n dl a k e s ，a l lw o r k w e l l k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ee n e r g y ，u n d e r w a t e rm e a s u r i n gu n i t , t h e r m a le n g i n e ，m i c r o s t r u c t u r ep r o f i l e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫凄盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。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。 学位论文作者签名：弓艮人涛 签字日期：耐年1 月憧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解焘洼盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名；晷乞扎涛 导师签名： 签字日期：2 叩年j 月步日签字日期：如年f 月步日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 海洋科学研究、海洋探测、海洋资源开发是海洋活动的三大主题。海洋探 测为海洋科学研究和海洋资源开发服务。为了保护海洋环境，高效利用海洋资 源，海洋探测是必不可少的。海洋探测为海洋科学研究和海洋资源开发服务。 获取海洋环境和资源信息是海洋探测的任务。 近些年来，由于海洋资源开发与海洋环境探测的迫切需求，促进了水下机 器人及相关技术的迅速发展。时下常见的水下机器人包括远程遥控机器人 ( r o v - r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ) 和无人水下机器人似u v u n m a n n e d u n d e r w a t e rv e h i c l e ) ，这两类机器人都不是完全自主的，而是需要人的操纵，这一 点极大的限制了机器人的活动领域及其工作效率。自治式水下机器人 ( a u v - a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ) 是新一代水下机器人 2 1 ，它具有水下活 动范围大、机动性好、安全、结构简单等特点，主要用于海底地形地貌勘察、 海洋资源及地质调查、海洋环境和水文参数测量、生物考察等等【3 】。自治式水 下机器人特别适合于进入危险区、敏感区等特定海域的接近观测。同时，它还 弥补了航空和航天遥感观测技术仅限于海洋表面或表皮观测的不足，可以获取 海洋内部的环境数据。随着基础结构件技术、自动控制技术、通讯技术、水下 导航技术的发展，自治式水下机器人已向低成本、小型化、高度自动化方向发 展，但能源供应问题己成为实现自治水下机器人长期自主运动和大面积水域远 程观测的主要制约瓶颈。利用环境能源来驱动水下机器人，以实现其长期和远距 离作业，是2 0 世纪末出现的解决上述瓶颈问题的一项海洋监测高新技术，其中 利用温差能源来驱动水下机器人运动就是这种技术的发展方向之一。 微尺度结构测量是海洋探测的重要分支之一。微结构( 小尺度) 的湍流运 动是产生海洋宏观现象的原动力，海水运动大多呈湍流这一高频随机运动形式。 目前，精确测量毫米级微尺度海水剪切流速、温度等原始数据资料是海洋科学 研究的基础和难点之一。微尺度的流速剪切数据和温度剪切数据是通过专用的 海洋测量仪器获取的。湍流剖面仪能够测量海洋垂直剖面的微尺度数据，是当 前最普遍的测量手段，主要是通过人工操作完成的。由于海上人工作困难，出 海费用高昂等因素限制，导致不能进行湍流的长期有序监测。利用自动水下监 测平台实现自动测量解决上述问题，实现精确测量是该技术的未来发展方向。 第一章绪论 1 2 温差能水下监测平台的发展应用状况 大范围讲，一切能对水下环境进行监测，数据进行提取的平台系统都是水 下监测平台。本论文的主要研究对象是温差能驱动的水下监测平台。它是实现 水下观测与探测的高新技术装备。 温差能驱动的水下监测平台采用环境能源( 太阳能、海浪能和温差能) 。利 用海洋或湖泊表面与深水中的温度差所产生的温差能来驱动水下机器人是比较 理想的驱动能源，因为温差能比较可靠，只要有适当的温差就能产生温差能。 