水下滑翔机航行器布放回收装置设计开题报告

拟选题目小型水下航行器自动布放回收装置结构设计选题依据及研究意义选题依据随着海洋资源开发和海防形势的变化，海洋利用区域不断扩大，并不断向深海、远海延伸。因此，科技工作者开始致力于水下机器人的研究和应用。目前，已有很多不同种类的水下机器人应用到军事海洋技术、海洋科学技术考察、海底勘探、管路检修、油田勘探等多个行业领域。其中，水下滑翔机是一种新型的水下机器人由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源并且具有效率高、续航力大可达上千公里的特点。虽然水下滑翔机的航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点，满足了长时间、大范围海洋探索的需要。而水下滑翔机的布放以及回收也是实验过程中的重要环节，这直接影响到实验设备的安全性及实验数据能否及时读取，所以布放回收装置需要经过全面的思考与设计。目前，布放装置常用两根绳子或者吊带通过母船吊机将滑翔机吊起放入水中，再通过长拨杆将绳子或吊带从滑翔机上剥离，实现水下滑翔机的布放，虽然装置较为简单，但在水中需要拨杆不断拨动绳子较为繁琐，尤其在海浪较大的情况下，这个过程变得更加困难，也更加危险。另外，也有采用绳子将在水中的滑翔机套住，然后通过吊机将滑翔机吊起移动到甲板上实现回收过程，但在海中滑翔机常常因为波浪而姿态始终改变，这为操作带来了很大的不便。水下滑翔机的回收过程是其应用中一个很重要的环节。目前所开发的水下滑翔机的控制和任务的执行大多数采用预编程形式，即在执行使命时基本上是按照预先输入的程序的编排进行作业，完成作业后，自动浮出水面，但是浮出水面后的水下滑翔机可能远离出发地点，也可能由于水流等因素会偏离预先设定路线。常见的水下滑翔机导航定位方法有水声导航、惯性导航、卫星导航、电磁导航、光学导航、视觉导航和组合式导航等等。所以为了便于重复投放并保证滑翔机不在此过程中受损，需要进行对于水下滑翔机专用布放回收装置的研究。 研究意义水下滑翔机是一种新型的水下机器人，由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力、能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，并且具有效率高、续航力大可达上千公里的特点。虽然水下滑翔机的航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点满足了长时间、大范围海洋探索的需要。但是由于受到海上风浪及母船自身荡漾的影响，作业过程比较困难。如果能够攻克水下航行器回收这一国际国内丞待解决的共性问题，设计面向多种类航行器的通用布放回收装置，可节省海上作业时间，降低劳动成本，提高不妨回收的效率，有利于大规模群观测试验的实施，具有研究意义和实用价值。文献综述（对已有相关代表性研究成果的综合介绍与评价）通过查阅相关资料，针对水下滑翔机的优点以及应用方面作了介绍，针对国内外水下滑翔机的回收装置现状及形式种类做了调查。随着各国对海洋国土与资源的日益重视，世界上许多发达国家在经济和军事需求的驱使下，争相发展海洋高科技。水下滑翔机的出现为人类进行深海资源的研究与开发提供了强有力的支持，AUV 在军事侦察、科学考察、海洋环境监测等领域有着重要而广泛的应用1,2。水下滑翔机作为一种新型的水下机器人，近年来在国内外正处于研究的热潮期，其主要工作原理是利用自身的浮力并结合姿态角的调整来获得推动力，整个运行过程中能源消耗很低，因而可以在海水里连续工作长达几个月的时间，航程可以持续数千公里3,4。水下滑翔机有许多突出的优点，比如低能耗、效率高、续航力高、智能化程度高、机动能力好、无噪声（隐身性能好）、制造维护成本比较低等，因而在民用和军事两方面水下滑翔机近年来得到了越来越广泛的应用5,6。