新型溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

-專(zhuān)業(yè)文檔，值得下載!-專(zhuān)業(yè)文檔，值得珍藏！-新型溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器系統(tǒng)設(shè)計(jì)王延輝，張宏偉，武建國(guó)摘要：溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器使用海洋溫差能作為驅(qū)動(dòng)能源，只使用少部分電能用于控制和傳感系統(tǒng)，其巡航范圍和工作時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它種類(lèi)的水下航行器，與電能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器相比也具有明顯優(yōu)勢(shì).文章給出了溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器各功能模塊設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，并進(jìn)行了總體系統(tǒng)的水域試驗(yàn)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性.關(guān)鍵詞：水下航行器；水下滑翔器；溫差能；驅(qū)動(dòng)中圖分類(lèi)號(hào)：P715.5,TP24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-6982(2009)03-0051-04DesignofanewtypeunderwatergliderpropelledbytemperaturedifferenceenergyWANGYan-hui,ZHANGHong-wei,WUJian-guo(SchoolofMechanicalEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)Abstract:Theunderwatergliderwhichisdrivenbytemperaturedifferenceenergyuseslittleelectricenergytothecontrolandcommunicationsystem.ThusitscruiserangeismuchlongerthanotherkindsofUnderwaterVehicles.Andalsoithasmanyadvantagesthantheunderwatergliderdrivenbyelectricenergy.Themainmodulesdesignsandexperimentsareanalyzed.Andtheeffectivenessofthewholeunderwaterglidersystemisverifiedbythetestsinthewaterarea.Keywords:UnderwaterVehicle；underwaterglider；temperaturedifferenceenergy；drive0引言水下滑翔器是在自持式中性浮標(biāo)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種海洋觀測(cè)技術(shù)，以補(bǔ)充漂流浮標(biāo)不具有自主水平運(yùn)動(dòng)和定向航行的功能.1978年，WoodsHole海洋研究所（WoodsHoleOceanographicInstitution，簡(jiǎn)稱(chēng)WHOI）討論把SOFAR浮標(biāo)改進(jìn)，增加水平移動(dòng)的功能1.水下滑翔器的原始概念由海洋學(xué)家HenryStommel于1989年正式提出2，并由海洋科學(xué)家DougWebb等人于1995年研制出水下滑翔器，命名為Slocum，用于海洋參數(shù)測(cè)量3-4.作為一種新型的海洋傳感器搭載和運(yùn)輸平臺(tái)，水下滑翔器不同于傳統(tǒng)的水下機(jī)器人，它通過(guò)改變自身體積與重力的比例實(shí)現(xiàn)升沉運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)尾舵擺動(dòng)4或改變橫滾姿態(tài)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)5-6.這種工作方式使得水下滑翔器巡航范圍和時(shí)間均有顯著提高，增加了海洋監(jiān)測(cè)的能力.目前水下滑翔器浮力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的能源供給形式分為兩種，一種是使用電能驅(qū)動(dòng)，另一種則利用海洋表層與深水層的溫度差實(shí)現(xiàn)浮力改變.與電能驅(qū)動(dòng)的水下滑翔器比較，溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器由于使用海洋環(huán)境能源作為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能源，其巡航范圍和時(shí)間又有顯著提高，同時(shí)由于不使用功率較大的電機(jī)作為動(dòng)力源，其水下運(yùn)行平穩(wěn)安靜，具有極小的噪音和擾動(dòng)，更適于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)4.表1給出了典型的水下航行器、Slocum電能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器和Slocum溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的性能.溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器自概念提出，受到海洋科學(xué)家普遍關(guān)注，其技術(shù)也有了快速發(fā)展.2000年10月，溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器第一次成功實(shí)現(xiàn)了水域測(cè)試.