美国韦伯研究公司( w e b br e s e a r c hc o ) 和斯克里普斯海洋研究所( s i o ) 曾共同研 发了s l o c u m 大洋剖面仪。该剖面仪采用温差驱动的工作热机实现垂直剖面 升降运动。随后，该公司又研制出温差能驱动的水下滑翔器( g l i d e r ) 【4 】。从运 动形式上水下监测平台同样分为两种：第一种是垂直升降剖面运动的水下监测 平台；另外一种是滑翔运动的水下监测平台。 美国科学家h e n r ys t o m m e l 首先于1 9 9 2 年在海洋杂志发表的一篇文章中提 出了一种设想，希望能够通过在海洋里面布放一些类似于在大气层提取气象信 息的热气球装置进行海洋内部环境信息的观测。他描述这种装置是一种体积小， 价格适中，能够通过滑翔环游海洋的自动机器。这种机器的动力装置应该非常 独特，不使用电能，而是能由海洋中获得能量。 1 9 9 5 年1 0 月海洋学家d o u gw e b b ，发明了利用较小温差而获得能量的垂 直升降监测平台的样机，此样机在大西洋百慕大群岛附近进行了试验，并且工 作良好。垂直升降监测平台试验成功后，w e b b 与他的同事把热机与电驱动的 水下滑翔监测平台结合起来，去掉电驱动装置，制作了温差驱动的水下滑翔平 台，并取名为s l o c u m 水下滑翔器。s l o c u m 通过改变重心相对于浮心的位置来 进行垂直运动与水平运动的转换和水平运动的操纵，以此来控制纵摇和横摇。 它上面所安装的机翼使横摇产生偏航矩从而操纵其滑翔。纵摇力矩通过主浮力 交换器内的液体流动产生。纵、横摇用重力倾角罗盘进行测量，而航向则是用 磁通门罗盘进行测量。纵摇和横摇的控制角度为+ 4 0 。s l o c u m 滑翔器既可作 定点垂直剖面测量，亦可作水平剖面测量。通常s l o e u m 滑翔器的运动轨迹为 一条锯齿线。s l o c u m 作为海洋水下监测平台，它可以搭载一系列测量仪器，如 c t d 及声学传感器等，可用于测量盐度、温度、海流，甚至还可以记录海洋生 物声音等。 温差能驱动水下监测平台以其结构简单，成本低廉，使用寿命长等特有优 点有广阔的应用前景。目前，s l o c u m 是温差能驱动监测平台的典型，主要应 用在以下四个方面： 2 第一章绪论 ( 1 ) s l o c u m 作为海洋水下监测平台可以独立使用，以获得全海域的长 期海洋动力资料。多个s l o c u m 可构成全球海域的s l o c u m 监测 网络，实现从近海到深海大范围的长期海洋监测，更具应用前景， 这也是s l o c u m 设计者的最终目标。例如，将海洋区域按照7u x 7 ” 划分监测网格，在每个网格区域处布放一个s l 0 c u m ，每个 s l o c u m 作业五年，可实现全海域的动态观测，提高海洋监测能力， 改善海洋动力模型描述精度。 2 ) 由于s l o c u m 可以水平移动和垂直升降，所以它有能力实现潮、 流等所感兴趣海洋动力特性的跟踪监测，从而提供跟踪监测物理量 的全寿命周期描述。 ( 3 ) 深海潜标定点监测成本过高，并且寿命较短，而应用s l o c u m 可 以实现同一位置反复剖面测量，可以代替潜标系统，形成虚拟的锚 泊潜标。美国的l e o 1 5 海洋生态环境观测站中同时应用了r e m u s 和w r c 滑翔器，尽管该生态站目前的最大监测水深仅4 0 米。 ( 4 ) 由于s l o c u m 具有无噪音特点，因此在军事上具有重大应用价值。 通过进一步水域试验，并通过海军的测试后，s l o c u m 滑翔器将在 美国海军中使用。据报道，在海军研究办公室的支持下，s l o c u m 滑翔器将参加海军在2 0 0 3 年1 月2 1 日至2 月7 日举行的军事演习。 1 3 本课题研究的意义及内容 1 3 1 研究的意义 自治式水下机器人的动力能源主要有两种：一种是采用电能( 锂电池或碱 性电池) ，如美国研制的远程环境监测装置r e m u s 和自持式拉格郎日探测器 a l a c e 及其改进型a p e x 、s o l o 、m a r v o r 等，均采用电能驱动。它们的 主要缺点是，因受能源的制约，它们的作业时间有限，而且不能完成许多自主 动作，难以长时间远程或进入特定海域作业。r e m u s 用锂电池供电，可测量 温度、盐度、深度、光学后向散射性、流速和流向、荧光等环境参数，在3 节 以下速度航行时，航程已达1 0 0 多公里，但届时必须返回充电，控制系统复杂， 成本高。