水下机器人结构形式及其发展趋势分析

水下机器人的结构是影响其运动性能的重要因素。按框架式、刚性外壳仿生式、柔性外壳仿生式、球形、滑翔式和链式6类结构,对水下机器人结构形式的发展现状和存在的关键技术问题进行分析。重点分析各类结构的驱动速度、加装载重和运动灵活性,以及在水下环境中的运动性和适应性。研究结果表明,水下机器人的结构形式正朝着高度柔性化、整体与局部结构之间高度变形化和多体结构可分离化的方向发展。     

水下推进形式应用现状及发展趋势

对国内外水下推进形式的应用现状进行总结,对其工作原理进行介绍,在此基础上分析各种推进形式存在的关键问题,并据此对水下推进形式发展趋势进行分析.研究表明,目前推进形式正朝着多样化、轻量化、混合化、高度仿生化、高适应性及高智能化的方向发展.     

新型消防用水下搜救机器人研发设计

介绍了一种消防用水下搜救机器人的设计,该水下机器人具有价格低廉、功能齐全、实用可靠和操作简便的特点,可完成水下多自由度方向运动、水下定位,不同目标的可视化探测和成像识别等作业。本文完成了消防用水下机器人的总布置设计,设计了电子舱的结构并对其进行了强度校核,评估了机器人水下稳定性,设计和论证了机器人的推进系统。     

仿生机器鱼的运动规律研究

仿生机器鱼技术为研究高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路，是近几年水下机器人领域的研究热点之一。基于仿生机器鱼的运动模型，研究了它的运动规律，并进行了计算机仿真研究。仿真结果表明，尾鳍摆动频率和两关节相位差对推进速度有较大的影响。     

“I-EXPLORER”——多元化智能海洋探测系统

正多元化智能海洋探测系统("I-EXPLORER")由母船、温差能驱动型水下滑翔机和水下仿生机器人组成,3个部分各自探测不同深度、多种类型的海洋数据,独立作业能力强又高度协调工作。I-EXPLORER可实现多层次、立体化海洋数据探测,以大数据技术构建"数字化海洋"。系统设计特点如下:1)基于"母—子"船的设计概念;2)突破了传统ROV携带AUV的作业方式,实现AUV携带AUV;3)通过将母船、水下滑翔机和水下仿生机器人收集到的海洋数据进行处     

局部回归神经网络在水下机器人运动控制中的应用

探讨了水下机器人神经网络运动模型的结构,提出了带有局部回归结构的水下机器人神经网络控制器结构及预测控制的实现方法,给出了该神经网络的教师样本生成方法及学习方法,计算机仿真与水池实验结果验证了本文提出方法的有效性和可行性。     

全海深自变形水下机器人高效运动实现机理研究

与常规水下机器人不同,全海深水下机器人面临万米的垂直剖面水深,当前全海深水下机器人的潜浮过程占据了其入水后的大部分时间,导致全海深水下机器人运动效率不高。本文通过对潜浮运动模式及低阻构形方式的分析,结合变形—变结构水下机器人的设计思想,构建了一种适应于水下水平面与垂直面的高效运动模式,提出一种面向全海深高效运动的自变形水下机器人的实现方法。在对自变形水下机器人潜浮阶段与海底直航阶段运动进行模型分析的基础上,提出基于有效工作时间的运动效率评价方法。最后结合流体仿真软件Fluent对阻力系数的辨识,对自变形水下机器人的运动效率进行评估,验证了该自变形的构形方式相较于传统回转外形构形方式在面向全海深工作环境的高效性。     

深海作业型带缆水下机器人关键技术综述

带缆水下机器人是深海勘探或采油的重要工具之一.近年来,国内外学者对其开展了广泛研究,部分成果已应用于工业生产环境.针对带缆水下机器人,从总体设计、脐带缆动力学、水动力性能、运动姿态控制以及水下机械手和作业装备等研究现状以及发展趋势进行分析综述.在总体设计方面,市场化与低成本技术使水下机器人使用前景更加广阔,针对各类特定任务的轻型和重型水下机器人发展极快;在水动力方面,机器人本体与脐带缆和机械手的耦合效应非线性较强,目前本体动响应预测精度不足,导致基于运动反馈的控制算法效果欠佳;在控制方面,滑模控制算法由于不依赖动力学响应而获得了较多应用,而基于模糊理论和神经网格的方法验证不够充分;在深海作业方面,多个刚体铰链外加抓具的结构是水下机械手最为常见的形式.扩展工具成为机械手的强有力补充,使水下机器人在深海资源获取中越来越不可替代.     