收稿日期：2008-09-23；修回日期：2009-04-13基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50835006）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（50705063）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)及前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（09JCZDJC23400）.作者簡(jiǎn)介：王延輝（1979-），男，博士后，主要研究方向：水下機(jī)器人和海洋裝備.52此后，其技術(shù)一直進(jìn)行改進(jìn)7.我國(guó)對(duì)溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的研究開(kāi)始于2004年，天津大學(xué)和國(guó)家海洋技術(shù)中心合作，成功研制了溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器試驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了水域試驗(yàn).此滑翔器在空氣中整體質(zhì)量約為50kg，工作深度可達(dá)100m，攜帶溫度傳感器獲取運(yùn)動(dòng)水域的溫度信息.此外，滑翔器可以利用水域表面與深水層約10的溫差產(chǎn)生浮力驅(qū)動(dòng)，浮力調(diào)節(jié)量為0.5N，并通過(guò)電能控制，調(diào)整耐壓殼體內(nèi)部姿態(tài)控制機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，使滑翔器重心與浮心產(chǎn)生相對(duì)位移，以控制滑翔器的姿態(tài).表1三種水下潛器性能參數(shù)潛器名稱(chēng)質(zhì)量推進(jìn)方式驅(qū)動(dòng)能源工作深度在位作業(yè)時(shí)間巡航范圍典型水下自航行器幾十千克幾噸螺旋槳電池電能幾十米幾千米幾小時(shí)幾十小時(shí)幾十幾百公里Slocum電能水下滑翔器50kg浮力改變電池電能200m20天幾百公里Slocum溫差能水下滑翔器約52kg浮力改變海洋溫差能2000m4年5年幾千公里1系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器整體布局如圖1所示，根據(jù)功能，其結(jié)構(gòu)主要分為以下4個(gè)功能模塊：主體模塊，包括耐壓殼體及其附件，姿態(tài)調(diào)整模塊，控制與通訊模塊，浮力調(diào)節(jié)模塊.本文對(duì)各功能模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì).圖1溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器系統(tǒng)布局示意圖1.1主體模塊設(shè)計(jì)水下滑翔器的主體結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生內(nèi)部耐壓艙，以保護(hù)艙內(nèi)的儀器和設(shè)備不受外部水域條件干擾.主體模塊設(shè)計(jì)主要包括：耐壓殼體的型體優(yōu)化設(shè)計(jì)、殼體材料選擇、各艙段密封形式設(shè)計(jì)、內(nèi)部裝配空間優(yōu)化設(shè)計(jì)、加工成型制造工藝研究、外部附體設(shè)計(jì).水下滑翔器的耐壓殼體外形及其附件決定了滑翔器的水動(dòng)力特性，很大程度上影響了滑翔器的運(yùn)動(dòng)性能.為此，在已知排水量的情況下，兼顧內(nèi)部構(gòu)造與內(nèi)部空間的利用情況，設(shè)計(jì)需要盡可能優(yōu)化水阻力，提高滑翔器性能.水下滑翔器采用中間艙段為圓柱殼體，兩端艙體為半橢球殼體設(shè)計(jì)，圓柱殼體直徑200mm，橢球截面的偏心率為3.5，殼體長(zhǎng)度為1860mm，殼體壁厚6mm.考慮到加工的工藝性和水下滑翔器的工作環(huán)境，耐壓殼體材料選用硬鋁合金材料.后端艙體為浸水設(shè)計(jì)，用于安裝外皮囊和部分測(cè)量傳感器，減少水阻力，同時(shí)用于固定垂直尾翼.外皮囊與水下滑翔器外部的環(huán)境直接接觸，通過(guò)改變外皮囊的體積來(lái)改變整個(gè)滑翔器的體積，進(jìn)而改變浮力.1.2姿態(tài)調(diào)整模塊設(shè)計(jì)姿態(tài)調(diào)整模塊是水下滑翔器系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是水下滑翔器能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和良好運(yùn)動(dòng)性能的前提.姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)主要包括俯仰姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)以及滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，它們共同安裝在一個(gè)方形導(dǎo)軌上.對(duì)于俯仰姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，選取平移機(jī)構(gòu)總重量5kg，可實(shí)現(xiàn)在平衡位置前后20cm的平移運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)最大速度可達(dá)0.011m/s.