a l a c e 虽然能在海洋中进行长期漂流作业，但大部分时间处于被动 漂流状态，爬升剖面测量的次数有限，而且不可回收。另一种是采用环境能源 ( 太阳能、海浪能和温差能) 。对于自治式水下机器人而言，温差能是比较理想 的驱动能源，因为温差能比较可靠，只要有适当的温差就能产生温差能，海洋 3 第一章绪论 表层水与深层水之间的显著差别之一就是温度差。因此，利用温差能作为动力 装置的水下监测系统具有工作寿命长、构造简单、成本低、无噪音等特点，并 且平台对水下测量要素的影响很小，在水下有很好的隐蔽性。该系统在海洋环 境观测和水下军事侦察等方面有重要应用价值。多个温差能驱动的水下监测平 台可构成全球大部分海域的监测网络，实现从近海到深海大范围的长时序海洋 监测。 1 3 2 本论文研究的内容 本文研究对象为温差能驱动的水下监测平台系统设计与实现。论文对它的 工作机理进行了介绍，详细讨论了温差能驱动的垂直运动水下监测平台机械结 构设计与控制系统设计。其中控制系统设计包括监测平台垂直运动控制系统设 计与微结构剖面测量控制系统设计。由于时间关系，微结构剖面测量系统于湍 流剖面仪中进行了标定，未集成到温差能监测平台系统中。最后，本文对试验 过程进行了介绍，并对两种系统性能进行了评估。 4 第二章温差能驱动平台工作机理 第二章温差能驱动平台工作机理 2 1 海洋温差能 海洋能通常是指海洋本身所蕴藏的能量，它包括潮汐能、波浪能、海流能、 温差能、盐差能和化学能，不包括海底或海底下储存的煤、石油、天然气等化 石能源和“可燃冰”，也不包含溶解于海水中的铀、锂等化学能源。 海洋能有如下特点：( 1 ) 可在生性，由于海水潮汐、海流和波浪等运动周 而复始，永不休止，所以海洋能是可再生能源：( 2 ) 属于一种纯净能源；( 3 ) 能量多变，具有不稳定性，运用起来比较困难；( 4 ) 总量巨大，但分布分散、 不均，能流密度低，利用效率不高，经济性差。 海洋总面积为3 6 1 亿k m 3 ，约占全球总面积的7 1 ，海洋储水量约为全 球总水量的9 7 ，太阳恩赐给地球的热能，大部分被海水吸收和储存，因此， 海洋是最大的太阳能收集器，海水中的海洋能蕴藏量也就十分巨大。具权威人 士计算，全世界海洋能的理论可再生量超过7 6 0 亿k w ，其中，温差能约4 0 0 亿k w ，盐差能3 0 0 亿k w ，潮汐能大于3 0 亿k w ，波浪能约3 0 亿k w 。仅 6 0 0 0 万k i n 2 热带海洋一天也能吸收相当于2 5 0 0 亿桶石油热量的太阳辐射能， 若将其中的l 转化为电力，也将有1 4 0 亿k w 的装机容量。 温差能是由于深部海水与表面海水温度差而产生的能量。我们知道，太阳 辐射能约有8 0 被海水所吸收，仅有5 的能量可以透入5 m 以下的深处，1 的能量可以透过海面到达1 0 m 以下的深处。因此，海水温度沿垂直方向是随 深度逐渐下降的，在表层( 海面至6 0 m 深) 大约为2 6 2 7 ，6 0 3 0 0 m 为 变温层，温度变化不大，而在3 0 0 m 以下温度降至4 左右【5 1 。利用海洋温差 发电的概念，最早于1 8 8 1 年由法国物理学家雅克已经提出。表层海水的温度。 随地点的不同而不同，且有一定分布规律，它直接与投射到海面上的太阳辐射 分布有关。从赤道附近到中纬度地区，再到两极地区，情况差别很大。这是由 于地球热带海面的热海水流向较冷的两极，而两极的冰帽融化后形成的冷海水 又厚又重，下沉并回流到热带海洋的深层，形成上面热而向下逐渐变冷的温度 分布。从温差能发电统计资料看，凡南北纬在2 0 度以内的热带海洋都适合温差 发电，包括古巴、巴西、安哥拉、西非、阿拉伯、斯里兰卡、印尼、菲律宾及 澳大利亚北部等沿海海域。我国南海地处北回归以南，属热带气候，大阳辐射 强烈，表层水温全年在2 5 以上，而5 0 0 8 0 0 米以下的深层水温在5 以下， 温差达2 0 一2 4 ，蕴藏着丰富的温差能资源。