于志民，王仁忠，孟相全

(1.天津海運職業(yè)學(xué)院,天津 300350；2.煙臺大學(xué),山東煙臺 264005；3.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300351)

基于無動力推進(jìn)與無軸輪緣推進(jìn)聯(lián)合的水下探測器設(shè)計

于志民1，王仁忠2，孟相全3

(1.天津海運職業(yè)學(xué)院,天津 300350；2.煙臺大學(xué),山東煙臺 264005；3.中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 300351)

本文分析無動力推進(jìn)水下探測器的推進(jìn)原理及特點，分析無軸輪緣推進(jìn)的特點，提出無動力推進(jìn)與無軸輪緣推進(jìn)聯(lián)合的水下探測器推進(jìn)系統(tǒng)，并對探測器殼體進(jìn)行設(shè)計，對無動力系統(tǒng)浮心調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計，對重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。探測器的外觀為全封閉設(shè)計，采用4個位置矢量布置的無輪緣推進(jìn)裝置及變浮心、重心聯(lián)合推進(jìn)，消除了軸系和傳動裝置的損失以及螺旋槳的空泡損失，該探測器完整的外形使探測器隱蔽性更強、可靠性更高，該聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)使探測器具有全向運動能力，并具有高度靈活的運動能力。

無動力；無軸輪緣；水下探測器；推進(jìn)系統(tǒng)

0 引 言

伴隨著對海洋環(huán)境資源開發(fā)利用，海洋深處的豐富資源逐步被探明，隨著海洋資源的開發(fā)、利用，各種無人海洋探測器在海洋環(huán)境考察、海洋資源開發(fā)、深海生物研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。2017年5月《科技部、交通運輸部關(guān)于印發(fā)“十三五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃的通知》，對“十三五”期間交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新的目標(biāo)及重點任務(wù)進(jìn)行部署，具體到水運裝備方面，把“研究無軸輪緣推進(jìn)器設(shè)計、制造及控制技術(shù)”列在重點項目領(lǐng)域，國家大力支持對無軸輪緣推進(jìn)器的研究，無軸輪緣推進(jìn)器技術(shù)的研究在今后會越來越受重視，各大研究機構(gòu)及院校大力投入資金進(jìn)行無軸輪緣相關(guān)技術(shù)研究，2017年5月武漢理工大學(xué)在政府公開招標(biāo)網(wǎng)上公布無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)綜合性能實驗平臺的招標(biāo)項目。目前水下探測器運動方式大多采用了傳統(tǒng)螺旋槳的推進(jìn)方式，該方式存在著能源利用率低、機動性差、慣性大、振動和噪聲大等不足。為了克服上述缺點，本文提出無動力推進(jìn)與無軸輪緣推進(jìn)聯(lián)合的水下無人探測器，充分利用電能的存儲系統(tǒng)，可以解決長期無人探測器能量供給的難題，具有低碳、無污染、無噪聲的優(yōu)點，可以長時間不斷地潛行和觀測，同時可以提高水下探測器的可操縱度，提高航速，降低噪聲。

1 探測器殼體設(shè)計

對于無人探測器的工作環(huán)境進(jìn)行耐壓艙結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，如圖1所示。

對探測器的殼體及首部分別建模，本文采用Ansys Workbench進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，探測器殼體使用鋁合金6061T6耐壓材料，厚度數(shù)值按照J(rèn)B/T 4734-2002中的要求進(jìn)行校核，鋁合金在常溫下的抗拉強度為260 MPa，合金鋁用作壓力容器時的安全系數(shù)設(shè)置為4，耐壓艙的許用應(yīng)力為τ=65Ma，最終探測器結(jié)構(gòu)采用厚度為10 mm的殼體，首部厚度采用6 mm，基于Ansys Mechanical模塊對探測器的殼體及首位進(jìn)行計算分析結(jié)果，如圖2為厚度10mm探測器殼體的應(yīng)力云圖，由殼體分析云圖可知設(shè)計壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，圖3是探測器首位為厚度5.5mm圓柱殼體的應(yīng)力云圖，由首、尾結(jié)構(gòu)分析云圖可知設(shè)計壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，該探測器從結(jié)構(gòu)上安全可行。

