（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）微小型水下机器人运动控制技术研究.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 作者( 签字) ：赴 日期：沙再乡月日 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 海洋所蕴藏的巨大经济潜力以及它在政治上的重要地位，已受到世界各 国的广泛关注。随着技术的发展，作为海洋资源开发工具，近年来人们日益 把注意力投向各种水下机器人的研究和开发上来。 水下机器人按照控制方式可以分为以下三类： r 0 v 遥控式水下机器人( 手操控制) ： u u v 一无人无缆水下机器人( 半自主式或预编程控制) ； a u v 一智能水下机器人( 全自主式或智能控制) 。 智能水下机器人由于在实际水下作业中无需人工干预，无需脐带电缆， 可以自主地运行在远程的、难于接近、无法预知或危险的海洋环境之中，完 成自主导航、自主避障和自主作业等任务。因此，无论在军事上，还是商业 上的那些不适合潜水员作业的场合，例如在充当深海工作平台、水下搜救、 海洋勘探采样、水下测量等研究应用领域，智能式水下机器人都具有无可比 拟的优越性f 1 i 。 1 2 微小型智能水下机器人的发展现状 鉴于智能水下机器人的巨大发展潜力，许多国家尤其是发达国家都致力 于智能水下机器人技术研究和产品开发。美国、加拿大、英国、日本、中国、 俄罗斯等国，都成立了专门的机构或者在高校里成立专业研究室研究水下机 器人技术。 哈尔滨r 手旱人学博十学何论文 目前水下智能机器人的一个主要发展方向有分化的趋势： 一方面大型智能水下机器人强调增加负载能力和续航力，集多功能为一 体的。如美国的远期水雷侦察系统( l m r s ) 1 2 j , 日本最新的燃料电池a u v u r a s h i m “引，国内哈尔滨工程大学的智水i v 【4 】o 此类机器人的长度5 7 米，航程达到1 0 0 k m 以上，装备多种传感器，具有复杂的水下作业能力。 另一方面，微小型水下机器人由于具有体积小、机动灵活、成本低、搭 载方便的特点，它可用于通讯中继、海洋资源探测与开发、海洋科学考察与 环境监测、海底考古等5j 。未来还可以形成微小型水下机器人的“编队”，完 成现有装备体系无法完成的任务。 根据美国海军和a u v 行业的通行标准：主尺度在2 - 3 m 的智能水下机器 人称为s m a l l a u v ( d , 型智能水下机器人) ；主尺度 2 m 的即可称为m i n i a u v 或m i c r o a u v ( 微小型智能水下机器人) 由于微小型智能水下机器人具有极为广阔的应用前景，发达国家都已经 投入了大量的人力物力，致力于这类高科技装备的研发。已研制出多型样机， 并已有部分商品化产品投入使用。与此同时，在微小型水下机器人的导航， 控制、环境感知、能源与动力等关键共性技术方面取得了长足进展。使微小 型水下机器人的自主水平不断提高，续航能力大幅度增加| 6 】。 目前，高水平的微小型智能水下机器人仍然以美国的科研机构和公司产 品为代表。 ( 1 ) 世界上迄今为止最小的m i n i a u v ：美国n e k t o n 公司的m i c r o h u n t e r 2 第1 章绪论 图1 1n e k t o n 公司的m i c r o h u n t e r f i g 1 】m i c m h u n l e r o f n e k t o nc o r p m i c r o h u n t e r 开发于2 0 0 0 年，只有一根香烟大小，带有温盐深传感器。 重7 0 克，设计深度1 0 0 m ，巡航范围大于3 0 公里，速度约l r n y s 。其背部为 稳定翼，只有尾部一个螺旋桨是动力部分。其部分借鉴了草履虫螺旋游动的 仿生原理，但由于装置过于简单，增加了控制的难度。n e k t o n 公司最终承认 运动控制不十分成功i7 1 。正因为如此，关于m i c r o h u n t e r 的资料很少。 ( 2 ) 当前知名度最高也是最成功的m i n i a u v ：r e m u s - 1 0 0 r e m u s ( r e m o t ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gu n i t s ，远距离环境监测装置) 系列是美国h y d r o i d 公司的智能水下机器人系列f ”。共有r e m u s - 1 0 0 ， r e m u s 一6 0 0 ，r e m u s 6 0 0 0 三个型号。r e m u s 一1 0 0 为微小型，r e m u s 一6 0 0 为小型，r e m u s 6 0 0 0 为中型水下机器人。 