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基于串联柱塞泵的全海深水下滑翔机浮力调节系统特性研究

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船舶力学 2023年第8期27卷 1179-1187页

作者：谭智铎刘顺杰谢华龙俞建成中国科学院沈阳自动化研究所沈阳110016 中国科学院机器人与智能制造创新研究院沈阳110169 清华大学机械工程系北京100084 东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819

全海深水下滑翔机是一种依靠浮力驱动的万米级深海滑翔机,其浮力调节系统在工作过程中将受到最大超过110 MPa的海水压力。本文针对传统基于单级柱塞泵结构的浮力调节系统在全海深工况难以正常运行的问题,提出一种基于二级串联柱塞泵结... 详细信息

全海深水下滑翔机是一种依靠浮力驱动的万米级深海滑翔机,其浮力调节系统在工作过程中将受到最大超过110 MPa的海水压力。本文针对传统基于单级柱塞泵结构的浮力调节系统在全海深工况难以正常运行的问题,提出一种基于二级串联柱塞泵结构的浮力调节系统设计方案,并对其泵油效率特性进行分析。通过搭建AMESim仿真平台和模拟压力试验平台对系统特性进行研究。实验结果表明:基于二级串联柱塞泵结构的浮力调节系统可以在全海深工况下正常运行,120 MPa压力下泵油效率达56%,其驱动模块体积小、重量轻,满足使用要求。

关键词：全海深水下滑翔机浮力调节系统串联柱塞泵泵油效率实验平台

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基于大功率压电控制阀的浮力调节系统研究

基于大功率压电控制阀的浮力调节系统研究

作者：刘彪华中科技大学

学位级别：硕士

当前,水下机器人在许多场合都有着广泛的应用,包括海洋科学研究、海洋资源勘探等。目前在水下机器人的运动过程中,常常使用推进器或者浮力调节系统来控制运动或者调节姿态。然而,电池、电机、电磁阀等元件都会产生较大的磁场干扰。因此... 详细信息

当前,水下机器人在许多场合都有着广泛的应用,包括海洋科学研究、海洋资源勘探等。目前在水下机器人的运动过程中,常常使用推进器或者浮力调节系统来控制运动或者调节姿态。然而,电池、电机、电磁阀等元件都会产生较大的磁场干扰。因此,这两种方法在磁场干扰要求较高的场景都不太适用。所以,针对这部分场景,本文设计了一种基于大功率压电控制阀的浮力调节系统。本文主要研究内容如下:首先,针对项目提出的无磁需求,提出了基于新材料——压电陶瓷为驱动机构的压电控制阀的方案。利用了压电陶瓷输出力大、输出位移可控的优点,设计了大功率(工作压力与工作流量之积)压电阀的结构方案、密封方案。其次,以有限元法为理论基础,考虑流固耦合的影响对压电阀内流道进行了流体动力学分析,为压电阀的结构优化打下基础。基于仿真分析,完成了压电陶瓷和控制器的选型及特性分析。针对压电控制阀样机完成了密封性能实验和流量特性实验,得到了压电控制阀具有较好的线性控制特性。然后,针对预期的浮力调节系统技术指标,提出了一种结合了油囊式和高压气瓶式浮力调节特性的新型浮力调节系统。通过气囊控制实验,拟合得到了气囊的四阶函数控制特性。基于Siumlink验证了浮力调节系统对深度控制的准确性和可靠性。在此基础上搭建了浮力调节系统样机,应用于无磁水下实验平台样机之上,开展了陆地、船池与海洋实验研究,验证了基于压电控制阀的浮力调节系统在实际海洋环境中可以顺利完成下潜、上浮、定深悬浮动作,并能够准确实现深度控制。本文对磁场干扰要求较高的场景,为水下实验平台设计了一套浮力调节系统,设计制造了一款大功率压电控制阀作为流量控制的元件,在无磁环境、大功率等场合具有较强优势。另外该浮力调节系统结合了油囊式浮力调节和高压气瓶式浮力调节的特点,能够精准的调节浮力。该系统为实现海洋信息的通讯提供一些理论和实践的依据,具有一定的理论价值、工程应用价值。

关键词：大功率压电控制阀浮力调节系统无磁水下实验平台

AUG浮力调节系统微型轴向柱塞泵的设计与仿真

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机床与液压 2023年第10期51卷 109-113页

作者：王聪邓斌何栋廖建宇先进驱动节能技术教育部工程研究中心四川成都610030

为了满足AUG低能耗、长续航和高控制精度的要求,其浮力调节系统一般由柱塞泵驱动。针对该设计需求设计一款采用联合配流方式的新型微型轴向柱塞泵,其排量0.03 mL/r,额定工作压力25 MPa。利用AMESim软件建立仿真模型。仿真结果表明:所设... 详细信息