在民用方面，水下滑翔机一般搭载多种传感器，用于海洋科学考察、海洋资源勘探、海底打捞、海底管路检测与维修等；在军事方面，由于水下滑翔机具备较好的隐身性能，所以可以作为网络中心站的节点，通过水下局域网或水面通信，接受有人平台的指挥，完成反潜作战、反水雷作战、水下或水面作战情报收集、为作战部队投送负载的任务等7,8。对于水下滑翔机的研究，国外的起步要比国内的早许多。1989 年，美国人Henry Stommel最早提出了关于水下滑翔机进行海洋探测的设想。随后，美国开始了对水下滑翔机的研究。现在美国已经研制成功了四种型号的水下滑翔机，其中，美国的Scripps Institution of Oceanography研制的Spray Glider水下滑翔机最初被设计用于深海海域调查，其最大下潜深度可达 1500m。华盛顿大学研制的Sea Glider 水下滑翔机可以在宽广的大海中连续航行几千公里，运行的时间可以达到 6 个月，并且达到 1000m 的最大下潜深度。美国的 Webb Research Corp 研制的Slocum Electric Glider和Slocum Thermal Glider水下滑翔机分别是电能驱动型和温差能驱动型，这两类水下滑翔机有许多相同点，比如相近的外形、姿态控制方式、以及导航通讯原理，但是在滑翔机的驱动能源上存在差别。此外，别的国家也取得了许多进展，比如日本研制出了ALBAC 水下滑翔机，法国研制的STERNE水下滑翔机，挪威Kongsber公司研制的Hugin1000 AUV系列，加拿大的ISE公司研制的Explorer AUV系列等9,10。 国内尽管在这方面的研究开始的较晚，但现在也取得了非常丰硕的研究成果。现在国内对此进行研究的科研单位大致有五家，分别有：中国科学院沈阳自动化研究所、天津大学机器人与汽车技术研究所、上海交通大学海洋研究院、浙江大学和中国海洋大学。其中，天津大学自主研发的“海燕”水下滑翔机于 2014 年 5 月 22 日在南海北部水深超过 1500 米的海域通过海试，创造了中国水下滑翔机发展历程中的多项纪录，比如无故障航程最远、时间最长、剖面运动最工作深度最大等，也由此突破了国外对于相关技术的封锁11。国外研究现状 水下滑翔机回收技术是水下滑翔机研究的前沿和关键技术，高海况下进行水下滑翔机回收的能力是其完成多样性使命任务的重要技术保障12。 国外对于水下滑翔机的布放回收装置的研究伴随着水下滑翔机的研究发展也在同步地发展，各国对于各自研制的不同型号的水下滑翔机都设计出了不同的布放回收方案13,14,15,16,17，比如下文提到的国外的几种主要型号的水下滑翔机采用的布放回收装置就各不相同。 （1） Spray Glider 这款滑翔机采用水滴外形，最大外径 203mm，长度 2m，天线位于两个水平机翼末端，无尾部天线杆；采用托架的方式进行布放回收，在大型船舶上回收时，采用远程遥控水面无人船进行辅助回收。如图1、图2所示。图1 Spray Glider布放托架1图2 Spray Glider 布放托架2 （2）Sea Glider 这款滑翔机采用圆锥外形，最大直径 300mm，长度 1.8m2m（不含天线），尾部天线杆长约 1m，采用滑道布放和直接起吊回收的方式。滑道布放回收是专用化水平高，滑翔机得到有效保护，并且工作人员很安全，省时省力，但是需要的甲板工作面积很大，专用布放回收设备的制造维护成本高，装置笨重不轻便。如图3、图4所示。图3 Sea Glider 布放滑道 图4 Sea Glider 回收方式（3）Slocum Electric Glider 这款滑翔机外径 220mm，长度 1.5m，天线位于尾翼上端，无尾部天线；水平机翼位于中间，有运输布放车。此外，在大船上回收时，配有抛缆机构，可以将前导流罩的一部分抛出，方便捕捉，然后可以直接起吊。如图5、图6所示。图5 Slocum Glider 布放滑道图6 Slocum Glider 回收方式（4）Hugin1000 AUV 系列 挪威Kongsberg公司为此系列的 AUV 开发了STINGER布放回收系统。STINGER 是一个能够实现遥控的电液驱动的布放回收系统，它使得整个布放回收的过程都是可控的。STINGER主要结构包括一个装有减震缓冲装置的底盘和用来支撑 AUV的滑道托架。