图1 2r e m u s 1 0 0 的标准配置 f i g 1 2s t a n d a r de q u i p m e n t so f r e m u s 1 0 0 哈尔滨t 挥大学博十学位论文 图1 3r e m u s 一1 0 0 在伊拉克战争中投入使用 f i g 1 3r e m u s 一10 0i ni r a qw a r r e m u s 1 0 0 指标： 表1 1r e m u s 1 0 0 指标 t a b l e1 1c h a r a c t e r so f r e m u s 1 0 0 最大直径：1 9 厘米( 7 5 英寸) 最大长度1 6 0 厘米( 6 3 英寸) 空气中重量3 7 公斤 最大潜深1 0 0 米( 3 2 8 英尺) 能量1 千瓦时可充电锂电池 推力器直流无刷电机，3 叶桨 控制两联接翼，可控艏向和纵倾 速度最大速度2 6 r n y s ( 5 节) 外部连接两针以太网；四针串行通讯 导航装置长基线：超短基线 r e m u s 一1 0 0 标准装备有多普勒速度计，侧扫声呐，长基线，超短基线， 传导率和温度传感器，压力传感器。可选装备包括声学m o d e m ，声学图像系 统，水下摄像机，惯导设备，g p s ，荧光计，照明灯，混浊度传感器等。其 配套设备包括网关联系浮标，最多可允许4 个r e m u s 进行多机器人合作| 9 j 。 设计目的为水文调查，雷区搜索，海湾安全业务，环境监测，飞机残骸 探查，搜索和海中救助，渔业业务，科学采样和标图。 第】章绪论 r e m u s 1 0 0 由于其卓越的性能已经被多国军方采购，包括英国，美国军 队已经将其用于军事目的，德国海军测试中心也希望对其进行性能测试实验， 以便装备德国海军。美国更是世界上第一次将a u v 应用于真实雷场。2 0 0 3 年， 美国海军在伊拉克u m mq a s r 海港运用r e m u s 一1 0 0 清扫了1 9 9 1 1 9 9 2 年第一次 海湾战争时期伊拉克海军布放的水雷。r e m u s 一1 0 0 利用其装备的侧扫声呐， 发现了数枚水雷并进行了图上标定。随后美国海军的海豚进行了可疑目标的 进一步探查，并最终将其摧毁。这是世界上第一次成功运用a u v 实现的真实 雷场的搜索，r e m u s 1 0 0 大展身手。 ( 3 ) 有资料可查的最早的m i n i - a u v ：m i t 的s e as q u i r t s e as q u i r t 建造于1 9 8 8 年，长1 m ，是m i t 水下机器人实验室的第一 台a u v ，也是微小型水下机器人的鼻祖之一【j 。其耗资4 0 0 0 0 美元。导航设 备为长基线。曾用来测定波士顿港和许多湖泊水中的氧浓度，浑浊度，温度 和盐度。至今，s e as q u i r t 仍然做为m i t 水下机器人实验室的软件和设备 实验平台。 【4 ) 美国n e k t o n 研制的低成本、单一任务的微小型水下机器人“巡逻兵 ( r a n g e r ) ” 总长：0 9 2m 直径：0 0 9m 重量：4 5 埏 工作时间：8 4h r 巡航航速：2 l ( f l 最大航速：4k n 工作范围：3 0k m 装有温盐深、叶绿素、含氧量等传感器，主要用于海洋环境监测及多水 下探测器的协调控制研究1 1 2 。 哈尔滨t 程大学博士学何论文 图14n e k t o n 公司的r a n g e r f i g i 4r a n g e ro f n e k t o nc o r p ( 5 ) 可实际应用的最小m i n i - a u v ：维吉尼亚工学院的v tm i n i a t u r e a u v 例1 ，5 维吉尼亚工学院的v tm i n i a t u r ea u v f i g 15v i r g i n i a t e c hm i n i a t u r e a u v 维吉尼亚工学院电子与计算机工程系于2 0 0 3 年开始研发微小型水下机器 人一v tm i n i a t u r e a u v 【1 。其长7 0 c m ，直径8 9 c m ，期望速度2 3 节，期望巡 航范围3 0 k m 。由于微小型a u v 空间狭小，以及功率、散热的需要，研究人员 进行了大量的p c b 设计，并没有采用现成的商用电路。因此保证了小尺寸下 的电路正常工作。但后续试验的情况并无相关论文发表。从网站提供的视频 录像( 业型：箜d ：i 鳇盟：d 型堕b ! 堡：n 塑! ) 来看，航行基本稳定。 ( 6 ) b l u e f i nr o b o t i c s 公司的b l u e f i n 一9 6 第l 章绪论 图1 6b 1 u e f i nr o b o t i c s 公司的b l u e f i n 一9 f i g 1 6b l u e f i n - 9a u v o f b l u e f i nr o b o t i c sc a r p b l u e f i n 一9 的突出特点是电池以及数据记录模块可由机器人顶部的小天窗 方便的取出，如图1 6 。