水下机器人设计概述

水下机器人设计概述

摘要：由于海洋开发利用越来越受到人们重视，水下机器人有着广阔的应用前景。但是目前为止，还没有成熟固定的水下机器人设计方法。本文通过论述水下机器人的构成、水下机器人的构成、排水量的初步估算、艇形选择、重量重心的计算、浮力浮心的计算、阻力的测定与计算、有效功率的计算等阐明了水下机器人基本的设计思路。此外探讨了计算机在水下机器人设计中的应用。

关键字：水下机器人、设计、计算机辅助设计

一．水下机器人的构成

水下机器人由控制系统、载体、观通系统三大系统组成。控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的综合系统，根据这些信息形成对载体的控制功能。观通系统是利用摄像机、照相机、照明灯、声纳、及多种传感器收集有关外界和系统工作的所有信息的装置。而载体则是装载控制系统和观通系统的基础和构架。

二．根据选择设备，初步估算排水量

跟据水下机器人的用途不同，水下机器的设备也有很大的差别。通常是根据设计任务书，分析各种性能参数，确定出合适的设备。选择设备应该使水下机器人的重量最轻，因为无论是从使用还是从经济性角度讲，排水量越小是越有利的。由于潜水器要保持重量和浮力的平衡，所以可以分别从重量和浮力两个不同的角度研究排水量与各主要要素间的关系。三．艇型选择

潜水器根据使命任务和技术要求的不同，其外型尺寸、结构型式都有很大的差异。由于潜水器的航速不高，阻力性能对其外形要求不高，因而除采用水滴形和常规型艇型之外，更多的潜水器外型设计是出于使用维修方便、布置合理等方面考虑，因此其外型可能显得不规则，特别是无人带线遥控潜水器，其典型形式是框架式结构。

四．耐压壳材料选择

常用的耐压壳有高强度刚、铝合金、钛合金、复合材料（包括玻璃、陶瓷、丙烯酸朔料等等）。由于水下机器人主要受到静水压力的作用，所以选择耐压壳要综合考虑下潜的深度、耐压壳的形状、材料特性等因素。另外由于海水腐蚀性强，耐压壳还要有一定的抗腐蚀的能力。

四．潜水器推进与操纵方式选择

潜水器由于任务不同，对推进和操纵的要求也不同。但综合起来，潜水器主要要求巡航、搜索和悬停三种水下运行方式。由于在水下有海流存在，为满足潜水器的使命任务，一般要求潜水器在悬停或近乎悬停状态下作6个自由度或者至少5个自由度运动，在水流作用下也能够作相应的机动，因此在选择推力系统时，必须考虑在要求的方向发出推力和力矩。例如其搭配方式可以为：两个可在垂直面内作3600旋转的导管推力器加水平舵和首推力器、并联可旋转的喷水推进器等等。

五．阻力的确定。

由于水下机器人的主体上搭载的附体较多，且有些机器人的艇形是框架式的，所以用计算流体力学是很难得出其所受的阻力，即便算出也会因为误差太大而无法应用。所以阻力的确定主要是通过试验的方法。如果试验条件限制，或者机器人体积过大，则需要进行模型试验。根据相似理论，满足主要影响因素，保证模型和实体的弗罗德数或者雷洛数相等，测出水下机器人的摩擦阻力系数、形状阻力系数经过换算，得出实体的阻力。

六．有效功率的计算

水下机器人在水中以规定航速V匀速航行的时候要受到阻力Rt ，则推进器克服阻力做功的效率EHP＝Rt *V。可以通过模型试验法对水下机器人的有效马力进行计算。

水下机器人的总阻力可以用下式表示：

Rt=0.5ρ·V2 ·Σζ·?

其中：Rt——总阻力；

ρ——海水密度；

V——以m／s为单位的航速；

Σζ——总阻力系数；

?——总湿表面积。

1.水下航行的有效马力计算

水下航行的总阻力系数

Σζ= ζF + ζpv + ζw + ?ζF

其中：ζF ——摩擦阻力系数；

ζpv——形状阻力系数，可根据试验求得或参照母型；

ζw——附体阻力系数，可根据试验求得或按母型估算；

?ζF——粗糙度补贴系数，可根据经验估计或按母型估算。

求得水下总阻力系数以及潜水器水下湿表面积后，即可求得Rt，进而求得艇的有效马力：EHP＝Rt *V

2．水面航行状态的有效马力计算

水面航行状态的总阻力系数

Σζ= ζ F + ζR + ζw + ?ζ F

其中：ζR 剩余摩擦阻力系数，它是博氏数Fr的函数，可以由试验方法求得。其他符号与计算方法同水下状态。

3．轴功率计算

轴功率MHP是主机的输出功率。由于在轮系传动、螺旋桨、舵、伴流不均匀等因素都会造成功率的损失。因此有必要将有效功率换算成轴功率。

MHP = EHP / η, η=i·j·ηp·ηG·ηA·(1-t)/(1-ω)

