水下滑翔机器人

水下滑翔机器人

水下滑翔机器人 篇1

水下滑翔机器人是将浮标技术与传统水下机器人技术相结合而研制的一种新型水下机器人。与传统水下机器人相比,它具有能源消耗少和对母船依赖小等突出优点,可以用于远距离、大范围、长时间海洋环境测量和监测,也可用于雷区探1测和海域监视。与浮标和潜标相比,它具有优越的机动性、可控性和实时性,可以完成沿垂直剖面和水平剖面的大尺度海洋环境测量和监测作业[1]。

美国从1989年开始水下滑翔机器人的研究与开发。已研制出Slocum、Sea glider和Spray以电池为能源的水下滑翔机器人,它们的航行距离在2000km~7000km之间,续航时间为200~300天,航速为0.25m/s,负载能力约为5kg,制造成本为几千美元。另外还研制出以海洋垂直剖面的温差能作为驱动能源的Slocum水下滑翔机器人,其航行距离可以达到30000公里[2]。我国的水下滑翔机器人研究起步较晚,目前有多家单位正在开展研究。

本文以沈阳工业大学研发的水下滑翔机器人为研究对象,重点研究了其控制系统。首先简要介绍了水下滑翔机器人的总体结构,然后分别从控制系统的硬件与软件两部分对控制系统进行了深入的研究,最后通过水下实验对控制系统的可行性和正确性进行了验证。

1 组成结构及工作原理

水下滑翔机器人是由主体(水密和非水密壳体)、附体(水平翼和后尾翼)、电子舱段、传感器舱段、浮力调节舱段、重心调整舱段和设备舱段等部分组成,如图1所示[3]。

电子舱段载有自动驾驶系统,它是载体总控制系统;传感器舱段搭载有高度计、TCM3、深度计、GPS和数传电台等传感器,负责为载体的运动控制和导航通讯提供实时数据;浮力调节舱段搭载有电机、高压泵和油囊等,浮力调节系统负责在运动过程中根据指令控制调节载体浮力大小;实现载体上浮和下潜。重心调整舱段包括纵向重物、横向重物和直线电机及驱动器等部分,重心调整系统可以根据具体要求改变载体重心位置,从而控制载体的俯仰和横滚运动;机载设备舱段搭载有CCD和CTD等水下观测设备。

水下滑翔机器人没有外挂的螺旋桨推进系统,在航行过程中,它通过浮力调节装置产生正浮力使载体向上运动或负浮力使载体向下运动;通过载体内部的重心调节装置改变载体的重心与浮心的相对位置,从而使载体产生横滚和俯仰力矩,实现载体回转和俯仰的调节与控制,最终实现载体在垂直剖面内的周期性锯齿形运动或空间螺旋运动[4,5]。

2 控制系统功能及硬件结构组成

2.1 控制系统功能

水下滑翔机器人控制系统由水面控制系统和水下控制系统两部分组成,负责控制载体完成预定作业任务。

在正常工作过程中,两个系统通过无线通信进行信息交互。当水下滑翔机器人完成一个或几个周期的滑翔航行浮出水面时,水下控制系统通过无线通信可将记录的水下信息和载体位置信息发送到水面控制系统。水面控制系统可以根据前期的使命执行情况调整使命任务,将新的使命任务通过无线通信下达给水下控制系统,让水下滑翔机器人执行新的使命任务。水下控制系统在收到原使命任务保持不变的信息后,将继续执行原使命任务,完成预定水下作业。

2.2 硬件结构组成

水面控制系统硬件由水面主控计算机、GPS、数传电台和水面控制盒组成。其中GPS和数传电台通过串口连接到水面主控计算机上;水面主控计算机通过以太网与水下主控计算机通讯;水面控制盒内配有直流电源,在系统调试和数据回放时,可以通过脐带电缆为水下控制系统供电。

水下控制系统包括PC104 CPU板、数据采集板、串口扩展板、信号调理板和电源转换板等。导航通信系统、俯仰调节系统、重心调整系统、传感器系统、机载设备系统和电源系统分别与自动驾驶系统相连,如图2所示。