其自身携带侧扫声呐和温盐深传感器。 b l u e f i n r o b o t i c s 公司宣称b l u e f i n 9 由于其精确的航行控制系统可以不采 用声学导航( 如长，短基线) 和惯性导航系统。但没有透露其采用的导航 方式。另外，从取数据记录模块的天窗看，其耐压壳不具备较大深度的潜航 能力，属于极浅水a u v 的范畴。 ( 7 ) p e r r y 公司推出的第二代“鲸鱼座”水下智能机器人 、， 基本参数与性能： 空气中重量：5 5 k g ； 以锂电池为动力： 续航力：8 0k m ( 以3 k n 航速航行) ，水下连续航行时间为1 4 小时。 主要传感器及其特征为1 1 纠： 微光t v ； 水雷探测与识别声纳系统( m i r i s ) ； 作业水深( 1 1 6 0 ) i t i ； 识别目标的时间l 一3 分钟； 探索速度( 9 5 的探测概率) o0 3 2 1 公里2 j , 时。 图1 7 水中前进的“鲸鱼座i i ”a u v f i g1 7 c e t u si i i nt h ew a t e r 哈尔滨t 程大学博十学付论文 ( 8 ) 日本东京大学最新研制的微小型水下a u v 试验平台“t a m e g g ” 图1 8 “t a m e g gj ”探测器 f i g 1 8 “t a m e 9 9 1 a u v 图1 9 在水池中进行试验的“t a m e g g1 ” f i g 1 9 “t a m - e g gl ”i n t h e t a n k 总长： 1 2 2m 宽：0 5 8m 高：0 5 0 m 重量： 1 3 1k g 潜深： 1 0 0m 采用镍一镉( n i c d ) 电池，持续工作时间为3 小时，由四个1 0 0 w 的 推力器推进，装备有磁罗经( t c m 2 ) 、压力( 深度) 传感器、光纤陀螺、两 台摄像机、四个声学搜索传感器、两台l e d 照明灯( 图1 8 ，图1 9 ) 。研制 该探测器的目的是发展一种用于海底复杂结构( 如沉船) 探查的微小型探测 器。 ( 9 ) 国际a u v 竞赛中的各国机器人7 1 由于国际a u v 竞赛不要求的机器人大潜深，因此各国机器人的耐压壳 体设计简单。有的参赛队甚至用矿泉水瓶进行平衡调节。但有些传感器和设 计思路是值得借鉴的。 第1 章绪论 图1 1 0 国际a u v 竞赛中微小型水下机器人 f i g 1 1 0m i n i a u vi ni n t e r n a t i o n a la u vc o n t e s t 1 3 微小型水下机器人研究的技术难点 ( 1 ) 兼顾强度与容积的耐压壳体设计与结构分析； ( 2 ) 适用于微小型运动控制的系统软硬件体系结构； ( 3 ) 运动控制系统的稳定性问题； ( 4 ) 采用水平翼定深控制问题： ( 5 ) 大宽长比的水下航行体艏向稳定控制； ( 6 ) 适应海流情况的微小型水下机器人的运动控制策略。 1 4 本论文的主要工作 本论文重点对带翼微小型水下机器人“w l 一1 ”的运动控制系统进行了研 究。在对大量文献进行深入分析的基础上，结合我们的具体问题，着重研究 了“w l - 1 ”水下机器人的运动性能，构建了水平翼和垂直舵参与姿态控制的 动力学仿真系统。介绍了基于服务器和客户端形式的“w l 一1 ”控制系统的软 硬件结构。采用免疫遗传算法对s 面控制器进行了参数寻优，应用t s 模型 拟合了分段控制的跳变问题。采用基于仿人智能的a u v 自寻优模糊运动控制 解决了“w l 一1 ”水下机器人艏向振荡和超调问题。对a u v 运动控制系统的稳 哈尔滨t 程大学博十学传论文 定性进行了分析。探讨了m i n i a u v 运动控制中的海洋环境适应性问题。 本论文共分为以下九个部分： 第l 章概要要介绍了各国微小型水下机器人发展的相关情况，重点分析了 国外若干有代表性的微小型水下机器人系统。简要介绍了作者的工 作和论文的组织。 第2 章针对微小型水下机器人设计的难点，进行了非标准和标准形状的耐 压壳体的应力和屈曲强度的校核，得到了耐压壳体较优的布置形式 以及壳体厚度，肋骨，法兰加强形式；进行了浮力和重量，浮心和 重心，稳心高的计算；根据螺旋桨试验和纵向阻力系数计算值，对 最大航速和续航力进行了估算：考虑电磁兼容性，进行了舱室布置； 对采用的水平翼装置进行了说明。 第3 章根据水下机器人运动的一般方程，推导了水下机器人6 自由度运动 方程的矩阵表达形式。在推力解算中，采用两种解算方式：最小二 乘法拟合进速系数j 与推力系数k t 曲线；采用两次a t i k e n 插值求 解不同航速下电压与推力的曲线组。