3.-水下机器人结构

第一篇：水下机器人的结构第二章：水下机器人的结构结构设计材料主尺度强度布置形式水下机器人的设计任务书设计水深（m）：1000运动自由度：5航速（m/s）:0-2水下持续工作时间（h）：8摄像机间距调节系统工位（mm）：800扫描声纳工作范围（o）：360紧急情况自动上浮：—水下机器人的组成载体：开架式或者流线体观通系统：各类传感器感知外界环境控制系统：运动、作业系统等控制水下机器人的总体布置总布置外形图总布置内部图总布置内部图-去掉浮力材水下机器人的总体布置设计一艘水下机器人的程序在政治经济制度不同的国家亦各不相同。不论是民用还是军用潜水器，其设计程序都必须从“概念”开始。通常由国家计划部门或用户根据国民经济或国防发展的需要和预测提出设计研制新潜水器的概念，再通过在有关技术部门或论证研究中心进行研究论证的基础上，考虑到国际和国内的技术条件提出潜水器的设计(技术)任务书。水下机器人的总体布置一般的设计(技术)任务书包括：①使命任务。②主要装备和人员配置。⑧排水量和主尺度(给出排水量和主尺度的控制数值，对于以水面或水下船舶为运载手段或基地的潜水器尤其重要)。④主要技术性能(航速、续航力、自持力、航行海区、最大下潜深度及工作深度、航行状态等)。⑤主要设备、装置和系统(有时往往还可能规定一些机电设备和导航设备的型号和要求)。⑥使用条件：环境条件：海区、海情、盐度、透明度、温度和密度梯度等。后勤保障条件：母船、起吊回收方式，运输、运载方式以及储存方式。⑦使用要求(观察能力、作业能力和水下抗水流能力；潜水员水下出入能力；水下对接和人员物质干转移能力等)。水下机器人的总体布置方案设计又称可行性设计。通常是为了满足设计任务书而进行方案的比较和分析的研究工作。在方案设计的初始阶段，设计师首先必须在分析设计任务书的各项要求基础上提出实施步骤，同时运用计算机辅助设计的现有程序进行潜水器多方案的设计要素估算和分析比较，评价任务书各项要求的可行性和经济性，最后可以得出一个或几个可行的设计方案。水下机器人的总体布置初步设计——是在方案设计的基础上，当设计方案通过某种形式确定下来后进行的。因为在这个阶段中，潜水器的主要性能和特性都要被最后确定。由于方案设计已被确认，因此近似的船体特性、推进系统、操纵控制方式和各重要的分系统都已被确定并经批准。所以设计师在这阶段中就要绘制潜水器最基本的图纸。将方案设计的图纸进行比例放大，绘制型线图，修改总布置草图，进行静水力和重量研究，同时进行流体方面的静力和动力试验(包括阻力、推进、操纵和适航性试验)；并进行航速和续航力，动力负荷以及稳性估算和研究；同时应用入级规范和标准进行检验，确保其安全性。水下机器人的总体布置技术设计——在国外又叫合同设计。在初步设计的基础上，在设备研制和课题研究取得初步结果的情况下，进行技术设计。其目的就是把初步设计发展成可供制造厂或承包商遵循或投标使用的图纸和基本技术文件(包括潜水器的主要图纸、总说明书、计算说明书以及主要的试验研究报告)。它们是设计的最终技术文件。就潜水器设计而言，以技术设计结束而告完成。水下机器人的总体布置施工设计——根据技术设计提供的图纸和文件，结合建造厂的设备条件和加工工艺特性，设计施工图纸和主要工装，并编制潜水器系泊试验和航行试验大纲，设备的验收和安装试验要求等文件。施工设计通常由制造厂来完成，对于小型潜水器也可以由设计单位来完成。潜水器系统的特点涉及学科面广技术密集度高要求设计师具有基础扎实的专业知识船舶系统流体力学固体力学微电子学计算机材料动力能源人工智能控制论人机系统水声水下机器人设计的成败，很大程度上取决于设计师的知识和他运用自己经验的广度和深度。设计程序的指导往往取决于新旧潜水器之间的相似程度以及可以利用的大量相近潜水器的资料和数据。有经验的设计师善于利用各系统相似与不相似特性来明确自己的修改方向，就能成功地得到新设计潜水器的初步概念，包括必要的非常精确的尺度和性能特征。实际的设计程序就是从这些初步概念出发不断反复修正的逐步近似过程。在一般情况下，潜水器系统的造价正比于潜水器的大小与重量。所以潜水器设计的目标往往可以归结为：在满足设计任务书要求的前提下，设计一艘排水量与主尺度最小，技术性能最优的潜水器。水下机器人的总体布置考虑的因素最大程度发挥装置与仪器的使用性能便于使用、存放与维修安全可靠布置紧凑（便于操作的同时避免相互干扰）备用空间水下机器人形体的选择推力器的数量与布置机械手、电视与照明装置的布置水下机器人的总体布置的内容水下机器人的形体的选择开架式VS流线体水下机器人的推力器布置推进100%横移31%转艏100%升沉96%纵倾7%横倾33%水下机器人的推力器布置水下机器人的推力器布置水下机器人的作业工具布置水下机器人的作业工具布置水下机器人的设计方法母型设计法逐渐近似法方案法系统法水下机器人与一般水面排水船的差别：支承船舶重量的静水力(浮力)可以由吃水变化进行调节，所以对重量和容量要求并不那么敏感。