3 控制系统软件结构组成及实现

水下滑翔机器人控制系统软件分为水面控制系统软件和水下控制系统软件两部分,如图3所示。

3.1 水面控制系统软件

水面控制系统功能是编辑和下载使命任务,保持与水下控制系统的无线电通讯或以太网通讯,发送新的指令,回放历史数据,调试和诊断硬件,获取载体位置信息等。

整个系统软件由水面主控模块、使命编辑模块、数据回放模块、硬件调试模块、电台通讯模块、网络通讯模块和公共数据区组成,每个模块采用一个独立程序进程。

水面主控模块负责管理其它模块的运行和监控其它模块的运行状态,另外还负责接收GPS数据。

使命编辑模块用于完成使命任务的规划和编辑,将结果存入使命文件,并下载给水下计算机。

数据回放模块在水面主控模块管理下,负责存储和显示由水下通讯程序发送来的各种数据和信息。

硬件调试模块用于完成系统硬件的调试。电台通讯模块模块负责水面和水下计算机之间的通讯。

3.2 水下控制系统

水下控制系统软件是整个控制系统的核心部分,它的具体功能是解析使命文件,执行使命任务,实时获取传感器数据,实现载体运动控制,管理和控制机载设备,建立通信连接,记录历史数据,对可以预见的异常状况做出处理[8]。

水下控制系统软件采用QNX实时操作系统,使用C语言作为编程语言。整个软件由水下主控模块、使命解析模块、数据采集模块、运动控制模块、硬件驱动模块、应急处理模块、历史记录模块、电台通讯模块、网络通讯模块和公共数据区组成,每个模块采用一个独立程序进程。

水面主控模块用于管理其它模块的运行和监控其它模块的运行状态,另外还负责执行使命指令和监控使命指令执行的状态,它是整个水下控制系统的核心。

使命解析模块首先将使命文件内容存到水下计算机的公共数据区,然后根据使命解析规则把使命文件分解成指令信息,最后将其装入相应的数据结构供执行使用。

数据采集模块负责采集高度计、TCM3、深度计、漏水检测、能源监测、CCD、CTD、GPS和数传电台等传感器和设备的数据,并将上述数据存储到公共数据区。

运动控制模块按照解析后的指令,控制浮力调节驱动和重心调整系统,实现载体的运动和轨迹控制。水下滑翔机器人的运动形式有周期性锯齿形运动或空间螺旋运动。

电台通讯模块可以在载体完成若干个航行周期浮到水面后,通过数传电台向水面发出载体状态和位置信息,之后接收水面发送来的新使命任务和确认信息。

驱动模块负责建立网络、R232串口、AD/DA、数字量I/O、C/T等硬件接口和设备的驱动程序。

历史记录模块可以记录载体的运行状态,包括位置、姿态、高度、深度、设备状态和电能储备等信息。

应急处理模块接收来自数据采集模块的数据并分析,诊断系统的异常,并执行已经规划好的应急措施。

4 水下实验结果

为了验证整个控制系统的性能,在水池和水库进行了水下实验。在实验中,水下控制系统控制载体完成了多个周期的滑翔运动。在浮出水面后,水面控制系统通过无线电向水下控制系统下达可新使命任务,同时还接收到了载体水下运动状态信息,使整个控制系统的可靠性得到充分验证。载体水下运动姿态,如图4、5、6和7所示。

5 结论

本文研究了水下滑翔机器人控制系统,完成控制系统软硬件的设计、实现和调试。在实验过程中,水下滑翔机器人的控制系统运行正常,灵活地实现载体运动控制,达到了预期控制效果,实验表明了控制系统设计是正确和实用的。

摘要：文章首先介绍了水下滑翔机器人的组成结构和工作原理,其次提出了水下滑翔机器人的控制系统方案,再次说明了控制系统软、硬件的设计与实现,最后完成了水下实验。实验结果证明控制系统设计合理,运行稳定,可以满足控制要求。

关键词：水下机器人,水下滑翔机器人,控制系统,QNX

参考文献

[1]王斌.海洋生态环境监测体系建设的初步研究[J].海洋通报,2002,21(6).

[2]Douglas C.Webb,Paul J.Simonetti,and clayton P.Jones,“SlO-CUM:An underwater glider propelled by environmentalenergy,”IEEE J.Oceanic Eng.,2001,26:447-452.