给出了控制面( 舵或翼) 施力 的解算方法，并将其代入水下机器人6 自由度运动方程的矩阵表达 形式得到带舵翼水下机器人运动仿真器的完整程序流程。进行了相 应仿真试验，并与真实试验进行了对比。 第4 章建立了基于p c 1 0 4 堆栈式板卡的工控机硬件体系结构，水面控制 p c 通过光纤与“w l 一1 ”进行网络通讯，图像声纳和水下摄像机也 通过光纤转发至水面监控设备。建立了基于服务器一客户端形式的 s o c k e t 事件激发响应体系，并通过事件响应进行控制节拍调整，效 果良好。规范了数据流和控制流的途径，增强了系统可靠性。 第5 章利用免疫算法产生多样性抗体的能力，抗体浓度的自我调节，抗原 的免疫记忆功能实现了s 面控制器参数优化计算的快速收敛，避免 了局部峰值的徘徊。给出了s 面控制器的推导过程，免疫遗传算法 求解的一般过程。详细论述了s 面控制器参数免疫遗传优化的具体 实现。大量的仿真实验和湖中实验得到了确定性的结果。表明了此 第1 章绪论 算法对于水下机器人运动非线性控制器的参数寻优能达到很好的效 果。 第6 章针对不同航速段采用不同最优控制参数带来的分段控制边界层系统 跳变的情况，采用杉木一管野模型对分段函数进行了曲面光顺拟合。 针对“w l 1 ”不能垂直下潜和水平横移的特点，对探测必达点问题 进行了路径再规划。建立了带舵翼水下机器人运动控制的推力分配 方程，并给出了求解过程。 第7 章针对“w l 一1 ”艏向控制振荡严重和超调问题采用仿人智能控制和 模糊控制的切换控制解决了上述问题。 第8 章应用李雅普诺夫第二定理，进行了速度控制的稳定性分析，给出了 p d 控制的稳定域和s 面稳定控制的监测公式。 第9 章利用最优控制的拉格朗目方程和哈米尔顿算子设计了艏向加速度规 划器，使其适合海流中的航渡问题，并探讨了海流下路径跟踪的力 矢量合成办法。 最后，对所做的工作加以总结，提出了有待进一步探讨的问题。 第2 章“w l l ”水下机器人的初步设计 第2 章“w l - 1 ”水下机器人的初步设计 2 1 “w l 一1 ”设计任务书 1 技术要求： “w l 1 ”系统应该满足以下的技术要求，适应复杂的水下环境，可进行多 次反复航行，满足确定目标的实现，具体是： 具有相对较大的续航力： 具有较长时间( 3 h r ) ，较大深度( 5 0 m ) 的航行能力； 具有相当精度的定向与定深航行能力： 传感器安装做到保持传感器良好的工作状态 “w l 1 ”所配置的传感器从功能上大体属于以下几种： 探测与识别类； 机器人航行控制类； 安全检测类。 可靠性设计，保持机器人具有良好的可靠性 电磁兼容设计：仓室的布置与分布：屏蔽与接地等。 水密性设计：水密仓室，接插件及电缆；漏水检测系统；散热技术措施。 2 研究目标： 具有一定自主探测功能的微小型水下机器人实验样机； 大力推进小型化的探测与识别、导航、智能控制等系统的研究； 研制开发微小型水下机器人专用控制系统硬件。 3 性能指标： 微小型水下机器人实验样机：总长 1 0m ，排水量5 0k ，潜深5 0 m ， 哈尔滨下程大学博十学竹论文 速度1 5k n ，续航力3 小时，可实现航向控制，深度控制。配有高能锂电池， 可搭载水下t v 、深度计、磁罗经、水声定位系统、温盐深等传感器和设备， 具有一定的自主航行和探测能力。 探测与识别可在水池环境中探测识别5 0 0t o n i 以下的水雷： 水下导航与定位系统定位距离1 5 0 0 米，最大相对位置误差l ： 2 2 耐压舱设计与结构强度计算 由于微小型水下机器人设计要求体积尺寸尽量小。我们开始尝试采用非 标准截面耐压舱，以增加容积，利于电池及设备布放。如图2 1 所示，我们 首先尝试了长圆形横截面的耐压壳。其优点是有利于长方体形状的电池和电 路的布置，但其也有较明显的缺点，强度难以保证。为此，我们进行了耐压 壳的强度校核。 图2 1 长圆形横截面耐压壳 f i g 2 1p r e s s u r ec a b i nw i t ho b r o u n ds h a p 2 2 1 长圆形截面耐压壳强度校核 结构说明：主体结构为截面长圆形结构。半圆内表面半径r = 9 5 m m 。设 计壳板厚度t = 5 m m 。暂不考虑肋骨加强作用。材料采用l f 6 高强度铝合金材， 其屈服极限盯，= 1 6 0 m p a 。依据钢制压力容器g b l 5 0 1 9 9 8r 。9 进行强度 校核。按潜器规范f 2 。1 4 1 2 3 中规定：计算压力p c ：5 0 1 5 0 0 1 ：0 7 5 m p 口 参数计算 4 岛 ，=u、 第2 章“w l 1 ”水下机器人的初步设计 r = 9 5 m m ； 4 = j 2 = 5 m m ； l = 1 0 0 m ； l ，= l m m ； c = 5 2 = 2 5 m m ； ，= l s 。