用于水下机器人的枢轴推进器的创新推进布局的设计与建模

用于水下机器人的枢轴推进器的创新推进布局的设计与建模Benedetto Allotta *。 Marco Pagliai * Luca Pugi *佛罗伦萨大学工业工程系佛罗伦萨大学意大利（电邮：allotta.benedettounifi.it）。佛罗伦萨大学工业工程系意大利（电邮：）。佛罗伦萨佛罗伦萨大学工业工程系*意大利（电邮：luca.pugiunifi.it）。摘要：水下机器人的自主性，性能和机动性受其推进布局特征的深刻影响。 特别是ROV（遥控潜水器）和AUV（自主潜水器）的机动性和可靠性具有非常严格的要求，因此，有必要改进水下航行器的这些特性，特别是如果它们在浅水或潜水危险环境中。在这项工作中我们引入了可重构和冗余推进系统的应用。关键词：自主水下航行器，快速成型设计，优化电机设计，油压补偿执行器，推进磁传动系统。1.简介在这项工作中，将研究基于一系列低成本枢轴推进器的水下机器人的可配置推进布局的可行性，可以轻松地针对操作和任务轮廓进行定制和优化，如图1所示 特别是，为了优化成本，产权负担和维护，假设可以相对于单个和固定的枢转轴线来控制每个推进器的取向。图1具有SNAME符号的四个可定向推进器的应用示例。在诸如Smart E AUV的文献中可用的现有解决方案中，例如， Meyer等 （2013），例如 Ehlers等人（2014年），三个枢轴推进器用于对AUV的六个自由度进行全面控制。在提出的研究中，作者想要使用四个枢转执行器来控制潜水器运动，以提高传统AUV的机动性，效率和失效鲁棒性。详细情况如下： 现有技术和基准潜水器的定义和运行情况。 根据选择的基准，初步设计执行器单元，包括初步测试和简化模型，用于在性能和效率方面识别原型的主要特征。 开发整个系统的虚拟模型，旨在调查拟议方法的潜在特征。2研究现状这项工作是基于作者在混合多角色AUV TIFONE的原型设计中获得的经验，例如Allotta等人（2001，2012，2015b）和MARTA，例如Allotta等人（2015a），其推进布局是可见的图2.两个后推进器用于向前导航，并且一定数量的隧道推进器用于控制定向或保持潜水器悬停在指定的目标上。考虑到受控独立执行器（6）的数量众多，通常采用固定螺距螺旋桨，以便合理地降低成本，提高整个系统的模块化和可靠性，这归功于简单标准组件数量的减少，几乎相同的所有致动轴。所得到的推进布局使得可以控制五个自由度，这些自由度根据经典的SNAME（海军建筑师和海洋工程师协会）的符号被描述，在文献中被广泛采用。 Fossen（1994）： 浪涌运动：纵向载荷X是由两个后部螺旋桨传递的推力的总和。 摇摆和起伏运动：横向载荷Y和Z分别是两个横向和纵向枢轴推进器的矢量之和。 俯仰和转弯：垂直和横向推进器分别控制这些旋转。一个显着的点是Yaw致动。实际上，这种旋转具有冗余的动作，因为也可以使用两个后部螺旋桨来产生旋转扭矩N. 轮转：通常（MARTA上的广告示例）是不受控制的唯一自由度。通过适当选择重心位置（可以使用适当的翅片）来确保该D.O.F的稳定性。图2 MARTA推进系统布局和相应的产权负担。许多现有的AUV采用固定间距后推进器和侧向隧道推进器的类似组合，以增加潜水器的可操纵性。可以举出许多例子，例如C-Scout，例如C-Scout。柯蒂斯等人（2000），Remus，例如Stokey等人（2005），Proteus，例如惠特尼等人（1998），Delphin2，例如Phillips等（2009）和Folaga，例如Alvarez等（2009）。在这种布局中，不同自由度的驱动是高度解耦的，使得潜水器的控制变得非常容易。此外，螺旋桨旋转感知的明智选择可以减少由螺旋桨反作用转矩引起的运动扰动。