其運(yùn)動(dòng)通過(guò)安裝在平移重物上的齒輪和固定于導(dǎo)軌上的齒條之間的嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn).滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的整體重量5kg，偏心量（偏心旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重心與旋轉(zhuǎn)軸的距離）0.1m，可實(shí)現(xiàn)繞導(dǎo)軌的40的偏轉(zhuǎn).其運(yùn)動(dòng)通過(guò)安裝在偏心重物上的齒輪和固定于導(dǎo)軌上的齒輪嚙合實(shí)現(xiàn).俯仰姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示.1.3控制與通訊模塊設(shè)計(jì)控制與通訊模塊具有水下滑翔器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控功能，用于控制姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，獲得理想的航行狀態(tài)，同時(shí)模塊具有接收指令，規(guī)劃航跡，發(fā)送存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等水下滑翔器整體固緊件TCM電子羅盤(pán)加強(qiáng)肋偏心旋轉(zhuǎn)重物偏心旋轉(zhuǎn)重物末端定位件俯仰姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器支架固定端蓄能腔工作腔外皮囊外壓力傳感器固定垂直尾翼溫度傳感器電磁閥內(nèi)皮囊內(nèi)部壓力傳感器固定水平翼支架平移重物耐壓殼體滾轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)電池前耐壓艙53功能.根據(jù)水下滑翔器的功能要求，文章選擇分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將其自上而下分為組織層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層.然后根據(jù)選定的結(jié)構(gòu)，研究電路硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)硬件編程，進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能.圖2俯仰姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖圖3滾轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖1.4浮力調(diào)節(jié)模塊設(shè)計(jì)溫差能驅(qū)動(dòng)浮力調(diào)節(jié)模塊利用一套類(lèi)似于熱機(jī)的液壓系統(tǒng)，通過(guò)和水域環(huán)境的熱量交換，獲得驅(qū)動(dòng)能量，使水下滑翔器浮力改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體水中的升沉運(yùn)動(dòng).浮力調(diào)節(jié)模塊中含有兩種介質(zhì)：工作介質(zhì)和傳遞介質(zhì).工作介質(zhì)用于感受外界環(huán)境變化，常溫下即可發(fā)生固液兩態(tài)的相變，并產(chǎn)生相應(yīng)的體積變化.傳遞介質(zhì)用于把工作介質(zhì)的體積變化通過(guò)液壓系統(tǒng)傳遞給外皮囊，使外皮囊體積發(fā)生相應(yīng)改變.其工作原理如圖4所示8-9，工作腔（1）感受環(huán)境溫度變化.工作腔（2）為蓄能器，預(yù)充壓力略高于滑翔器的設(shè)定工作深度壓力，本文給定1.2MPa.滑翔器下沉過(guò)程中，環(huán)境溫度的降低使得工作介質(zhì)體積縮小，內(nèi)皮囊內(nèi)的傳遞介質(zhì)流入工作腔（1）.上升過(guò)程中，工作介質(zhì)體積膨脹，傳遞介質(zhì)從工作腔（1）流入蓄能器（2）中，為滑翔器系統(tǒng)儲(chǔ)能，以用于下一次外皮囊體積漲大做功.工作腔設(shè)計(jì)承壓為1.2MPa，采用夾層圓柱殼體，工作介質(zhì)放于圓柱夾層中，其中夾層的外壁作為中后端耐壓殼體，與外部環(huán)境直接接觸，夾層的內(nèi)壁用來(lái)固定安裝水下滑翔器內(nèi)部器件，此設(shè)計(jì)使得滑翔器的結(jié)構(gòu)更加緊湊，工作介質(zhì)與環(huán)境的熱量交換效率更高.蓄能腔和內(nèi)、外皮囊均選隔膜蓄能器和蓄能器專(zhuān)用皮囊，并通過(guò)電磁閥和液壓管路連接，完成設(shè)計(jì).圖4熱機(jī)系統(tǒng)工作原理8,92主要功能模塊單元試驗(yàn)2.1姿態(tài)調(diào)整模塊試驗(yàn)姿態(tài)調(diào)整模塊的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)主要根據(jù)水下滑翔器的工作特點(diǎn)，選取典型角度0、15、20、30作為滑翔器滾轉(zhuǎn)姿態(tài)角的參考值，觀察姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的調(diào)整誤差.試驗(yàn)裝置如圖5所示，具體過(guò)程為：設(shè)定水下滑翔器需要保持的一組橫滾角度，分別為0、15、20、30，在此基礎(chǔ)上根據(jù)姿態(tài)調(diào)整模塊的實(shí)際姿態(tài)角驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)而調(diào)節(jié)偏心旋轉(zhuǎn)重物的角度，以使模塊達(dá)到預(yù)設(shè)偏轉(zhuǎn)角度.圖5姿態(tài)調(diào)整模塊聯(lián)調(diào)試驗(yàn)裝置圖根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到橫滾角的誤差與初始角、目標(biāo)角的關(guān)系，如圖6所示.