：6 , 丝= 1 0 4 1 6 6 6 6 7 4 ； ，：丝：1 0 4 1 6 6 6 6 7 n u n 4 ； 1 2 口2 = 1 2 1 1 = 1 ； y = l r = 1 0 5 2 6 3 1 5 8 ； c l = 2 ( 2 r 2 + 3 n ? c r 2 + 1 2 a j 2 ) = 2 1 7 8 3 5 3 8 9 ； a = r ( 2 y + 嬲2 ) = 4 9 84 5 1 2 9 7 ； 应力校核 a ) 半圆部分 b 点薄膜应力b2 百p c r = 1 4 2 5 m p a c 点薄膜应力盯：旦：竺= 2 9 2 5 m p a d b 点弯曲应埘= 等( 3 卜c 1 m ) = - 4 1 1 0 7 3 2 6 0 8 m p a c 点弯曲应力西= 掣【3 ( 三+ 2 r ) 一c a = 1 2 9 8 9 2 6 7 3 9 m p a 0 1 ， 盯： 1 5 + 0 8 5 0 - ， 半圆部分不能满足应力校核要求 直侧板 哈尔滨1 = 稗大学博十学位论文 a 点薄膜应力盯m a = p 疋o r = 1 4 2 5 m p a b 点薄膜应力盯m b = p 正o r 21 4 2 5 m p a a 点弯曲应力酊2 警 _ c 1 圳= - 1 3 1 1 0 7 3 2 6 1 m p a 瞒黜勘硝= 警眦刊c i 爿 = - 4 1 1 0 7 3 2 6 0 8 m p a 盯： 1 5 + 0 8 5 盯， 直侧板部分不能满足应力校核要求 由于设计壳板厚度t = 5 m m 不能满足应力校核要求，渐次加大厚度l m m 均不满足应力校核要求。尝试加大至t = 1 3 m m 。 参数计算 r = 8 7 m m ； 4 = 如= 1 3 m m ； l = 1 0 0 m ； ，= l m m ； c = l3 2 = 65 m m ； ，l ：丝：1 8 3 0 8 3 3 3 3 衄4 ； 。 1 2 ，：丝：1 8 3 0 8 3 3 3 3 m m 4 ； 1 2 口2 = ，2 i i = 1 ； ) ，= 上r = 1 1 4 9 4 2 5 2 9 ； c l = f2 ( 2 r2 + 3 刀膨2 + 1 2 f f 2 ) = 1 9 2 8 2 3 5 6 7 9 6 第2 章“w l 1 ”水下机器人的初步设计 a = r ( 2 y + 7 磁2 ) = 4 7 3 3 18 5 5 6 ； 应力校核 a ) 半圆部分 b 点薄膜应力盯：= p r = 5 0 1 9 2 3 0 7 6 9 m p a 岛 c 点薄膜应力盯：=丛! 望：1 0 7 8 8 4 6 1 5 4 m p a 点 b 点弯曲应力盯? ：p c 了l _ l cl , 1 j l 一c l a ) = 一4 7 6 5 6 7 0 9 0 8 m p a o - c 点弯曲应力盯；：垦箬【3 ( 上+ 2 r ) 一c i a = 1 8 4 0 0 0 0 9 5 7 m p a o l ， 盯： 0 8 5c r ，；盯。c 0 8 5 0 - ，； 但盯：+ 盯? 1 5 + 0 8 5 0 - 。；盯。c + 西 1 , 5 + 0 8 5 a ， 半圆部分满足应力校核要求 b ) 直侧板 a 点薄膜应力盯。a ：p 。 _ z r = 5 0 1 9 2 3 0 7 6 9 m p a b 点薄膜应加m b2 等0 1 9 2 3 0 7 6 9 m h a 点弯曲应力彳= 警【_ c 1 俨- 1 8 0 _ 7 9 2 8 0 3 8 m p a b 点弯曲应力班旦警【3 l - c i a - 4 7 6 5 6 7 0 9 0 8 m p a 盯： 0 8 5 ( r ，：盯： 0 8 5 0 - ，； 但盯! + 盯? l ，5 + 0 8 5 仃，：盯：+ 仃 b 1 5 。0 8 5 0 s 直侧板部分满足应力校核要求 同样计算t = 1 2 5 m m 不能满足应力校核要求，t = 1 3 m m 为不考虑肋骨加强 7 哈尔滨t 程大学博十学 奇论文 情况下的最小壳体。由于1 3 m m 壳体过厚，使结构重量过大，无法满足浮力 要求，此设计放弃。 2 2 2 圆柱耐压壳强度校核 由于长圆体横截面耐压壳不能满足应力校核要求。改为双圆柱耐压壳并 列设置的方案。 结构说明：主体结构为圆柱形结构。长度l = 6 0 0 m m ，半径r = 1 1 6 5 m m ， 壳板厚度t = 3 m m 。肋骨为矩形截面5 m m * 3 m m ，肋骨最大间距l = 3 0 0 r a m 。法 兰为矩形截面1 5 m m * 5 m m 。采用l f 6 高强度铝合金材，其屈服极限 盯= 1 6 0 m p a ，弹性模量e = 7 5 x 1 0 4 m p a ，泊松比i t = 0 3 0 ，依据潜器规范 进行强度计算。 