表2 1 为我国沿岸水温变化情 5 第二章温差能驱动平台工作杌理 况1 6 】： 表2 1 我国沿岸水温变化情况： 季节 二 月五月 海区东海 南海黄、渤海东海南海黄、渤海 温0层1 2 2 01 8 2 60 71 5 2 5 2 6 3 01 1 1 4 度 i o o m 层1 4 2 11 8 2 lo l l1 9 2 41 9 2 2 1 5 变 2 0 0 m 层1 7 2 01 5 1 91 2 1 61 5 1 91 5 1 6 1 5 1 8 化 季节八月 十一月 海区东海 南海黄、渤海东海南海黄、渤海 温0 层2 8 2 92 6 3 02 4 2 81 8 2 52 4 2 88 1 7 度 1 0 0 m 层 1 7 2 51 8 2 2 1 4 2 02 l “ 2 1 2 5 1 8 2 2 变 2 0 0 m 层 1 6 2 l 1 5 1 71 4 2 01 6 2 01 5 1 81 5 1 9 化 注：表中前面数值为内海数值，后面数值为外海数值。 在南纬3 5 。与北纬3 5 。之间的海洋，其表面与几百米深的海洋内部，均存 在很大的温差。图2 1 别给出了不同经纬度的海洋剖面的温差： 6 第二章温差能驱动平台工作机理 7 第二章温筹能驱动平台工作机理 图2 - 1 不同纬度海域温度剖面图 从图2 1 可以看到，在南北纬度3 5 。之间，海洋表面与5 0 0 米海深的海洋 之间温差全年都保持在i o c 以上。但在纬度4 0 。及其以上，温差在夏季变化比 较明显，在冬季基本不存在温差。 图2 2 表示的是我国南海的温度剖面图，从图上可以看到，在我国的南海 北部夏季存在很大的温差。而在南海中部及以南，温差全年都很明显【9 j 。 温差能驱动的水下监测平台对温差的要求为l o c ，这是由使用的温敏材料 决定的。从以上分析，可以看出在南北纬度3 5 。之间的海洋，基本全年存在上 述的温差。而在我国内海，夏季同样存在满足温差能驱动水下监测器工作所需 要的温差，而在冬季，同样有部分内海海域存在温差。 图2 - 2 南海海域温度剖面图 8 第二章温差能驱动平台工作机理 2 2 温差能驱动装置的工作机理【5 】【6 】【1 0 1 1 1 】【1 2 】 温差能驱动水下监测平台的基本原理如图2 3 所示。 图2 - 3 驱动装置示意图 温差能驱动装置利用工作环境温差，通过液一固两相转变引起外皮囊体积 变化，从而改变浮力，实现动力驱动。水下监测平台的驱动装置中有两种介质： 工作介质和传递介质。工作介质对温度变化十分敏感，当温度从高温到低温时， 工作介质发生从液态到固态的相交；反之，发生从固态到液态的相变。驱动能 量由工作腔o ) g n 的工作介质吸收或释放热量获得，工作介质凝固时收缩，融化 时膨胀。膨胀和收缩所产生的容积变化通过传递介质在系统内进行传递。工作 腔( 2 ) 是储能器，里面装有氮气和传递介质，氮气的压力高于外部海洋的最大压 力。 ( 1 ) 在海面时：图2 3 所描述的是水下监测平台在温暖的表层水中处于热 平衡时的状态。此时，氮气被预压缩，外部皮囊膨胀，工作介质处于 液态( 膨胀状态) ，三通阀处于断开状态。 ( 2 ) 水下监测平台开始下潜：三通阀工作。使外部皮囊与内部皮囊接通， 下潜阶段开始。由于水下监测平台保持内部皮囊压力稍低于外部皮囊 所承受的大气压力而产生压力差。外部皮囊中的传递介质( 7 , - - 醇) 进 入内部皮囊。此时，系统的浮力由正变负，水下监测平台开始下潜。 三通阀断开。 ( 3 ) 在水下监测平台从温水区向冷水区下潜过程中：工作介质释放热量， 逐渐开始相变，并发生凝固收缩。在工作介质的凝固收缩作用下，传 递介质( 乙二醇) 从内部皮囊进入工作腔( 1 ) 。 ( 4 ) 达到目标深度时：工作介质由液态变为变成固态，相变过程结束，此 时，工作介质体积最小。 9 第二章温差能驱动平台工作机理 ( 5 ) 水下监测平台准备上浮：三通阀工作，使工作腔( 2 ) 与外部皮囊接通， 上升阶段开始。由于水下监测平台保持工作腔( 2 ) 中氮气压力高于外部 皮囊所承受的外部压力而产生压力差，工作腔( 2 ) 中的传递介质被压入 外部皮囊，系统的浮力由负变正，水下监测平台开始上浮。三通阀断 开。水下监测平台从冷水区向温水区上浮：工作介质吸收热量，逐渐 开始相变，并发生融化膨胀。在工作介质膨胀压力作用下，工作腔( 1 ) 中的传递介质进入工作腔( 2 ) c o ，并使氮气压缩。当水下监测平台上浮 到水表面时，工作介质膨胀到最大体积，氮气被压缩。系统又回到与 图l 相同的平衡状态，完成一次工作过程。 通过对驱动装置的原理分析，获得了热机循环装置稳定运行所具备的条件： ( 1 ) 工作材料在常温下能够完成固相与液相的两相变化，气相与液相的变 化将影响正常循环。理想液体是不可压缩的，在压力下认为液体的体 积保持不变或变化很小。基于这一特点，驱动装置能够在高压下工作。 如果工作材料在常温下能完成气、液两相变化，由于气体在一定压强 下能够液化，其体积的膨胀不能产生大的压力。