2 探測器浮心調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

利用探測器自身的重力與浮力關(guān)系，通過改變凈浮力和重心相對位置關(guān)系實現(xiàn)水中三維立體空間運動，無動力推進(jìn)具有能耗低、續(xù)航時間長、噪音低、隱蔽性好等優(yōu)點。浮力調(diào)節(jié)裝置組成有齒輪泵、電磁閥、單向閥、油管、高壓泵、電機、油箱、內(nèi)外皮囊等組成，如圖4所示。

利用浮力調(diào)整中的液壓系統(tǒng)使得外部皮囊中的液壓油回流，外部皮囊體積縮小，浮心減小，水下探測器重力大于浮力，探測器運動狀態(tài)是向下潛行，并慢慢至無推力運動狀態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)目標(biāo)深度時，通過上述液壓系統(tǒng)使得外部皮囊脹大，浮力增加，當(dāng)浮力與重力相等時，水下探測器開始在外部水阻力作用下減速下潛，改變水下探測器潛行狀態(tài)，使得探測器首部慢慢向上升，通過調(diào)節(jié)浮力驅(qū)動裝置，使得外部皮囊脹大，浮力增加，水下探測器浮力大于重力，探測器開始向上浮，并逐漸地達(dá)到無推力運動狀態(tài)，當(dāng)水下探測器運動至水面時，一個循環(huán)的無推力運動結(jié)束，運動面內(nèi)的鋸齒形無推力運動[1]，如圖5所示。

3 探測器重心調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

利用重心調(diào)節(jié)電機使得縱向儲能電池組重心發(fā)生偏移，調(diào)整探測器重心的行對位置，探測器在水動力和重力的作用下開始以一定的狀態(tài)做下潛運動，并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)運動狀態(tài)，上升回轉(zhuǎn)運動，探測器重心調(diào)節(jié)機構(gòu)如圖6所示，調(diào)整裝置的組成是由控制盒、編碼器、電機、齒輪箱、傳動軸及軸承等組成。

通過電機驅(qū)動，沿主軸向首部移動平移鋰電瓶，使得水下探測器逐漸轉(zhuǎn)變位姿，首部向下傾斜，該新型水下探測器重心調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小，利用絲杠螺母傳動、齒輪組傳動能簡單方便、利用編碼器精確地調(diào)整重心，并且產(chǎn)生磨損量小，利用鋰電池替代重物塊改變重心位置，在減少探測器的附加載荷質(zhì)量的同時，并且能提供更多的存儲電能，延長探測器工作時間，水下無推力探測器雖然能夠用于完成長時間、大的范圍海洋環(huán)境監(jiān)測和調(diào)查任務(wù)，主要存在的問題是航跡和定位控制困難、機動性差等。為了解決上述問題，實現(xiàn)對水中目標(biāo)的精確監(jiān)測、跟蹤，本文設(shè)計一種既能夠保持低噪音和長續(xù)航能力優(yōu)勢，又具有高機動性的水下探測器，在無動力推進(jìn)探測器的基礎(chǔ)上增加了無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)。

4 無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)

無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)是近年來提出、發(fā)展的先進(jìn)的推進(jìn)方式，它改變了常規(guī)的思維方式和推進(jìn)模式，將電機與推進(jìn)器集成一體，有效地減少了推進(jìn)系統(tǒng)占用的空間，提高了空間利用率，并且增加推進(jìn)效率，減少振動、進(jìn)而減少噪聲，從而保證探測器的隱蔽性，在軍事和民用領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價值和發(fā)展前景。

該系統(tǒng)由4只無軸輪緣于探測器外部，布置于探測器尾部邊緣處。水下探測器推進(jìn)器布置如圖7所示。通過4個無軸輪緣推進(jìn)器的功率配合實現(xiàn)探測器的任意方向運行，探測器機動性變得更強。

輪緣推進(jìn)器是將電機的定子移至探測器的導(dǎo)管內(nèi)腔，把永磁電機轉(zhuǎn)子移到葉梢輪緣，通過永磁電機的轉(zhuǎn)、定子磁場作用于驅(qū)動槳葉運轉(zhuǎn)，如圖8所示。這種推動方式優(yōu)點是新穎、獨特并且可以降噪，提高推進(jìn)效率。