计算压力确定 按潜器规范4 1 2 3 中规定 p = 5 0 1 5 xo ，0 1 = o 7 5 m p a 应力计算与校验 相邻肋骨中点处壳板的周向平均应力： p r 盯，2 尺- _ “= 06 4 3 ；= 1 0 3 1 8 3 1 1 5 7 m 口：t t ：6 0 f ，= ( 訾) 2 胪o o 。z ，s 哪 r = 2 u y = 0 8 8 2 7 9 4 1 9 7 “1 = ”1 一y = 1 0 0 9 5 2 0 0 8 8 “2 = “1 + y = 1 0 5 3 6 6 9 9 0 3 e = 4 1 一，2 ( c h 2 u 1 一c o s 2 u 2 ) e = 0 0 9 4 8 1 9 5 0 6 第2 苹“w 【。- 1 ，水r d 【器人嗣仞步发计 f 2 ：! ! ! 二! ：塑丝些坚! ! ! ! 里塾2 ：0 9 9 8 6 2 5 4 2 4 4 3 ( i 一2 ) e f 4 = 2 ( i o 5 ) ( “l c h u is i n u2 + “2 s h u 】c o s u 2 ) e = 一9 1 3 5 8 e 一0 5 f 5 = u 2 s h 2 u l + u is i n 2 u 2 = 3 0 9 2 1 0 8 0 0 2 k 1 - l j l ：1 ，0 0 0 0 1 3 6 5 8 1 + p j l 口、= k 、p j _ a t = 2 9 1 2 5 3 9 7 7 8 m p a 盯l 0 8 5 c r ，= 1 3 6 m p a满足强度要求。 肋骨处壳板的轴向应力： 铲世：竿 k ：0 5 + 1 l ：o 6 4 9 2 8 9 8 7 7 1 融、 仃2 = k2p j f r = 1 8 9 1 0 5 6 7 6 7 m p n 盯2 1 2 p ，= 0 9 m p a 舱段总体稳定性满足 此方案无论从应力和稳定上，都满足要求，且容易加工。缺点是电池及 设备布放太过紧凑。在两个圆柱耐压舱底部布置两道滑轨，在滑轨上布放可 ( 5 m r n 厚、，电池及传感器，控制电路叠放在垫板上。 2 0 第2 章“w l 1 ”水下机器人的初步设计 2 3 “w l - 1 ”水下机器人水动力性能计算 “w l i ”主要技术参数 水下全排水容积v = 0 0 7 6 m 3 艇体的高h = 0 2 6 m 艇体的长度 艇体的宽 “w l - i ”水下机器人的重量、重心计算 取“w l i ”的几何中心为坐标原点。 表2 1 水下机器人重量、重心计算表 t a b l e2 1t a b l eo f w e i g h ta n db a r y c e n t e r l = 0 9 5 m b = 0 5 2 m 质量( k g ) x r m v r mz m质量 x 质量 y质量 z 步进电机 0 7 00 1 501 70 0 1 0 50 1 1 90 步进电机支架 03 00 1 70 1 700 0 5 l一00 5 l0 磁罗绛01 204 201 7000 5 0 4 00 2 0 4 0 4 5 v 电池组l48 00 2 202 200 21 0 5 61 0 5 60 0 9 6 4 5 v 电池组24 8 002 20 2 200 21 0 5 6l0 5 600 9 6 4 5 v 电池组3 4 ，8 0- 02 202 200 210 5 610 5 600 9 6 4 5 v 电池组448 00 2 20 2 20 0 2一l0 5 610 5 600 9 6 吊环01 00 0 2 3 50- 0 1 3 800 0 2 3 500 0 1 3 8 定位声纳发射器l2 00 0 1 6 7000 9 6 50 0 2 0 0 400 1 1 5 8 定位声纳换能器 23 0 0 2 9 3 00 1 3 6 0 6 7 3 9 003 1 2 8 工控机0 8 00 0 401 700 0 3 20 1 3 60 光端机 01 500 50 1 90 0 0 0 7 5 00 2 8 50 襟翼驱动蜗杆05 00 4 3 701 30 0 402 1 8 500 6 50 0 2 襟翼驱动蜗轮 0 7 0- 0 4 3 70 1 300 3 0 5 90 0 9 l0 襟翼驱动轴 06 00 4 3 70002 6 2 200 摄像机08 00 3 4 80002 7 8 4 0 0 摄像机立架01 0 02 9 2 70000 2 9 2 700 艄部1 f 耐挂壳一1 08 00 3 9 3 4 900 0 0 1 5 5 30 3 1 4 7 9 2 0 0 0 0 1 2 5 0 4 探测声纳04 0 03 3 5 2 8 00 0 1 4 6 01 3 4 1 1 2o 一00 0 5 8 4 椿删声纳防护环 + | 古| 定底座 01 203 1 4 20- 