增压装置可以使其产 生大的压力，但这是以牺牲体积的变化作为代价的。另外，由于气体 可以压缩，当驱动装置外部环境压力交化时，其体积压缩率相应变化， 这样能够造成两次循环的初始状态不同，使得循环过程紊乱。 ( 2 ) 在一次循环过程中，参与循环的液体体积应该相同。在循环过程中， 从内皮囊流入热机工作腔的液体体积、工作腔压入蓄能器的液体体 积、蓄能器流入外皮囊的液体体积以及外皮囊流入内皮囊的液体体积 应该保持相同。 2 3 本章小结 本章介绍了存在温差能的广大海域以及中国沿海的温度剖面情况。主要论 述了温差能驱动的水下监测平台的驱动装置热机的工作过程，并分析 了热机能够工作应该满足的条件。 l o 第三章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械结构设计 第三章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械设计与分析 根据热机样机的实验结论和监测平台的运动分析，我们对温差能驱动的垂 直升降水下监测平台进行了设计。设计的主要技术指标为： ( 1 ) 在温差l o 摄氏度左右水域中能实现上下剖面运动； ( 2 ) 实现微尺度剖面测量要求的匀速下降与上升运动； ( 3 ) 设计最大工作水深：l o o m ； ( 4 ) 水域试验中最大连续运动距离累计总和为5 0 0 0 m ( 2 5 个测量剖面) 。 3 1 整机缩比模型与试验分析 为了测试整机系统的工作特性和性能，本项目首先研制了缩比模型以便在 试验室条件下开展试验研究。整机缩比样机的外形尺寸：直径1 2 0 毫米，全长 3 9 0 毫米圆柱形状，如图3 1 所示。缩比样机总重量4 2 9 千克，体积变化5 0 毫 升。设计水深1 0 米，热机壁厚2 毫米，其余耐压壳体壁厚1 5 毫米。缩比样机 中使用的电磁阀和单向阀工作压力均为1 兆帕，传输管路耐压为o 1 兆帕。此 缩比样机不携带任何的传感器，由试验人员对其进行控制，电磁阀需要的电能 由位于缩比样机顶部的电缆提供。图3 - 1 表示缩比样机的耐压壳体与支架机械 结构示意图和缩比样机实物图。 图3 - 1 缩比样机机械结构示意图与实物图 缩比样机的温差驱动试验是在试验室进行的。温差环境通过三个容器进行 模拟。其中两个容器的温度通过控制分别保持在l o 摄氏度与2 5 摄氏度，用来 模拟海底的低温状态和海面的高温状态，海洋水体环境则在第三个容器中模拟。 试验步骤如下： 第三章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械结构设计 ( 1 ) 把缩比样机放入海洋环境模拟容器中，调整配重，使缩比样机浮力 基本保持中性，姿态竖直。把缩比样机放入低温容器中，保持容器 低温l o 摄氏度约两小时，工作材料完全固化，传递液体由内皮囊流 入储能容器中。 ( 2 ) 把缩比样机重新放入海洋环境模拟容器中，当稳定时打开电磁阀连 通内外皮囊，外皮囊体积减小，缩比样机浮力减小，下沉到容器底 部。图3 2 所示。 ( 3 ) 缩比样机在低温下工作材料体积收缩的过程已经在( 2 ) 实现，所以 此步骤为打开连通储能容器与外皮囊的电磁阀，外皮囊膨胀，缩比 样机浮力变大，上浮到容器表面。图3 3 所示。 ( 4 ) 把缩比样机放入高温容器中，保持高温2 5 摄氏度约1 个小时，工作 材料完全液化，体积膨胀。回复到初始状态，重复步骤( 2 ) 。 图3 - 2 缩比样机下潜到容器底部 图3 3 缩比样机上浮到容器表面 1 2 第三章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械结构设计 试验结果： 试验结果显示，缩比样机完全能够在小温差下( 1 5 摄氏度) 实现要求的垂 直升降运动。这验证了样机能够工作的可行性。此样机缩比样机工作了2 5 天左 右，成功实现了大约4 5 次循环升降过程。另外，缩比样机的结构设计、腔内的 布局以及姿态的控制对样机的设计起到了参考作用。 3 2 机械结构设计 3 2 。，主要参数的确定方法研究 水下监测平台的优点之一是轻便和便于操作，为了减少布放和回收的费用， 它们应该能够用普通的船只运载，能够两个人轻松的搬动，这些要求决定了监 测平台的质量，一般应该小于5 0 千克【1 4 1 ，我们以总重量4 0 千克作为设计目标。 根据质量，初步决定监测平台的外形和尺寸：长1 7 米，最大舱体直径为o 2 米，上端部为直径o 2 米的半球形状。