輪緣推進(jìn)器工作原理是通過轉(zhuǎn)子帶動槳葉旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的推力通過轉(zhuǎn)子兩端的軸承傳遞到探測器上，與傳統(tǒng)軸系推進(jìn)器相比，它極大地減少傳動過程中能量的損耗，可以利用海水潤滑軸承，節(jié)省了潤滑費用，避免了潤滑油泄漏污染的風(fēng)險，減少了海洋污染物的排放。軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括海水通道的設(shè)計海水顆粒造成軸承損傷的防護(hù)措施以及軸承運行壽命的預(yù)估和維護(hù)更換步驟等，均是保證軸承潤滑冷卻可靠性的重要環(huán)節(jié)，對于無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)，壓力面和吸力面，將在間隙內(nèi)形成低速的壓差流動，會影響導(dǎo)管和槳葉的水動力性能。管式多葉柵推進(jìn)器與安裝在槳葉葉梢上，通過輪緣并嵌于管壁內(nèi)永磁輻射狀電動轉(zhuǎn)子，安裝在推進(jìn)器導(dǎo)管內(nèi)電動定子成為一體。轉(zhuǎn)子和定子各自單獨封裝，中間充滿海水，完全浸泡在海水中，輪緣驅(qū)動器沒有旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子軸和軸承被放置在相對較小的套筒內(nèi)。在無軸推進(jìn)器中，圍繞推進(jìn)器的輪緣電機的定子集成，在導(dǎo)管結(jié)構(gòu)內(nèi)，轉(zhuǎn)子形成環(huán)形。無軸輪緣推進(jìn)器是一種全電推進(jìn)方式，它與普通的全電推進(jìn)方式不同的是電機形式、結(jié)構(gòu)和推進(jìn)方式。推進(jìn)器將永磁轉(zhuǎn)子設(shè)計成環(huán)形結(jié)構(gòu)，定子上則裝配了帶水潤滑的推力和支座滑動軸承。輪緣驅(qū)動的優(yōu)點在于效率高，并可單獨置換損壞的葉片，而不需要螺旋槳整體拆除[2]。該推進(jìn)形式具有低噪聲、高效推進(jìn)、可為能源提供較多攜帶空間、具有推進(jìn)效率高、振動噪聲小、結(jié)構(gòu)緊湊、艙占用空間小等優(yōu)點，預(yù)測可實現(xiàn)潛艇推進(jìn)技術(shù)的革命[3]。

5 基于預(yù)測控制的無人探測器控制方案

在對探測器當(dāng)前檢測時刻，基于探測器對象的預(yù)測控制模型，利用過去、當(dāng)前和將來的控制輸入以及過去和當(dāng)前的系統(tǒng)輸出，對系統(tǒng)未來某段時間內(nèi)的輸出序列進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測控制的無人探測器控制方案設(shè)計采用支持向量機進(jìn)行系統(tǒng)辨識，并得到預(yù)測結(jié)果。通過最小化形式的目標(biāo)函數(shù)而得到未來的控制序列，將使未來的輸出預(yù)測序列可以沿預(yù)計設(shè)定的軌跡到達(dá)設(shè)定值。預(yù)測控制在每一個探測器控制周期內(nèi)，通過優(yōu)化水下探測器的運動性能指標(biāo)，可獲得水下探測器的未來控制作用。將所有的有效序列平移，準(zhǔn)備進(jìn)行下次檢測。在下次檢測后，以便根據(jù)最新的實測數(shù)據(jù)更新未來的控制序列，即實現(xiàn)反饋校正、反復(fù)優(yōu)化。該控制方案有效解決探測器狀態(tài)慣性大的缺點，優(yōu)化控制流程如圖9所示。圖中對水下探測器進(jìn)行設(shè)定w(k+d)通過平滑處理，擬采用指數(shù)平滑法進(jìn)行趨勢預(yù)測平滑處理。最小優(yōu)化，即運用最小平方法求出時間數(shù)列的趨勢進(jìn)行預(yù)測，時間數(shù)列所反映的是過去各個時間的狀態(tài)及目前狀態(tài)、當(dāng)前控制狀態(tài)。

6 結(jié) 語

提出一種新型的聯(lián)合推進(jìn)的水下探測器，設(shè)計了一種新型水下探測器結(jié)構(gòu)，水下探測器外觀設(shè)計具有全向運動能力，不但具有極高的靈活性。探測器的外觀為全封閉設(shè)計，采用4個位置矢量布置的無輪緣推進(jìn)裝置及變浮心、重心聯(lián)合推進(jìn)，進(jìn)行對探測器的狀態(tài)及潛行控制，減少探測器全部附件，無外露推進(jìn)器的軸系、舵系等結(jié)構(gòu)。消除了軸系和傳動裝置的損失以及螺旋槳的空泡損失，該探測器完整的外形使探測器隱蔽性更強、可靠性更高。該種聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)使探測器具有全向運動能力，并具有高度靈活的運動能力。無軸輪緣推進(jìn)方式采用新穎的電機系統(tǒng)驅(qū)動，完全取消了推進(jìn)軸，是一個時代性的技術(shù)進(jìn)步。