布放时，首先滑道托架上的接收器收到控制器传达的指令，然后接收器控制滑道托架上的液压系统，先把滑道托架伸出船体外，然后倾斜滑道来完成 AUV的布放；回收时，AUV的头部会弹出回收绳，由船员把它勾住并通过绞车牵引 AUV来到滑道托架上，然后控制滑道把AUV回收到船体内。如图7所示。图7 STINGER 布放回收系统国内研究现状 相较于国外科研机构在水下滑翔机和AUV的布放回收技术方面的成熟发展，国内在这一块整体来说起步晚，技术水平较低，发展程度不高。以天津大学机器人与汽车技术研究所的水下滑翔机技术为例，现阶段水下滑翔机的布放回收主要以套网配合绳索起吊的方式来实现，缺少专用的布放回收装置，图8显示的是天津大学前期研制的电能滑翔机的布放回收过程。这种方式受外界环境因素影响比较大，在海面上的风浪条件下，绳索起吊的方式不能够很好地保持滑翔机的体态，可能会出现很大的摆动，并对滑翔机的外壳甚至内部结构造成损伤18。 图8 天津大学电能滑翔机布放回收布放回收装置比较滑坡式布放回收这种装置的优点是专用化水平高，滑翔机得到有效保护，并且工作人员很安全，省时省力，缺点是需要的甲板工作面积很大，专用布放回收设备的制造维护成本高，装置笨重不轻便，而且布放回收过程都需要在无风无浪情况下进行19。如图9所示。图9 滑道式布放回收装置起吊回收大多为吊车机械臂夹取的形式，这种形式的装置不仅结构复杂，并且由于水下机器人在水面处于浮动状态，很难进行准确地抓取，因而使用效果不佳。如图10所示。图10 起吊回收装置 两维度全方位布放回收对应的纯机械结构包括主体支架、抱紧卡爪对、同步横轴、同步拉伸轴、连杆、弹簧张紧机构、动滑轮拉伸机构、卡爪副臂、泄力转环。通过抱紧卡爪对配合同步横轴、同步拉伸轴、连杆、弹簧张紧机构和动滑轮拉伸机构等实现对水下滑翔机的抱紧和张开功能，从而实现对水下滑翔机的简单快速布放和回收。结构简单巧妙，维护方便，操作简单，使得水下滑翔机的布放和回收变得极为简单，降低了在布放和回收过程的危险性，解决了布放和回收过程中的高成本和高危险性问题20。但是，一方面该发明体积较大，结构复杂，导致整体稳定性较低，在布放和回收过程中需要始终保持导绳的力道，否则可能发生滑翔机坠落的危险情况。另一方面，在回收过程中需要不断通过牵引绳来调整装置的转向，这在实际的海面回收作业中是困难的，因滑翔机在海面波浪的推动下会不断改变姿态及方向，通过牵引绳来调整装置的转向以适应滑翔机的姿态是困难的、低效的。如图11所示21。 图11 两维度全方位布放回收装置综上所述，当前国内外针对小型航行器的布放回收方法主要包括两种。简单的一种就是通过起吊的方式，这种方式的优点是设施简单，操作灵活，节约成本。但是缺点有很多，比如受环境风浪条件影响大，滑翔机布放回收过程姿态不稳定，不能充分保证工作人员的安全，以及需要在甲板上安装大型起吊设备等；另外一种是滑坡式布放回收，把布放以及回收两个工作都分解为两个动作来实现，这种方式的优点是专用化水平高，滑翔机得到有效保护，并且工作人员很安全，省时省力。缺点是需要的甲板工作面积很大，专用布放回收设备的制造维护成本高，装置笨重不轻便。所以需要设计一款适应工作环境能力强，工作效率稳定，维修成本制造成本低，结构简单轻便，上手简单的回收装置。研究内容（包括基本思路、框架、主要研究方式、方法等）基本思路水下滑翔机的布放回收装置要实现其功能，在这两个过程中均分别需要完成两个动作。其一，把滑翔机从船体的甲板上移动到船体外侧（或相反）；其二，把滑翔机从甲板同一水平面下放到水中（或相反）。机构方案的设计应当围绕着这两个动作来实现。 首先，在研究国内外布放回收装置原理的基础上，确定自己研究的机构方案。然后，针对此方案进行了尺寸综合，计算各构件的尺寸，并进行运动学分析。在此基础上，设计该方案的传动机构，并设计整体机构的三维模型，验证机构功能性。然后，对于主要零部件进行强度校核；最后，评价整个装置的实际表现，进行优化设计。 