圖中曲線(xiàn)代表各不同的初始角狀態(tài).由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，姿態(tài)調(diào)整模塊的橫滾角度在-3030的工作范圍內(nèi)，其角度誤差基本在1左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求.方形導(dǎo)軌被動(dòng)錐齒輪主動(dòng)錐齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒輪支架固定齒條傳動(dòng)對(duì)稱(chēng)直齒輪末端定位件固定大齒輪小齒輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)方形導(dǎo)軌工作介質(zhì)（1）傳遞介質(zhì)外皮囊真空閥門(mén)兩位兩通電磁閥（4）流量控制裝置內(nèi)皮囊單向閥蓄能器（2）（3）54圖6姿態(tài)調(diào)整模塊試驗(yàn)曲線(xiàn)2.2浮力調(diào)節(jié)模塊單元試驗(yàn)試驗(yàn)主要用于驗(yàn)證溫差能浮力調(diào)節(jié)模塊的做功能力，在海洋環(huán)境小溫差下，其浮力改變的實(shí)現(xiàn)情況.通過(guò)模擬海洋環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)獲得外皮囊體積變化率與時(shí)間和環(huán)境溫度的關(guān)系.圖7為皮囊體積膨脹率與溫度和時(shí)間的關(guān)系.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，此模塊能夠利用溫度差產(chǎn)生系統(tǒng)的浮力改變，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo).圖7外皮囊體積變化試驗(yàn)結(jié)果3系統(tǒng)水域試驗(yàn)為驗(yàn)證新型溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的總體性能，將上述各功能模塊在單元試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行集成，并選擇我國(guó)千島湖水域進(jìn)行了樣機(jī)的寬水域試驗(yàn).試驗(yàn)過(guò)程中獲取了多組千島湖水域夏季垂直剖面溫度數(shù)據(jù)，圖8為其中的8組數(shù)據(jù).圖8千島湖溫度剖面試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)可以看出，夏季千島湖水域在水深5m15m之間，存在明顯溫度躍變，由表層的約30溫度變化為深水層的10左右，這為新型溫差能驅(qū)動(dòng)的水下滑翔器提供了理想的工作環(huán)境.試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果驗(yàn)證了溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的設(shè)計(jì)目標(biāo)，樣機(jī)能夠利用千島湖的水域溫差實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng).4結(jié)論溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器作為一種新型的水下自航行器，使用海洋表層與一定的深水層溫度差產(chǎn)生動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，而只使用一小部分電能用于控制和通訊，因而其航程和航行時(shí)間均大大增加.同時(shí)由于溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器噪音和振動(dòng)小，使其成為海洋長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的理想平臺(tái).本文給出了一種新型的溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器的整體設(shè)計(jì)，并分別討論了各主要模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程和功能試驗(yàn).通過(guò)整機(jī)的水域試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性，為溫差能驅(qū)動(dòng)水下滑翔器進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展提供了經(jīng)驗(yàn).參考文獻(xiàn)：1WebbD.SOFARfloatsforPOLYMODEC/Proc.Oceans77Conf.,LosAngeles,CA.,U.S.A.,1977,2:44B-1-44-B-5.2StommelH.TheSlocummissionJ.Oceanography,1989,2(1):22-25.3SimonettiP.SLOCUMglider:designand1991fieldtrialsR/WebbResearchCorp.,WoodsHoleOceanographicInstitution,OfficeofNavalTechnology,ContractNo.N00014-90C-0098,1992.4WebbD.,SimonettiP.,andJonesC.SLOCUM:anunderwatergliderpropelledbyenvironmentalenergyJ.IEEEJournalofOceanicEngineering,2001,26(4):447-452.5EriksenC.C.,OsseT.J.,LightR.D.,etal.Seaglider:along-rangeautonomousunderwate