[1]李景熹,王樹宗,黃毅.輪式水下無人探測器姿態(tài)估計仿真研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2006,28(4):40–42.LIJing-xi,WANGShu-zong,HUANG Yi.Wheeled underwater spacecraft attitude estimation simulation research[J].Ship Science and Technology,2006,28(4):40–42.

[2]鐘宏偉,韓雪,周輝.一種用于蛙人或有效載荷的水下新型運載器[J].艦船科學(xué)技術(shù),2013,35(6):47–51.ZHONG Hong-wei,HAN Xun,ZHOU Hui.A new type of underwater vehicle used for frogmen or payloads[J]Ship Science and Technology,2013,35(6):47–51.

[3]陳曉偉,楊明莉.水下探測目標(biāo)識別的BP網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2017,39(2):118.CHENG Xiao-wei,YANG M ing-li.Detection of underwater target recognition of BPnetwork design and implementation of themodel[J].Ship Science and Technology,2017,39(2):118–120.

[4]劉恕華.水下機器人水動力性能分析與仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù),2017,39(2):124–126.LIU Ru-huan.Hydrodynam ic performance analysis and sim u lation o f underw ater robo ts[J].Ship Science and Technology,2017,39(2):124–126.

[5]劉洋.基于遺傳算法的水下無人潛器結(jié)構(gòu)特性優(yōu)化分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,37(9):145–148.LIU Yang.Analysis of the structu ral characteristics of underwater unmanned submersible vehicles based on genetic algorithm[J].Ship Science and Technology,2015,37(9):145–148.

[6]海光美.非均勻光場能見度模型的建立與研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2017,39(2):186–188.HAIGuang-mei.Establishment and research of uniform optical field visibility model[J].Ship Science and Technology,2017,39(2):186–188.

[7]Ola-Erik Fjellstad and Thorl.Fossen,Position/orientation control of an underactuatedflight object based on two degree-offreedom PID control.Grad.Sch.of Natural Sci.&TechnoL,OkayamaUniv.,Okayama,Japan,Aug 2012:1204–1209.

[8]陳珂,楊顯照,李燚航,等.無軸輪緣推進(jìn)器內(nèi)置電機防護(hù)材料及防護(hù)工藝綜述[J].微特電機,2016,44(7):83–87.CHEN Ke,YANG Xian-zhao,LIYi-hang,et al.Overview on the protective material and its anticorrosion technique of builtinmotors with shaftless rim-driven thrusters[J].Small and Special Electrcal Machines,2016,44(7):83–87.

[9]談微中,嚴(yán)新平,劉正林,等.無軸輪緣推進(jìn)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與展望[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報.2015,39(3):601–605.YAN W ei-zhong,YAN X in-ping,LIU Zheng-lin,et al.Technology development and prospect of shaftless rim-driven propulsion system[J].Journal o f Wuhan University o f Technology.2015,39(3):601–605.

Design of underwater detector based on unpowered propulsion and shaftless rim-driven propulsion

YU Zhi-min1,WANGRen-zhong2,MENG Xiang-quan3
(1.Tianjin Maritime College,Tianjin 300350,China;2.Yantai University,Yantai264005,China;3.China Oilfield Services Limited,Tianjin 300351,China)

In this paper,the characteristics and the propulsion of the underwater prober are analyzed,and the characteristics of the non-axle edge propulsion are analyzed.The appearance of the detector is fully enclosed design,using the four position vector arrangement without flange joint propulsion system and the change of buoyancy,center of gravity,and control the state of detector and stealth,reduce the probe all attachments,no leakage of propeller shaft,rudder system structure,etc.Shaft and transmission loss and eliminates the propeller cavitations.This kind of combined propulsion system makes the probe with omnidirectional movement ability and highly flexible movement.

unpowered；shaftless rim-driven；underwater detectors；propulsion system

2017–06–28；

2017–08–09

于志民(1972–)，男，副教授（甲類一等輪機長），研究方向為輪機工程及其自動化。

U674.941

A

1672–7649(2017)12–0026–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.006