水下监测平台的耐压壳体材料选用防锈 铝，牌号l f 2 ，它的性能参数2 1 6 5 2 2 5 n m m 2 ，在这里我们取均值 2 1 9 0 n m m 2 ，弹性模量e = 0 7 4 x 1 0 n , n 2 ，泊松比v = 0 3 1 1 3 1 。 对于水下监测平台的耐压壳体以及热交换器，我们提出了两种方案，一种 是耐压壳体与热交换器一体化设计( 图3 - 4 所示) ，一种是耐压壳体与热交换器 分体式设计( 图3 5 所示) 。 图3 - 4 一体化设计方案幽 第三章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械结构设计 l 笙i3 - 5 分体式设计方案i j l 两种设计方案的比较如表3 1 所示，根据重量，可行性以及整体性能，我 们选用集成式设计，即热交换器与耐压壳体作为一体化设计，热交换器同时作 为耐压壳得一部分。 集成设计分体设计 外径 2 1 0 m m1 8 0 r a m 壁厚4 5 m m4 m m 整体长度i 6 m1 6 m 重量 3 6 k s ： 3 k g 外形内径2 5 m m ，壁厚i m m , 2 段，每段i 2 m 热交换面积 o 4 0 6 m 21 2 0 9 m 2 介质厚度 2 c m l 、2 5 c m 总重量 4 l k g“k g 表3 1 方案比较表 1 4 第三章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械结构设计 驱动能量存储是通过蓄能器来实现的。根据监测平台体积和水下运动速度 的要求，选取公称体积2 升的不锈钢隔膜式蓄能器。我们设计要求监测平台有 4 0 0 毫升的体积变化，而根据设计工作深度，蓄能器的预充压力为1 兆帕，根 据如下公式可以计算监测平台的最大- i - 作压力【1 4 1 ： v o = a v x ( b ，p o ) ， ( b ，最声一 其中v o 是公称容积，矿为体积变化，晶为预充压力，只为最小工作压力， 这里取1 兆帕，只为最大工作压力，根据工作情况，蓄能器工作于等温状态， 由此n = 1 0 。这样我们得到监测平台的最大工作压力只= 1 2 5 m p a 。 根据材料特性的试验结果，考虑到各种损失，在1 兆帕压力下，工作材料 的体积膨胀率约为7 5 ，这样选取5 3 升的工作材料即可满足要求，热机工作 腔的容积定为6 升。这样我们确定热机的外径2 0 厘米，长度9 0 厘米，为夹层 圆柱形状。 当热机在水面时，工作材料膨胀，工作腔的外圆柱体受到内部压力的作用。 热机的工作腔外壁厚4 与工作腔的外圆柱体内径d l 的比值小于o 1 ，所以按照 薄壁缸筒计算壁厚： 娩箱 lu 式中p 为承受的内压力，d 为缸筒内径，【a 】= 詈，一为安全系数，这里n = 5 。 由此得到万2 3 1 毫米。 当热机在水底时，工作材料收缩，此时工作腔的外圆柱体受到水压的作用， 外部压力1 兆帕。由于热机的长度l 0 。 3 2 3 结构设计 根据以上主要设计参数，我们得到温差能驱动的水下监测平台的机械结构 与物理样机如图3 8 所示。由于传递介质具有一定的锈蚀性，蓄能器和单向阀 采用不锈钢材料，电磁阀主体使用铜质，考虑到系统的最大压力1 2 5 兆帕，选 用的元件正常工作压力均在1 5 兆帕以上，电磁阀的工作电压选用直流2 4 伏。 内外皮囊的选取是由4 0 0 毫升的体积变化决定的，选用蓄能器的系列标准皮囊 作为内、外皮囊，内皮囊选用l 升容积，外皮囊选用o 6 3 升容积。温差能驱动 的水下监测平台使用电能的元件为电磁阀和单板机，电能采用锂电池供电，供 电电压为2 4 伏。电池组容量5 0 a h ，连接方式为七并八串共5 6 节。单节电池 对外供电电流4 0 m a ，电池组正常供电电流3 0 0m a ，瞬间最大电流达7 0 0 m a 。 电池组直径1 6 7 毫米，高2 6 2 毫米，重量6 2 公斤。控制电路位于电池组上部， 通过绝缘橡胶木隔离。控制电路分上下两层，下层为电源管理系统与电池组引 出线端子直接相连，为上层电路提供合适电源电压。 图3 - 8 温差能驱动的水下监测平台结构图 1 8 第三章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械结构设计 3 2 4c f d 分析 监测平台的工作过程包括上升和下降，平台升降过程中会受到水阻力的作 用，该阻力包括压差阻力和摩擦阻力。