01 4 4o 0 3 7 7 0 400 0 1 7 2 8 推进器10 ，9 50 2 7 902 6002 6 5 0 5 0 2 4 7 o 推址器209 5 - 0 2 7 9一o 2 6002 6 5 0 502 4 70 推进器同定夹1 01 0 02 5 9 0 2 6 000 2 5 900 2 60 撮址器嗣定夹2 01 002 5 902 6000 2 5 900 2 6o 2 l 哈尔滨t 稃大学博十学付论文 尾部非耐址壳 0 8 004 1 3000 3 3 0 400 襟鬓左1 4 00 4 9 3 502 4006 9 1 0 40 3 3 6 0 襟翼右i4 0- 0 4 9 3 602 4006 9 1 0 40 3 3 60 小l 乜池 25 000 20 2 300 0 300 505 7 50 0 0 7 5 圆柱耐抹壳 1 7 1 0 0 ，0 30o0 5 1 3o0 网柱耐压壳剧定 端板一上后0 1 5- 02 7 5001 0 6- 00 4 1 2 50- 0 0 1 5 9 圆柱耐压壳固定 端扳一卜前 01 50 2 9 4 9 4 00 1 0 5 00 4 4 2 4 l0- 0 0 1 5 7 5 厕柱耐压壳固定 端板下o 3 50 0 1001 0 7 500 0 3 5o00 3 7 6 2 5 圆柱耐压壳后盖 29 004 30012 4 700 圆柱耐胜壳前盖29 00 4 6001 3 3 400 圆柱耐压壳中部 固定起吊板 0 8 00 2 3 5001 0 70 1 8 8o一0 0 8 5 6 总和6 1 4 4 21 7 4 8 2 01 2 l l 0 7 2 4 8 0 5 4 0 0 3 5 4 y 0 0 0 1 9 7 l00 1 1 7 9 6 9 6 3 重量= 重量= 6 1 4 4k g 重心：。= 紫= 署= 一。，s 。m 2 。s a o 珊 ：三璧量一旦业：0 0 0 1 9 7 1m 1 9 7 r a m1 质量 6 i4 4 乙：罂一0 7 2 4 8 0 5 4 0 0 11 7 9 6 9 6 3m ii 8 0 m m ” 质量 6 1 4 4 。 第2 章“w l 1 ”水下机器人的初步设计 总排水量、浮心以及转动惯量计算 表22 水下机器人总排水量、浮心以及转动惯量计算表 t a b l e2 2t a b l eo f w a t e rd i s c h a r g e ，b u o y a n tc e n t e ra n d r o t a r yi n e r t i a x m my m mz n m li x i y i z 吊环 2 3 5o一】3 88 8 e + 0 78 8 8 7 3 6 0 9 3 6 4 1 2 5 3 定位声纳处理器1 6 709 657 6 e + 0 911 7 e + 1 0 4 5 l e + 0 9 定位声纳换能器一2 9 3501 3 6 2 2 e + 0 911 8 e + 1 096 1 e + 0 9 襟翼驱动蜗杆一4 3 71 3 04 017 e + 0 8l8 2 e + 0 9 1 9 6 e + 0 9 襟羁驱动蜗杆支架 一4 2 l _ 6一1 3 0 4 021 6 e + 0 914 3 e + i 0l5 6 e + 1 0 襟翌驱动蜗轮24 3 71 3 005 9 e + 0 86 5 5 e + 0 97 1 2 e + 0 9 摄像机支架2 9 27o02 7 e + 0 751 2 e + 0 8 48 6 e + 0 8 艏部非耐压壳一13 9 3 4 9 0 1 5 6 3l1 e + 1 058 7 e + 1 064 3 e + 1 0 探测声纳3 3 5 2 801 4 634 e + 0 92 1 e + 1 017 6 e + l o 探测声纳防护环3 1 42o一1 4 435 e + 0 81 9 2 e + 0 9 1 5 8 e + 0 9 探测声纳固定底座 3 2 7 5 601 1 637 e + 0 8 3 2 2 e + 0 928 7 e + 0 9 摊进器一2 7 98000 2 842 e + 1 033 2 e + 1 074 8 e + 1 0 推进器圊定夹一2 5 96000 2 93 4 e + 0 92 3 9 e + 0 95 7 5 e + 0 9 尾部非耐压壳上部 4 1 3 207 77 8 e + 0 949 2 e + i o 53 e + 1 0 尾部非耐肤壳下部 一4 1 19o6 9 7 282 e + 0 94 7 4 e + 1 0 5 2 1 e + 1 0 尾翼一3 一固定- 4 2 05 00 1 e + 1 0l9 1 e + 1 029 e + 1 0 尾翼一3 一襟翼一4 9 360012 e + i o37 5 e + 1 04 9 