框架：1、 水下滑翔机布放回收装置的简介（1） 国内外研究现状（2） 国内外研究产品优缺点分析比较2、 机构方案设计与运动学分析（1） 机构方案的确定（2） 机构运动学分析3、 机构三维模型设计（1） 工作杆件设计（2） 传力杆件设计（3） 机构三维装配4、 强度校核（1） 弯应变校核（2） 杆件强度修正5、 工作机构改进主要研究方式方法：课题拟采用的主要研究方法包括：1.文献阅读法；通过图书馆，知网、万方等数据平台查阅相关文献资料等，了解国内外现状，获取主要设计方法等。2.比较分析法；通过不同方案分析比较优缺点，取其精华去其糟粕。 3.计算机辅助法 通过计算机相关软件进行绘图及运动仿真分析等。研究进程安排第一周：资料收集及文献检索第二周：外文资料翻译及阅读相关文献第三周：阅读相关文献并撰写开题报告第四周：提交开题报告第五周：研究机构方案第六周：确定机构方案及尺寸第七周：确定机构方案及尺寸 机构运动学分析第八周：机构运动学分析第九周：机构三维模型设计第十周：机构三维模型设计第十一周：机构三维模型设计 机构三维图装配第十二周：机构三维图装配第十三周：强度校核第十四周：工作机构改进评价第十五周：撰写毕业论文第十六周：提交毕业论文并完成答辩主要参考文献1 高剑,李勇强,李璐琼等.基于航路点跟踪的 AUV 回收控制J.火力与指挥控制，2013,38(8):103-106. 2 张千一.坞舱搭载 AUV 回收过程中对线控位技术的研究D.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.3 张伟,赵喜双,王南南等.基于 Petri网的 UUV 水下回收协调控制研究J.中国造船,2013,54(3):155-157.4 陈强,孙嵘.潜艇布放回收 UUV 方式J.舰船科学技术.2011,33(7):145-147.5 周杰,周文林.潜用 UUV 回收技术J.四川兵工学报.2011,32(8):45-46.6 曹和云,倪先胜,何利勇等.国外潜载 UUV 布放与回收技术研究综述J.中国造船.2014,55(2):200-201.7 张浩立，邓智勇，罗友高.潜水器布放回收系统发展现状J.舰船科学技术，2012,34(4):3-6.8 杨咚.水下无人航行器回收技术研究J.科技广场,2013（05):177-182. 9 Wang H H, Rock S M, Lee M J. Experiments in automatic retrieval of underwater objects with an AUVC. Challenges of Our Changing Global Environment.1995,1:366-373. 10 Ambs L D,Riley D.Submarine deployed ocean bottom seismic system:U.S. Patent6,474,254P.2002-11-5. 11 Nugent D M,Barron T D,Frank T A. Method and apparatus for retrieving an unmanned underwater vehicle:U.S.Patent 6,600,695P. 2003-7-29.12 徐玉如,李彭超.水下机器人发展趋势J.自然杂志,2011,33(3):125133. 13 Charles C. E,Osse T. J,Russell D. L, et al. Seaglider: A Long-Range Autonomous Underwater Vehicle for Oceanographic Research J. IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING,2001,26(4):424-436. 14 Jeff S, Russ E. D,Owens W. B, et al. The Autonomous Underwater Glider “Spray” J. IEEE JOURNAL OF OCEANIC ENGINEERING,2001,26(4):437-446. 15 Tim H, Ga