显然，容易的可控性是设计商业ROV的非常重要的必要条件，其中潜水器必须由操作者操纵，并且具有有限的附加自动化水平。 ROV中经常采用的推进布局的一些例子如图3和表1所示。图3 AUV推进系统布局示例。不幸的是，MARTA采用的推进布局的缺点之一是推进系统对有效载荷的负担。如图2所示，MARTA的长度约为4000mm（相对于船体直径约18倍）。然而，三个推进模块的总长度超过1.2米。此外，应该注意的是，在任务期间，过度引用的推进布局不能被动态地重新配置，因此，在使用不确定的运行参数（如水密度，电流，预期任务简档，可用性或可靠性）一个或多个致动器。表1.商业ROVS采用的一些典型推进布局的受控和不受控制的自由度。 浪涌摇摆起伏轮转俯仰转弯a)*C*C*C*C*NC*C*b)*C*C*C*NC*NC*C*c)*C*C*C*NC*NC*C*C*=受控D.O.F.;NC*=*不受控制D.O.F.对于这种应用，枢轴推进器的使用应该是一种便宜可靠的解决方案，如一些创新的商业产品，如意大利海杖，如Faccioli等人（2013），如图4所示。此外，枢轴推进器最近被用于研究型潜水器，例如由Lubeck大学开发的Smart E，其中三个枢轴推进器用于控制球形/碟形AUV的六个自由度，例如。 Meyer等（2013），例如Ehlers等人（2014）。图4示例具有枢转推进器的AUV-ROV（Seastick，例如Faccioli等人（2013）。3.折叠式电脑的设计表2.伺服电机规格。名称：HS-5646WP电压6.0V / 7.4V扭矩N/m（6.0V / 7.4V）1.11 / 1.26尺寸mm x mm x mm41.8x21.0x40.0国际保护守则IP67重量g61每个枢轴推进器，如图5所示，被设计为由油补偿推进器，步进电机，磁性接头和一些模块化夹具元件组成的悬臂和独立单元。这一特殊结构旨在降低成本并提高组件标准化。为确保这一重要特征，作者决定选择低成本商用伺服电机，其特性如表2所示。具有变速箱的伺服电机控制推进器相对于船体框架的角位置，能够限定推进器的角度定向。此外，在这种情况下，作为推进器的伺服电动机是充油的，以确保相对于不同的操作深度的良好的可靠性。伺服电机使用磁耦合与推进器联接，以提高系统的抗扭矩过载和水污染的可靠性。由作者内部开发和鉴定的石油补偿推进器与用于推进MARTA的相同。 Allotta等人（2015a）和Feel Hippo AUVs。最后，已经设计了一些附加的模块化固定装置，以便容易地调节推进器相对于其枢转轴线和相对于船体的相对定向。图5提出的枢轴推进器。图6 Pivitor推力器，压力补偿系统的细节压力补偿系统包括三个简单的部件：补油系统，两个补偿孔和补偿外壳（图6）。补油系统允许在没有空气的情况下用油填充伺服电机外壳，否则补偿孔和补偿外壳允许将外部水的压力 转移到油中。该系统允许使用该枢轴推进器甚至高深度。对于该活动，更有趣的方面与磁耦合的设计有关，更一般地涉及位置控制的电动机的密封壳体的设计，其在图6中详细描述。磁耦合磁耦合器和齿轮用于涉及低机械损耗，免维护操作和固有过载保护的应用。此外，对于海洋和液压应用，由磁性接头保证的间接耦合有助于降低不能直接暴露于被操作流体的电机等部件污染的风险。如图7所示，为了将步进电机与推进器联接，可以使用径向和轴向磁性接头。在这项工作中，在进行初步设计之后，为了减小径向产生负担，最好采用轴向解决方案。图7磁耦合的类型。为了适当规模的联合作者，作者首先从E. P. Furlani开发的理论和经验关系开始，例如Furlani（1997，2001）。从这些关系中，有人认为，生产能够满足设计规格的联轴器的唯一方法是增加极数。表3.使用磁铁的许多特征。类型强制力最大温度bHciHckOekA / mkOekA / mN4810.8-12.5860-9951295580图8最佳磁体布局的有限元模型。