固液相变驱动的探测装置设计与浮潜控制研究

作     者：马鹤 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯交义;宁大勇

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0816[工学-测绘科学与技术] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：水下自主机器人 固液相变 浮力调节系统 模型预测控制 

摘      要：随着人们对海洋资源的探索与开发程度的不断增加,海洋探索活动逐步向深海层发展。在深海科学研究中,自主式水下机器人作为重要装备被广泛应用于环境监测、资源勘探等领域。然而,深海环境极端的高压低温条件使得自主式水下机器人的研发难度和制造成本大大增加。浮力调节系统是自主式水下机器人的重要组成部分,通过调节AUV的净浮力控制装置整体在升沉方向上的运动状态。在深海的低温高压环境中,自主式水下机器人一般采用压载式液压浮力调节系统,而这种浮力调节系统的机械结构复杂、自重大、制造和维护成本高。对于小型AUV来说,复杂且庞大的浮力调节系统会降低装置整体的工作效率、影响其在水下的运动性能,还会增加装置工作和维护的成本。本文基于相变材料的固液相变驱动原理设计了一种用于进行水下环境数据采集活动的探测装置,与传统的深海液压驱动浮力调节系统相比,相变材料驱动的浮力调节系统具有结构简单、轻量化、制造成本低等突出特点。本文重点研究了以相变材料驱动设计的浮力调节系统结构设计,根据浮力调节系统的工作特性进行控制器的设计,通过仿真实验和上浮试验验证了以相变材料驱动的浮力调节系统设计方案的可行性,主要内容包括:(1)根据探测装置的工作原理、工作环境设计整体结构,以流线型回转体外形结构作为整流罩减小探测装置在水下运行时受到的阻力,耐压舱采用圆柱结构,具有较强的耐压性且利于内部单元布置,耐压舱上下两个舱室分别用来进行浮力调平及海洋环境数据采集。浮力调节系统由10个相同的浮力调节单元组成,沿耐压舱轴线方向均匀布置。探测装置整体尺寸为400×400×480mm,整体质量约为16kg、排水体积约为15L,浮力调节系统调节能力大于100g,配重舱容量满足浮力调平需求。(2)浮力调节单元主要由相变材料、加热单元和柔性外壳组成。其中,选用58号石蜡作为相变材料,该材料具有优秀的耐压性能,相变前后密度差异较大,且相变过程可逆。加热单元主要由螺栓、氧化铝陶瓷和镍铬合金丝组成,由于石蜡熔化过程中的热上升流效应将加热单元布置于相变材料的下方,以提高加热效率。柔性外壳选用两种不同型号的硅胶和玻璃微珠混合制成,保证良好韧性的同时也降低了单元整体密度。(3)由于石蜡冷却凝固的过程中响应较慢,因此选择模型预测控制算法对浮力调节系统进行控制,以避免浮力调节系统浮力调节过度或不足。根据石蜡体积膨胀随温度变化曲线进行了 MPC控制器的设计,并结合石蜡膨胀特性及实际工作情况对控制器进行约束。在Simulink中完成了浮力调节系统、海水模型和探测装置动力学模型的建立。通过仿真实验模拟了探测装置水下工作时深度变化曲线,装置从水下1000m深度上浮至500m用时约3500s,并且可在该深度下悬停超过2000s,期间最大震荡幅度约为5m左右。(4)根据浮力调节单元的结构设计进行实物的加工制作,通过浮力调节试验验证了浮力调节单元调节功能实现,结果表明,浮力调节单元在120s内可产生4g的浮力增量。根据探测装置结构进行了试验样机的设计,在水池中进行了上浮试验,验证了基于固液相变驱动的浮力调节系统方案的可行性。并将试验结果与仿真结果进行了对比,验证了仿真模型的准确性,总结了浮力调节系统的控制经验。以上结果表明,基于固液相变驱动原理的浮力调节系统具有结构简单、制造成本低等特点,可以满足小型水下机器人的浮力调节需求,且模型预测控制算法可以实现更优秀的控制效果,该驱动方式的浮力调节系统在小型水下机器人领域有着巨大的应用潜力。