基于连续体模型应力评估的水下机器人刚度强化设计

为了提高水下机器人设计和制造的机械强度,提出一种基于连续体模型应力评估的水下机器人刚度强化设计方法。构造水下机器人刚度强化评估的应力学结构模型,分析机器人刚度强化加工的控制约束参量,采用连续体模型应力评估方法进行水下机器人的刚度加工机械设计的荷载力学分析,实现机器人解耦构型的机构耦合度、运动灵巧度、方位特征、构件应力以及屈服强度等参量的解耦运算,得到机器人机械结构优化构型的位置正解,通过应力评估和结构解耦性设计,提高水下机器人的水下抗载荷能力和强度。仿真结果表明,采用该方法进行水下机器人刚度强化设计,机器人的机械弹性载荷较高,水下应力载荷和抗压能力得到提升,对机器人机械设计的构型优选和加工工艺改进具有较好指导价值。     

小型化碟形水下机器人系统设计

当前应用于湖泊海域的小型水下机器人较少，且成本较高。提出一种自主式碟形水下机器人，并完成了系统设计和相关试验，实现其高度自主化和无疲劳连续性作业等功能，大幅提升小型水下机器在湖泊海域作业的可靠性、安全性和高效性，对于推进小型水域的科考工作发展具有重要意义。     

Station keeping control of underwater robots using disturbance force measurements

Station keeping control of remotely operated vehicles is crucial in the successful completion of underwater missions of work class robotic vehicles. The conventional method of station keeping using the vehicle pose/velocity measurement introduces delay in vehicle control and often leads to instability. In this paper, we present a novel method for measuring the underwater disturbances and controlling the robot for station keeping using a feed-forward control strategy. A strain-gauge based disturbance force measurement is proposed here with suitable algorithms to measure the forces acting on the vehicle due to external disturbances. Using the dynamic models, the vehicle response is predicted and a feed-forward control is implemented for station keeping. The controller activates corrective control action even before the vehicle responds to the disturbances. The performance of the controller is analyzed through simulation studies as well as hardware-in-loop tests. Results show that this approach is an effective alternative for conventional station keeping control of underwater vehicles.     

分层结构材料顺序对水中冲击波的影响研究

采用分层结构设计是有效提升现代舰船的抗爆炸冲击能力的一种方式。通过建立水下航行器的分层结构模型,采用高压下冲击波在分层介质中的传播理论模型,分析分层结构不同材料的合理排列顺序,并进行验证性的试验研究。研究表明,在为舰船或者水下航行器等装备设计分层结构时,在不影响整体布局的情况下,需重点考虑到材料的排列顺序。     

The design of underwater hull-cleaning robot

The research on underwater ship-hull cleaning robot was conducted on the purpose of realizing the automation of cleaning underwater ship hull so that service life of ship will be prolonged and ship speed will raised. Moreover, fuel consumption and the work intensity of divers will be reduced. In this paper, the current situation and the latest technology in China and abroad were analyzed; meanwhile, the typical characteristics of the underwater cleaning robot were introduced. According to the work principle of the underwater cleaning robot, the emphasis was put on the analysis and study of permanent-magnetic absorption, magnetic wheel, airproof and anticorrosion, underwater cleaning equipment and control system. The robot is easy in rotation and simple in control.     

鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器设计

针对鱼雷型无人水下航行器航行过程中外界环境干扰复杂,航行体系统内部干扰严重的特殊问题,并同时考虑系统参数剧烈变化造成的系统不确定性,设计纵向鲁棒控制器。该控制器采用 PID控制器作为标称控制器控制标称受控对象。利用非线性状态观测器估计受控系统中的不确定性和外界环境干扰,并通过补偿控制律补偿,使整个闭环控制系统具有鲁棒性。将此方法应用于鱼雷型无人水下航行器鲁棒控制器的设计,可大大提高鱼雷型无人水下航行器航行过程中对干扰的抑制和对不确定性的适应能力,保证鱼雷型无人水下航行器在整个航行过程中的姿态稳定,以保证航行任务的完成。     

水下浮式结构优化设计及力学特性试验

针对大长细比浮式结构水下工作时存在涡激振动、结构稳定性差、动态特性明显等问题,分析计算水下浮式结构力学特征、动力学特性,寻找解决减小水下浮式结构涡激振动效应的方法。同时采用物理模型试验方法验证研究成果的准确性。研究结果表明,采用合理导流板结构形式,可有效降低水下浮式结构涡激振动效应。该理论分析与仿真计算方法可有效应用于水下浮式结构优化设计。     

无人水下航行器外热源热机用无气体产生燃料

无人水下航行器(UUV)在军事领域正得到愈发广泛的应用,动力装置是其技术难点之一。无人水下航行器采用外热源热机,在续航力和航速上,都优于其他类型动力装置,且使用无气体产生燃料,可从根本上解决水下气体排放问题,提高航行隐蔽性,具有良好的军事应用前景。本文根据无人水下航行器的使用条件和技术要求,对适用于无人水下航行器外热源热机的无气体产生燃料进行了广泛考察,给出了可用于无人水下航行器外热源热机的无气体产生燃料和氧化剂的组合。     

高氯酸锂制氧气原理及其应用研究

高氯酸盐作为一类高能氧化剂,其高含氧量使其在推进技术领域得到广泛应用。针对某型热动力系统采用氢气与氧气燃烧产生动力的特点,结合动力推进的可控性与安全性要求,提出了采用高氯酸锂热分解实时生成氧气,分析了高氯酸锂的物理化学性质及热分解动力学模型方程,设计了制氧系统的结构,研究了系统产氧量的控制方法。     

基于三元可控速度矩法的水下航行体推进泵参数化设计方法

随着水下航行体对推进器高性能和低噪声要求与日俱增,迫切需要研究适用于水下航行体的推进泵.本文选出影响水下航行体推进泵水动力性能的主要参数,基于三元可控速度矩方法,编写Matlab程序对推进泵进行参数化设计,并结合CFD数值模拟方法进行设计优化与试验验证.CFD计算结果表明模型泵水力效率能达到83%,达到设计目标并准确把握了设计工况点,验证了本方法的可靠性,为开发高性能水下航行体推进泵奠定基础.     

Active control for installation of underwater structures

The trend towards deepwater development requires a new approach to underwater installation of offshore structures. The present method using crane vessels has some drawbacks in operations at more than 2000 m depth. The natural period of the coupled system of the rigged structure and the crane vessel becomes longer, so that it is no longer possible to manipulate the cranes to achieve the desired positioning accuracy. This paper examines the application of an active control technique for underwater installations as one of the solutions to the present problems. An active control technique also has the advantage that it can deal with the structural flexibility which allows the structure to be large and light-weight. This structural flexibility imposes problems of suppressing the elastic responses and securing the stability of the control system. In this paper, anH _∞ controller combined with a low authority control/high authority control (LAC/HAC) feedback controller is designed for cases where structural flexibility cannot be ignored. A robust model-following controller is examined for cases where the structure can be treated as rigid. In order to confirm the control algorithm and verify the possibility of the active control installation method, basin tests are executed using two types of neutrally buoyant flexible models with ultrasound ranging systems and thrusters.     

便携式水下机器人设计

出于对近海海洋探索的目的,本文应用了上次研究[1]的水下ROV空间姿态控制系统设计了一种便携式水下机器人。该水下机器人系统硬件部分主要由电源模块、无刷电调、遥控部分以及姿态传感器模块组成,软件控制以及相关数据处理由一块ARM-M3内核的处理器完成,编译软件使用Kile。水下机器人结构采用3D打印机制作,材料选用PLA。遥控通讯采用CAN总线协议。水下机器人经过实际调试可以达到相关技术要求,下潜深度100 M,能实现简单的水下作业要求。