为了容易地构建和降低成本，使用小型商业磁体的阵列组装磁耦合（磁体规格见表3）。因此，近似于理想几何和条件的Furlani方程式不能完全回复真正的全尺寸原型，因此使用完整的3D FEM（有限元法）模型进一步改进了关节的设计，在图中可见8。图9用于测试磁耦合的实验布局。使用如图9所示的设备，使用机械接口来应用已知的传感器测量扭矩，可以验证和比较具有理论相关性和FEM模型的初步计算与实验结果。设计的目标是实现一个小型磁耦合，能够输送伺服电机最大转矩的75，以保护伺服不受过载影响。这些限制导致实现由大量直径为57mm的大量小型磁体组成的接头，能够输送大约1Nm的扭矩。关节的完整特征总结在表4中。表4.磁铁耦合规格。磁铁数量220磁铁直径mm3磁铁高度mm8外接头直径mm57接头高度mm26极数44联合气隙mm2最大扭矩Nm15.对螺旋桨行为进行初步识别，以进行四次运行。图10 MDM实验池中柱柱推力测量采用的测试台简化方案。 Allotta等人（2015a）。对于整个推进系统的适当设计，必须确定推进器的行为。采用的推进器由标准的Ka 4-70螺旋桨组成，管道采用19-A会聚喷嘴，p / d比为1.4，直径为90mm。由于以前采用推进器推进MARTA，因此作者知道螺旋桨的初步识别，并推断了模拟四象限运行的行为，并且提供了一些关于在MDM实验室（意大利皮斯托）进行的柱锚推力试验的数据，推进器的性能。在这些测试中，使用如图10所示的简单设备执行，可以在静态/系泊条件下识别螺旋桨的功率消耗，扭矩（Q）和输送推力（T），例如。 Allotta等人（2015a）。螺旋桨四象限范围的研究对于简单推进器前进运动的研究是相当困难的，因为可能的零值和提前速度（V a）或转速（n）的符号反转导致数值最常用参数的描述不一致，如推进系数（J）和推力和扭矩系数（KT和KQ），例如Carlton（2007），例如Pivano等人（2009）。由于这个原因，推进器前进是根据提前角（根据（1）定义的，其中提前速度V a相对于在螺旋桨梢半径的70计算的螺旋桨切向速度被缩放： (1)定义参数，允许重新定义推力和扭矩系数。新参数分别命名为CT（2）和CQ（3），分别定义为推力（T）和扭矩（Q），相对于进口相对速度相关的动能，也称为螺旋桨的70尖端半径：(2)(3)C T和C Q系数通常以傅里叶级数（4），（5）来近似。(4)(5)对于所选择的螺旋桨K，从文献中已知4-70个系数A k，B k，C k和D k。 Oosterveld。 （1970,1973），并用图10所述的装置进行验证。特别地，图11示出了相对于的修正系数C T的行为：柱柱推力试验的结果对应于等于0（前向推力）和（反推力）的值。图11C为根据Oerstveld在19-A喷嘴上导管的Ka 4-70螺旋桨，例如。 Oosterveld（1970）。6.航行器虚拟模型的开发图12 Simscape模型子模块示例。图13枢转布局方案。作者在Matlab TM的Simscape环境中开发了潜水器的虚拟模型，以测试新潜水器布局，如图1所示，并将其与MARTA布局进行比较。模型以模块化的方式组织，并实现了定制库来计算文献中定义的关系，如Fossen（1994）。这些库包括拖曳力和附加质量项，其简单地计算为适当矩阵和相应的位移矢量的导数之间的向量积，如Fossen（1994）所定义。特别地，牵引力被计算为阻尼矩阵和潜水器的速度矢量之间的乘积;否则加算的加法乘积作为潜水器加载质量矩阵与加速度矢量之间的乘积。该过程的结果在图12中可见。MARTA模型和枢轴布局都具有相同的模块化结构，然而，为了控制潜水器测试性能，作者必须定义一个适当的控制逻辑。对于这个应用程序，作者选择了两个模型的PID控制，该PID控制被调整以将位置误差保持在0.2的范围内以满足期望的位置。