而水下机器人则要求静水力(浮力)和重量的严格平衡。水下机器人的重量特征潜水器设计的一个重要目标就是要使潜水器在完成使命任务的前提下达到排水量最小，因为潜水器的造价及操作费用往往与潜水器的排水量大小直接有关。潜水器各个部分的重量和容积可以分类为：有效载荷耐压体非耐压体观通导航设备动力设备机械装置浮力材料UUVP,CCVP,LCLCVP,IIVP,EEVP,MMVP,BBVP,潜水器的排水量为：BMEILCCUPPPPPPPW总的浮容积为：BMEILCCVVVVVVV为了保证潜水器的平衡，应该使VW所以，可有BBMMEEIILCLCCCiPPPPPPVWV12由公式1，可得：)(MEILCCUBPPPPPPWP由公式2，可得：)(MMBEEBIIBLCLCBCCBBBPPPPPWP34由公式3=公式4，就得到：UMBMEBEIBILCBLCCBCBPPPPPPW)1()1()1()1()1()1(UMBMEBEIBILCBLCCBCBPPPPPPW)1()1()1()1()1()1(由上式可以看到，对于用浮力材料的潜水器，当某一组相对比重量比浮力材料的相对比重量小时，右边括号就会变为负值，此时增加组重量不仅不会增加潜水器排水量，反而使排水量减小。为详细分析各组重量变化对潜水器排水量的影响；可将上式对某一组重量求导数，即：iB)/1(iBiPiPBiBiPW115根据公式5，用不同的相对比重量，可以描绘出一组与的相关曲线。iiPWB2、当时，与变化无关，均等于1。这表示增加的重量，不用增加浮力材料，因。iiPiPW/BiPWi相关曲线的分析：1、当时，不同的的均趋近于1。随着增大，将急增(或正或负)。当时，均趋近无穷大(或正或负)。0BiiPW/BiPW/BiPW/B/BiBiPW11/B当时，不管等于多少，均小于1，即，这就意味着增加的重量可以减少浮力材料的使用。特别是当时，变为负值，这时增加反而使排水量减少。iBiPW/iPWiiPBiiPW/iP3、对于同样的，如越大，则随的增加而急剧增加。BiWiPBiBiPW11从上述分析可知，在设计潜水器时，为使潜水器的排水量最小可通过两个途径去解决：1、尽量减小部分的重量；2、增加部分的重量，以减少所使用的浮力材料。对小深度潜水器，由于耐压体相对比重量，故增加耐压体重量可以减少浮力材料的使用，从而使潜水器的排水量减小，因此这时往往把潜水器设计成大耐压壳，并将所有设备都设置在耐压体内；对于大深度潜水器，由于，所以为了减小潜水器的排水量应把耐压体设计成尽可能的小，此时将尽可能把设备置于耐压体外。以上的结论对潜水器设计很重要，对如何选择潜水器的艇型，主尺度有很大关系，特别对深度不大的潜水器，存在着一个耐压体型式和尺度的最优化问题。BiBiBCBC水下机器人的重心、浮心、稳心Mz(kg.m)Z(m)My(kg.m)Y(m)Mx(kg.m)X(m)MzMyMxP重心重量P(kg)项目名称序号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=P中心位置Xg=Mx/PYg=My/PZg=Mz/P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。M´zdm3.m)Z(m)M´y(dm3.m)Y(m)M´x(dm3.m)X(m)M´zM´yM´xP浮心浮容积P(kg)项目名称序号固定浮容积V0=V浮心位置Xc=M´x/VYc=M´y/VZc=M´z/V稳心高h=Zc-Zg对于一般水下机器人，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＝XgYc＝Yg如果Xc≠Xg，Yc≠Yg，则必须重新调整布置，重新进行计算。如h=Zc-Zg小于许可值，亦必须重新调整布置图，进行计算：tg0=(Xc-Xg)/(Zc-Zg)要求调整到0=00～10或1.50范围内。以上是第一次近似，平衡后的重量排水量、总布置及型线可以作为下一次近似的依据，再精确计算各部分重量，逐步近似，直到最后两次近似结果趋于一致为止。水下机器人的最佳性能准则耐压壳的密度耐压壳结构合理性系数海军部系数相对载重量能源定位导航材料作业声学智能回收路径规划避碰结构优化。。。水下机器人的关键技术点