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

形式 材料 结构 主尺度 强度 布置 设计

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

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。

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。

技术密集度高 潜水器系统的特点 涉及学科面广 船舶系统 流体力学 固体力学 微电子学 计算机 要求设计师具有基 础扎实的专业知识 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

水下机器人的总体布置的内容

 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 横移 转艏 升沉 纵倾 横倾

100% 31% 100% 96% 7% 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

水下机器人的重量特征

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。

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

PU , VU PC , VC PLC , VLC

PI , VI

PE , VE PM , VM PB , VB

潜水器的排水量为： W  P U P C P LC  P I P E P M P B 总的浮容积为：

1

V  VC  VLC  VI  VE  VM  VB

为了保证潜水器的平衡，应该使 W  V 所以，可有 V 

W



  Vi 

C

PC



 LC

PLC



I

PI



E

PE



M

PM



B

PB

2

由公式 1，可得：PB  W  ( P U P C P LC  P I P E P M) 由公式 2，可得：PB 

3 4

B      W  ( B PC  B PLC  B PI  B PE  B PM )  C  LC I E M

由公式 3 = 公式 4，就得到：

W (1 

B      )  PC (1  B )  PLC (1  B )  PI (1  B )  PE (1  B )  PM (1  B )  PU  C  LC I E M

W (1 

B      )  PC (1  B )  PLC (1  B )  PI (1  B )  PE (1  B )  PM (1  B )  PU  C  LC I E M

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  i 比浮力 材料的相对比重量

 B 小时，右边括号

(1   B /  i )

就会变为负值，此时增加 Pi

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 Pi 求导数，即：

B i W  Pi 1   B 

1

5

根据公式 5，用不同的相对比重量  i 的相关曲线。

，可以描绘出一组  B 与 P i

W

B i W  Pi 1   B 

1

相关曲线的分析： 1、当  随着  当

B

B

 0

时，不同的



i

的

 W /  均趋近于 Pi

1。

B/

B

 W /  P i 将急增(或正或负)。 增大，

 

时，  W /  P i

 

均趋近无穷大(或正或负)。 与 变化无关，均等于 ，不用增加浮力

2、当 

i

W 时，

i

/  Pi

B

1。这表示增加 

 

的重量

Pi

材料，因 W  Pi 。

B i W  Pi 1   B



1

当  i   时，不管  B 等于多少，W / Pi 均小 于 1，即 W  Pi ，这就意味着增加  i   的重 量 Pi 可以减少浮力材料的使用。特别是当  i   B

W / Pi 变为负值，这时增加 Pi 反而使排水量 时，

 B /

减少。 3、对于同样的  B ，如  i 越大，则 W 随 Pi 的增加而急剧增加。

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  i   B 2、增加 部分的重量；

 i   B 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  C   B ，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  C   B ，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。

水下机器人的重心、浮心、稳心

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。

序号 项目名称 重量 P(kg) X (m) Mx (kg.m) 重 Y (m) My (kg.m) 心 Z (m) Mz (kg.m)

P

重量排水量 中心位置 W= Xg = Yg = Zg = P Mx / P My / P Mz / P

Mx

My

Mz

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。

序号 项目名称 浮容积 P(kg) X (m) M ´x (dm3. m) 浮 Y (m) 心 M ´y (dm3. m) Z (m) M ´z dm3. m)

P

固定浮容积 浮心位置 V0= Xc = Yc = Zc = V M´x / V M´y / V M´z / V

M´x

M´y

M´z

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 ＝ 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 h=Zc-Zg 小于许可值，亦必须重新调整布置图，进行计算： tg 0=(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

水下机器人的关键技术点

能源 作业 路径规划 定位 声学 避碰 导航 智能 结构优化 材料 回收 。。。