枢转布局的PID控制使用矩阵8x6将控制力转换为电动机贡献，如等式（6）所示：（6）关系式（6）中的参数定义在图13中，c qps1，c qps2，c qps3，c qps4，c qpc1，c qpc2，c qpc3，c qpc4，c qc1，Cqc2，Cqc3，Cqc4是必需的参数考虑螺旋桨反应转矩的影响。显然，一旦获得了电机动作的八个部件，就需要定义四个电机推力和四个电机定向角度。在这个应用中，作者决定将电动机角度作为每个电动机相应T p e T c之间的比值的正交值，以及作为相应矢量模块的电动机推力。 T p T c | T。7.模拟结果为了比较两辆潜水器的机动性，作者必须定义一个合适的参数，称为机动性。该参数被定义为相对于潜水器速度的第三功率归一化的电动机的总功耗的倒数。最后，为了在水平面实现潜水器可操纵性的图形表示，作者决定在极地图形中表示结果，其中将机动性与速度的角度进行比较。如图14所示，枢轴布局的机动性相当于原始MARTA布局的机动性是非常好的。这种情况是由于在所提出的配置中更好地使用电动机。事实上，枢轴布局使用每次所有推进器，从而所有电机以低RPM运行。相反，MARTA只能使用两个推进器来实现单个运动，由此电机必须以更高的RPM运行，以与所提议布局相同的速度推动潜水器。这种情况使电机处于低效率特征的工作范围内。不幸的是，这种改进的运动能力涉及到提高机动性的损失，但这不会过度地惩罚前进的动作。事实上，机动性的降低只有17左右。实际上，在潜水器两侧的枢转推进器的存在使得形状因数变差，增加了AUV的前部，并增加了表面受到流体动力的影响。如图14所示，枢转布局的可操作性为0.0014 m 3 / s 3 W，而MARTA的可操作性为0.0017 m 3 / s 3 W.然而，可以调整此行为并减少损失，因为前部它与1，2，3，4个角度有关（图13）。相比之下，在图14中可见，所有这些角度都等于45，所以如果你降低它们的值，则前进的机动性增加，随后移动能力降低。相反，如果角度值减小，则具有相反的作用。有趣的是，可以利用这种行为来适当地调整潜水器的操作条件。图14提出的潜水器布局的机动性和MARTA的机动性之间的比较。另一个有趣的事情是垂直方向的运动之间的比较。事实上，如果潜水器下降，两个布局的可操作性是相当的，但是如果潜水器上升，则提出的解决方案潜水器的机动性比MARTA好约36倍。这种情况可能是由于提出的解决方案布局的稳定性和操作能力更好。8.结论所提出的解决方案在传统的AUV电动机布局方面表现出更好的可操纵性和悬停运动的性能。这种改进显着，并且涉及在导航期间降低功耗，允许增加任务的长度。此外，所提出的解决方案使得潜水器更加容忍故障。事实上，为了完全控制潜水器的六个自由度，只需要三个枢轴推进器，如Smart E AUV，例如。 Meyer等（2013），例如Ehlers等人（2014）。否则，所提出的电机布局提供了四个枢轴推进器的使用。参考文献Allotta，B，Pugi，L，Costanzi，R，et al。 （2011）INS，DVL和量程测量的三个AUV车队的本地化算法，第十五届国际先进机器人会议论文集，塔林，第631-636页。纽约：IEEE。Allotta，B.，Costanzi，R.，Monni，N.，Pugi，L.，Ridolfi，A.，Vettori，G。（2012），Design and simulation of a autonomous underwater vehicle，ECCOMAS 2012-欧洲计算方法大会在应用科学与工程，电子书全文，pp。 3656-3673。Allotta，B.，Costanzi，R.，Gelli，J . 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