其中：i——水流不均匀度系数；

j——舵的影响系数；

t——推力减额系数；

ω——伴流系数；

ηp——推进器效率；

ηG——传动效率；

ηA——轴系效率。

根据计算所得的轴功率，进一步确定所需的推进器，以满足水下机器人的航速要求。七．重量重心计算与浮力、浮心计算

水下机器人在水下平衡，则要保证其所受重力和浮力相等且重心和其浮心在同一铅垂线上。因此，必须对其重量、重心、浮力、浮心进行计算。同时，为了保证水下机器人在稳定平衡状态，水下机器人的浮心必须低于重心。这样，当水下机器人受到海流作用而倾斜的时候，就会自动产生一个复原力矩，使水下机器人回到原来的平衡位置。

1.潜水器的重量、重心计算

将潜水器的各部分重量进行分组分类，逐项进行计算并标出其重心

在总布置图上的三个坐标值，进行重量和重心的计算。

重量排水量W= ΣP

中心位置Xg = ΣMx / ΣP

Yg = ΣMy / ΣP

Zg = ΣMz / ΣP

2.潜水器的固定浮容积、浮心位置计算

同样，将潜水器的各部分浮容积逐项列出，并标出其浮心在总布置图上的三个坐标值，进行浮容积、浮心的计算。

固定浮容积V0= ΣV

浮心位置Xc = ΣM x / ΣV

Yc = ΣM′y / ΣV

Zc = ΣM′z / ΣV

3.水下静稳心高

h=Zc-Zg （4－28)

对于一般的水下机器人，水下静稳心高应大于7cm，大型潜艇应大于30cm。为了保持平衡，应有Xc＝Xg；Yc＝Yg。如果Xc ≠Xg ，Yc ≠Yg ，则必须重新调整布置，重新进行计算。如果h=Zc-Zg 小于许可值，亦必须重新调整布置图，进行计算。此外，tgφ=(Xc-Xg)/(Zc-Zg)要求调整到0度到1.5度范围内。如果不在这个范围内，亦必须重新调整布置图，进行计算。通过多次逐步近似，知道最后两次结果趋于一致。

八．计算机在水下机器人的辅助设计作用。

水下机器人在上世纪五六十年代开始发展，由于所设计的新技术还不够成熟、电子设备故障频率高、通信的匹配、脐带电缆的绞缠以及起吊回收很多问题没有很好解决，所以发展很慢。但从1975年开始，由于近海石油开发的需要，加上电子技术，计算机技术的迅速发展，使得水下机器人有了迅速的发展。但是到目前为止，水下机器人还没有大规模应用，特别是智能水下机器人，还在试验研究阶段。因此，没有足够多的，已有的典型的水下机器人供计参考，也没有成型的固定的设计套路。随着cad/cam/cae/pdm技术的成熟，利用计算机辅助设计水下机器人一定能大有可为。计算机辅助设计有修改方便，经济效益好，设计效率高等优点。计算机辅助设计水下机器人的应用有这么几个方面：

1.水下机器人建模：可以利用通用的三维建模软件如proe、solidworks、catia等建立水下机器人的实体模型。

2.力学分析：可以利用计算机对建好的实体模型进行结构力学分析。例如solidworks有结构分析插件。此外，还有一些通用的有限元计算软件和流体力学计算软件，如ansys和fluent。

3.运动仿真：可以利用计算机对水下机器人在水下的运动进行仿真。

参考文献：1.水下机器人蒋新松、封锡盛、王隶棠编著辽宁科学技术出版社；

2.徐玉如、李彭超水下机器人发展趋势

3.侯宝科、许竞克solidworks结构分析在水下机器人设计中的应用

4.徐猛水下机器人载体结构的优化设计（硕士论文）

5.张亮、李云波流体力学哈尔滨工程大学出版社

6.翟宇毅超小型水下机器人的设计和控制（博士论文）