[3]张禹,支建燊,姜彤.新型水下滑翔机器人浮力驱动系统研究[A].第六届全球智能控制与自动化大会,大连,2006:6169-6172.

[4]胡克,俞建成.水下滑翔机器人载体设计与优化[J].机器人,2005,27(2):108-11.

[5]俞建成,张奇峰,吴利红,等.水下滑翔机器人系统研究[J].海洋技术,2006,25(1):6-10.

水下滑翔机器人 篇2

关键词：有限元分析,水下滑翔机器人载体,模拟仿真,应力

0前言

水下滑翔机器人是为了满足海洋环境监测与测量的需要,将浮标、潜标技术与水下机器人技术结合,研制出的一种无外挂推进系统,依靠自身浮力驱动,沿锯齿型航迹航行的新型水下机器人。通过浮力调节系统来调整载体的排水量,使水下滑翔机器人交替出现正浮力与负浮力状态。同时依靠内部的执行机构改变载体的质量分布,以改变载体的重心位置,通过重力来改变机器人的姿态。水下滑翔机器人采用内置的姿态调整机构和无外挂的驱动装置,使得载体外置装置减少,避免了对载体线型的破坏、大大改善了载体的水动力特性。

水下滑翔机器人载体结构是机器人设计的一个重要问题,而随着力学、材料、软件技术的发展为这一问题的解决提供了必要条件。研究水下滑翔机器人载体结构的目的是为了保证其有足够的强度和尽可能小的重量。载体结构关系到水下滑翔机器人能否承受深海高压和保证其总体性能的首要条件。只有载体结构有足够的强度特性才能保证水下滑翔机器人的作业深度,保证水下滑翔机器人所携带的电子设备和传感器的正常工作,由于水下滑翔机器人的能源是有限的,所以在设计中在保证其结构强度的基础上,应尽可能地减轻耐压结构的重量、增加有效负载、增大航程。

传统的水下滑翔机器人载体的设计是将其载体的主体设计成如图1所示。

形成隔断形式的元件舱,在有限元分析的时候通过各个分段的分析来归纳出整个水下滑翔机器人载体的变形、应力情况。但是由于各个载体舱有相互的拉伸变形,单独对各个的单元舱的分析不能准确地表现出整体的拉伸压缩变形。在本次实验中,直接将水下滑翔机器人的载体的中间部分真实还原为空心圆柱体,优化后载体结构如图2所示。

将两端的球壳体在有限元分析中设计成与圆柱体一体,这样能更好地分析出机器人载体在水下的压缩变形情况,更真实地模拟出整体结构的变化。

1 水下滑翔机器人壳体理论分析

水下滑翔机器人壳体主要是装载机器人作业所需要的电子设备或传感器,确保设备在深海环境下的使用安全性。一方面它具有足够的结构强度,在深海不被破坏,另一方面它要有足够的容积用来装载电子设备,同时要求其本身的重量比较轻。

(1)载体壳体形状

水下滑翔机器人耐压壳体主要有球形、圆柱形、椭圆形、锥形和倒锥形等多种形式,最常用的有球形和圆柱形组合或球形和球柱组合形。最普遍的是球形耐压壳。其主要的优点是均压下,大部分区域的两个方向的中面主应力相等,且是同样半径圆柱耐压壳周向中面压力的一半,因而材料可以得到充分利用。在相同的材料下,它比其他形状的耐压壳的重量与排水量之比(W/D)要小,故适用于大深度的水下滑翔机器人。但是不利于内部舱室的布置,不易加工制造,水中的运动阻力也比较大。改进的方法是采用多球形或者有2个孤立的球组成耐压壳,或者是由圆柱隧道连接2个球组成流线型的耐压壳。本次实验采取的是如图2所示的壳体结构。

(2)载体壳体材料

水下滑翔机器人的工作环境对耐压壳的材料提出了较高的要求,即重量轻、密度小、单位强度高及单位刚度大。目前制造水下滑翔机器人耐压壳的材料常用的有钢、钛合金、铝合金、玻璃钢、陶瓷和塑料等。耐压壳材料的选用主要考虑以下几个因素:比强度(屈服强度与相对密度之比)、制造性能、与材料相适应的结构形式、焊接性、经济性和重量/排水量之比。列出不同材料的耐压壳的重量排水量比值W/D见表1。