4 e + 1 0 尾翼一3 一裸翼轴 一4 3 70076 e + 0 872 8 卧0 980 4 e + 0 9 尾翼一3 一襟翼轴一轴套 一4 3 700 33 e * 0 8 16 7 e + 0 9 2 e + 0 9 尾翼一3 一襟翼轴固定板一4 4 3 3 00 31 e + 0 8l3 3 e + 0 91 6 4 e + 0 9 尾翼一3 襟翼轴固定架 一3 8 6 50017 e - 0 91 _ 4 8 e + 1 016 5 e + 1 0 稳定嚣 一5 0 8501 1 422 e + 0 920 5 e + 1 0 20 5 e + 1 0 圆柱耐压壳固定端板一上后 一2 7 501 0 61 e + 0 96 6 1 e + 0 958 5 e + 0 9 圆柱耐压壳吲定端板一上前 2 9 49 4 0 1 0 51 1 e + 0 97 9 9 e + 0 97 1 8 e 十0 9 圆柱耐压壳固定端板一下 l o01 0 752 e + 0 91 3 1 e + l o1 1 7 e + 1 0 圆柱耐压壳中部固定起吊板2 35 o一1 0 79 4 e + 0 88 4 7 e + 0 8 1 7 2 e + 0 8 止推轴承一单向 一4 1 9 8一1 3 04 01 2 e + 0 81 1 7 e + 0 912 7 e + 0 9 中部浮力材1 00 1 0 144 e + 1 0 1 2 8 e + 1 l9 4 l e + 1 0 中部盖板f ： 97 4 7 2o一1 2 948 e + 0 993 e + 0 969 3 e + 0 9 中部盖扳下 1 001 2 9 349 e + 0 993 7 e + 0 969 5 e + 0 9 耐爪桶争体一1 31 8 00 哈尔滨t 程大学博+ 学位论文 体积vx * vy * vz * v 吊环4 4 2 6 3 0 9 31 0 4 0 1 8 2 6 8 6o一6 1 1 2 6 71 1 7 定位声纳处理器7 7 1 3 9 421 2 8 8 2 2 8 3 1 407 4 4 3 9 5 4 03 定位声纳换能器1 1 1 3 3 01 93 2 6 7 5 4 1 0701 5 1 9 0 5 8 1 3 襟翼驱动蜗杆 9 4 2 47 7 8 4 1 1 8 6 2 79 91 2 2 5 2 2 13 7 6 9 9 l1 2 襟翼驱动蜗杆支架 7 9 1 1 31 4 2 73 3 3 5 5 6 7 531 e + 0 7 3 1 8 0 0 0 02 3 9 襟翼驱动蜗轮23 4 2 1 1 9 4 41 4 9 5 0 6 1 9 54 4 4 7 5 5 30 摄像机支架5 6 5 4 8 6 6 81 6 5 5 1 7 95 1 200 艏部非耐压壳l 3 5 6 7 5 20 8 6 1 4 0 3 7 6 6 6 5805 5 7 7 1 0 5 3 5 7 探测声纳1 5 6 0 9 4 8 75 2 3 3 4 8 1 68 40 2 2 7 6 2 5 8 1 3 探测声纳防护环 1 5 8 6 71 3 2 54 9 8 5 4 7 68 3 2o一2 2 9 0 7 4 l0 9 探测声纳固定底座2 6 5 4 4 1 2 9 38 6 9 4 8 8 5 2 4 403 0 6 8 4 2 1 7 l 推进器 4 1 3 7 2 37 2 5 一l1 5 7 7 2 2 2 701 1 4 6 0 1 4 7 1 7 推进器固定夹3 5 1 8 3 9 4 9 19 1 3 2 6 9 41 501 0 3 08 8 9 7 0 9 尾部非耐压壳上部2 6 8 1 7 57 4 81 1 0 8 0 5 8 7 402 0 6 5 3 1 7 97 尾部非耐压壳下部 2 6 0 8 4 96 1 21 0 7 4 3 9 3 3 801 8 1 8 6 1 2 l _ 9 尾翼一3 一固定1 0 6 8 7 5 5 7 84 4 9 3 8 6 9 0 500 尾翼一3 襟翼 1 5 3 2 7 7 9 0 47 5 6 5 4 6 1 66 00 尾翼一3 一谍鬓轴 3 8 1 3 30 1 4 51 6 6 6 3 7 9 5600 尾翼一3 一襟翼轴一尼龙轴套8 7 5 87 2 2 63 8 2 7 5 6 1 7 800 尾翼一3 一襟翼轴固定板 6 7 8 0 3 5 7 7 3 0 0 5 9 0 20 800 尾翼一3 一襟翼轴固定架 9 9 0 0 01 1 9 l 一3 8 2 6 7 8 5 2500 稳定翼 7 4 7 7 30 1 1 83 8 0 2 4 8 2 0 708 5 1 7 5 1 34 l 圆柱耐压壳固定端板上后7 5 5 5 01 7 4 72 0 7 7 6 2 9 808 0 2 1 6 0 02 4 圆柱耐压壳固定端板一上前 8