在给定速度的条件下，平台所受水阻力 通过计算流体力学( c f d ) 的方法模拟。根据求得的水阻力，确定升降过程中 所需浮力大小。为平台动力驱动装置设计提供依据。 计算流场模型及边界如图3 - 9 所示，平台体表面网格如图3 1 0 所示，平台 体表面速度分布如图3 - l l 所示。 图3 - 9 计算流场模型及边界 图3 一l o平台体表面网格 上升速度为0 2 r r d s 时计算结果为 压差阻力粘性阻力 总阻力压差阻力 粘性阻力总阻力系 ( n )( n )( n )系数系数 数 1 2 3 9 9 80 0 7 3 4i 2 4 70 ，8 7 7 80 0 0 5 1 90 8 8 3 1 9 第三章温筹能驱动霉直运动水下监测平台机械结构设计 图3 - 1l平台体表面速度分布 3 3 监测平台密封性试验 监测平台样机的耐压壳体主要分为四个部分：耐压球体、耐压前舱、热机、 耐压后舱。舱内分别由蓄能器支架、内皮囊支架、电池支架、阀支架支撑和固 定相应的元件。耐压壳体之间使用法兰盘连接，密封采用0 形环。外皮囊与密 封腔之间采用管螺纹密封，压力传感器、温度传感器与密封腔之间采用组合垫 片密封。 监测平台样机的密封性测试是通过压力模拟装置进行外打压试验，压力模 拟装置如图3 - 1 2 所示。样机在1 2 兆帕下保压3 个小时，无变形，无泄漏，密 封性良好。 图3 1 2 压力模拟装置图 3 4 液压循环系统设计与密封性试验 第二章温差能驱动垂直运动水下监测平台机械结构设计 为了使液压系统更为方便得装入密封腔内，我们对液压系统做了一体化设 计，并与热交换器和外皮囊分别留有接口，便与安装。另外，各液压件的安装， 我们采用了最优化设计，以监测平台的重心最低为优化目标，同时兼顾操作方 便性。液压循环系统的整体如图3 1 3 所示。 液压循环系统的密封性直接影响了驱动系统的效率，关于其密封试验采用 先部分后整体的方法。分别对每一段管路打压，验证局部的密封性，然后将管 路整体打压，验证整体可靠性。局部打压1 5 兆帕，各保压一小时，解决了部 分泄漏问题，整体打压1 3 兆帕，保压3 小时，无泄漏，性能良好。 3 5 本章小结 | 璺| 3 - 1 3 液压循环系统l 玺| 本章首先详细介绍了缩比样机的实验过程，并在该模型样机的基础上，经 建模与运动特性分析以及c f d 分析基础上对温差能驱动水下监测平台进行了 机械系统设计，相应的与设计过程中有关的实验进行了讨论。 2 l 第四章水下监测平台垂直运动控制系统设计 第四章水下监测平台垂直运动控制系统设计 温差能驱动的水下监测平台的控制系统是整个平台的核心，与陆地上的控 制系统相比有着其自身的特点，主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 平台密封性要求严格，一般不允许过度拆装。对于水深，升降时间以 及判断条件等参数的修改应尽量在不拆装的情况下进行修改。 ( 2 ) 水下监测平台由于采用了温差能驱动，而较少的采用电能从而拥有广 泛的应用前景。因此在设计过程中应在实现预计功能情况下最大程度 上节省电能。 ( 3 ) 水中作业操作难度大，一旦平台位于水底时控制系统出现以外情况， 打捞回收的几率很小，因此整套控制系统必须进行高可靠性设计。 4 1 硬件系统设计 依据水下监测平台的以上三个特点以及本次实验要求，考虑到系统的小型 化，简单化，采取集中式控制系统，以中央控制单元协调各个功能模块的结构 化化设计思想完成了本次设计，其结构关系如图4 1 ： 图4 - 1 控制系统结构图 4 ，1 1 中央处理单元： 中央处理与控制单元主要负责协调各个模块对数据总线的访问以及控制各 第四章水下监测平台垂直运动控制系统设计 个模块使其正常的工作。选用n 公司的m s c l 2 1 0 y 5 作为中央处理器。m s c l 2 1 0 集成了一个8 通道2 4 位a a d 转换器，采用8 0 5 1 兼容内核。主要增强功能 如下： ( 1 ) c p u 工作频率可达3 3 m h z ，每条指令只需4 个时钟周期，运算速度较 快。片上r a m 为1 2 8 0 b ，有3 4 个高电流驱动i 0 ，可以设外部存储 器的存取时间，使用双数据指针提高存取速度，具有完善的节电功能， 还有电压监视器、2 1 个中断源、3 个1 6 位定时器计数器以及内部时间 间隔计数器。 ( 2 ) 自带b o o tr o m ，可以调试使用或在程序中调用内置固化程序，完成 在线调试、数据采集、u a r t 通讯以及读写f l a s h 等工作，方便了 编程以及调试。 ( 3 ) 片上2 4 位a a d c 具有一些增强特性：8 位输入通道可以任意配置为 单端或差分输入；有快速、s i n e 2 、s i n c 3 三种数字滤波，同时有自动 数字滤波功能，可以加快a d 转换输出；带p g a 偏置d a c ，可以不 引入额外误差而扩大测量范围；自带一个3 2 位累加器，可以对a d c 输出数据作快速平均处理。 ( 4 ) 自带高精度电压标准，精度为o 2 ，漂移为5 p p m ，可以节省空间 以及器件成本，也可输出该电压标准或外接电压标准。 1 片内f l a s h 存储器的使用【1 6 】 m s c l 2 1 0 系列单片机的片内存储器4 k 到3 2 k 字节不等。其中m s c l 2 1 0 y 5 的存储器最大，有3 2 k 字节。而所有的存储器可以通过控制位来定义用于程序 存储的大小与用于数据存储的大小。用于程序存储的f l a s h 只能通过c p u 的 取指令操作自动访问、以及用m o v c 指令进行表格查询时用户访问。用于数 据存储的f l a s h 可以片外r a m 的方式用m o v x 指令任意读写。由于f l a s h 的这种特性，可将程序使用剩余的f l a s h 定义为数据存储使用，而不需要扩 展数据存储器，对于节省空间以及提高系统可靠性很有意义。硬件配置寄存器 0 ( h c r 0 ) 的低3 位将定义f l a s h 存储器的划分，表4 1 与表4 2 反映了不同 f l a s h 容量器件的程序存储器与数据存储器的划分情况。 h c r 0 的低3 位定义了f l a s h 存储器的划分之后，程序存储器的起始地址 依然是0 0 0 0 h ，但结束地址由划分的尺寸决定( 见表4 2 ) ；数据存储器的起始 地址由0 4 0 0 h 开始，不是0 0 0 0 h ，结束地址由划分的尺寸决定( 见表4 ，2 ) 。在 使用时，要注意数据存储器的读写地址不要超出范围。 第四章水下监测平台垂直运动控制系统设计 h c r dm s c l 2 1 0 y 2m s c l 2 1 0 y 3m s c l 2 1 0 y 4m s c l 2 1 0 y 5 d f s e l p md mp md mp md mp md m 0 0 0o k b4 k b0 k b8 k b 0 0 10 k b4 k bo k b8 k bo k b3 蛐 0 1 00 k b4 k b 0 k b 8 k b 0 k b1 6 k b1 6 k b1 6 k b 0 1 10 k b4 k b0 k b8 k b g l ( b 8 k b2 4 l ( b8 k b 1 0 0 0 k b 4 k b 4 k b4 k b1 2 k b4 k b 2 8 k b 4 k b 1 0 12 k b2 k b6 k b2 k b1 4 k b2 k b3 0 l ( b2 k b 1 1 0 3 k b i k b 7 k b l k b 1 5 l ( b l k b3 1 l b l k b 1 1 14 k b0 k b8 k bo k b1 6 k bo k b3 2 l b0 k b 表4 - 1f l a s h 存储器容鼍划分 h c r om s c l 2 1 9 y 2m s c l 2 1 0 v 3m s c l 2 | 0 y 4m s c l 2 j o y 5 d f s e lp md mp md mp md mp md m 0 0 0 0 0 i0 0 0 00 4 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 -0 d o o0 4 0 0 -0 0 0 00 4 0 0 1 3 f f2 3 f f4 3 f f8 3 f f 0 i o0 k b0 4 0 0 _0 0 0 00 4 0 0 -0 0 0 00 4 0 0 -0 0 0 0 0 4 0 0 1 3 f f2 3 f f 4 3 f f 3 f f f4 3 f f 0 1 10 k b0 4 0 0 0 0 0 00 4 0 0 -0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 - t 3 f f2 3 f pi f f f2 3 f f5 f f f 2 3 f f 1 0 0 0 】( b 0 4 0 0 0 0 0 0