铝合金比钛合金轻,单位强度高,可用来制造大深度的水下滑翔机器人,并且铝合金的焊接问题已经解决。本次实验采用高强度铝合金。E=71000Mpa,泊松比v=0.31。

(3)载体壳体的强度计算

在设计耐压壳时,一般要求耐压壳有尽可能小的重量、尽可能大的容积,这样才能尽可能地增加有效载荷。水下滑翔机器人体积和重量成正比,因此直接将体积作为耐压壳设计的目标函数。

目标函数:

其中:

V——耐压壳的体积,r——耐压壳半球体半径,L——机器人刚体有效长度,a——耐压壳椭球体长轴的长度,b——耐压壳椭球体短轴的长度,c——耐压壳椭球体短轴的长度

约束条件:

约束条件包括应力强度、稳定性的变形要求。

应力条件:

周向应力:(2)

R——椭球体曲率半径,h—耐压舱的厚度,σS——材料的条件屈服极限,k1——周向应力安全系数

轴向应力:(3)

R——椭球体曲率半径,h——耐压舱的厚度,σS——材料的条件屈服极限,k2——轴向应力安全系数

稳定性要求:

根据圆柱壳局部屈曲公式:

要求:

其中:

m——机器人刚体轴向半波数,L——机器人刚体有效长度,R——椭球体曲率半径,n—机器人刚体周向失稳波数,h——耐压舱的厚度,E——弹性模量,v——泊松比,k3——屈曲安全系数,σS—材料的条件屈服极限,Q0——水下载体屈曲要求载荷,P——工作压力

h≥α代表耐压舱的厚度大于水下一定深度中型材临界变形厚度值。

水下滑翔机器人壳体在1000m水下,承受水下压力载荷,应力分析情况见图3。

2 水下壳体试验条件

材料使用高强度铝合金。E=71000Mpa,泊松比v=0.31,临界压力为24.153Mpa。

将壳体进行整体划分网格如图4。

在网格划分的阶段,网格的大小和形状对于计算结果有很大的关系,如果网格太大则会对计算结果产生大的失真,如果网格太小则会影响计算时间。另外如果划分成矩形网格,空心圆柱与椭球和半球体将会产生网格的不规则变化,引起错误或者网格不能划分。确定合适的约束条件后进行加载,通过不同深度的条件进行壳体的加载实验。在实验中,要充分考虑海水密度的变化、外部压强的变化及其温度的影响。以水下滑翔机器人壳体1000m下受压强产生的变形情况为例:如图5。

可以看出,变化量最大的位移值是2.625mm,这时的位移并不完全对称,这是由于网格并不十分对称造成的。最大位移在椭圆球面上。在X轴的正向方向变化最大。加载后与加载前的对比如图6。

图6中黑色网格线代表原始状态水下滑翔机器人壳体尺寸,彩色的实体部分为加载后的尺寸。由此可以清晰看出加载后水下滑翔机器人整体的变形情况。

3 实验结果与讨论

通过在不同深度下的加载实验,可以充分看出水下滑翔机器人壳体在水下的变形情况。在不同深度下体积减少量(m3)变化情况如图7;浮力减少量(N)变化如图8;从图中可以分析出,随着水下深度的逐渐增大,水下滑翔机器人壳体的体积、水下滑翔机器人浮力的减少量呈现出一种线形变化关系。在材料为理想弹性材料的基础下、水下深度增大的情况下,水下滑翔机器人的壳体的体积、浮力将会线形化减小。海水密度大约每降低1000m增大0.5%。对于壳体椭圆球部分变形量最大,圆球部分变形量最小。

4 结论

通过有限元的计算可以看出在一定深度负载的情况下,水下滑翔机器人壳体的位移、应力变化情况。壳体的变形主要由于水下深度的增大,压强变大,导致铝合金金属的塑性变形。通过实验仿真水下的变形情况,作出提前预防和改善,确定壳体的厚度。在水下变形应力大的地方可以考虑进一步加强抗应力方式。通过整体的分析能更好的反映真实值,反映水下整体的相互作用。

参考文献

[1]蒋新松，封锡盛，王隶棠．水下机器人[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，2000．

[2]杨永谦．有限元法及其在结构分析中的应用[M]．北京：中国科学技术出版社，1992．