为了满足AUG低能耗、长续航和高控制精度的要求,其浮力调节系统一般由柱塞泵驱动。针对该设计需求设计一款采用联合配流方式的新型微型轴向柱塞泵,其排量0.03 mL/r,额定工作压力25 MPa。利用AMESim软件建立仿真模型。仿真结果表明:所设计的AUG浮力调节系统用微型轴向柱塞泵在额定工作条件下容积效率可达到96%,且质量仅为100.2 g,具有较好的工程应用前景。

关键词：浮力调节系统轴向柱塞泵联合配流方式 AMESim仿真

基于浮力调节系统的AUV垂直面运动控制研究

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基于浮力调节系统的AUV垂直面运动控制研究

作者：丛浩东哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着人类在深海领域研究的日益推进,自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)技术也得到了快速发展,长航程、大潜深成为其未来发展的主要方向。油囊式的浮力调节装置作为可调控制系统,在AUV垂直面运动过程中替代垂向的推... 详细信息

随着人类在深海领域研究的日益推进,自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)技术也得到了快速发展,长航程、大潜深成为其未来发展的主要方向。油囊式的浮力调节装置作为可调控制系统,在AUV垂直面运动过程中替代垂向的推进器进行无动力升沉,从而达到节省能源、提高水下航行时间的目的。因此,对于浮力调节系统以及基于该系统的AUV垂直面运动控制技术研究具有重要的研究价值。本文以基于浮力调节系统的AUV作为研究对象,采用自抗扰控制技术,对其在垂直面的深度控制和纵倾控制进行了分析研究,解决了外界扰动情况下基于浮力调节系统的AUV垂直面运动控制问题,节省AUV升沉过程能源的消耗,从而实现AUV对固定目标海域的长期观测,同时能够满足以适宜速度快速升沉到目标深度以及在运动过程中产生较小的漂移距离的要求。首先,设计了一种油囊式浮力调节系统,该系统主要由布置在重心处的油囊和布置在AUV轴线上的艏油箱与艉油箱组成,然后建立了浮力调节系统的数学模型以及基于浮力调节系统的AUV六自由度模型,考虑海流、浮力和模型不确定性等干扰对AUV的运动模型进行了完善,并对建立的AUV运动模型进行了浮力驱动下的下潜运动仿真验证。其次,分析了自抗扰控制器原理及特点并针对自抗扰控制器参数选取问题确定了参数的整定原则。然后对六自由度模型加以简化得到垂直面运动模型并运用自抗扰控制技术对AUV的深度控制与纵倾控制进行了单独控制,分别在有干扰、无干扰情况下与PID的控制效果进行了对比分析,验证了自抗扰控制器的有效性。再次,针对基于浮力调节系统的AUV在垂直面运动过程中进行大范围升沉运动的问题,给出了深度-纵倾的协调控制策略,通过设计的自抗扰深度控制器和自抗扰纵倾控制器实现了深度-纵倾的协调控制,对AUV大倾角无动力下潜方式进行了仿真实验,仿真结果表明自抗扰控制下基于浮力调节系统的AUV深度-纵倾控制器具有较好的控制效果。最后,对自抗扰控制器在被控对象变化范围较大时的控制效果进行分析,并利用BP神经网络实现对被控对象扰动的估计与补偿,设计了基于BP神经网络的自抗扰纵倾-深度控制器,仿真结果表明改进后的自抗扰控制器在系统参数变化时具有较强的鲁棒性,提高了AUV的运动控制性能。

关键词：自主式水下航行器自抗扰控制浮力调节系统深度控制纵倾控制

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潜器浮力调节系统的低功耗控制策略

西安交通大学学报 2018年第12期52卷 44-49页

作者：穆为磊邹振兴孙海亮杨友胜中国海洋大学机电工程系山东青岛266100 北京宇航系统工程研究所北京100070

针对潜器浮力调节系统功耗较高、严重制约潜器续航里程的问题,以剖面浮标为例分析了潜器上浮和下潜的工作过程,发现了上浮过程功耗远大于下潜过程的现象,提出了一种上浮过程的低功耗控制策略。首先推导了柱塞泵额定转速运行时电机输出... 详细信息

针对潜器浮力调节系统功耗较高、严重制约潜器续航里程的问题,以剖面浮标为例分析了潜器上浮和下潜的工作过程,发现了上浮过程功耗远大于下潜过程的现象,提出了一种上浮过程的低功耗控制策略。首先推导了柱塞泵额定转速运行时电机输出转矩与海水压强的函数关系式。采用Matlab/Simulink建立了无刷直流电机的速度闭环控制仿真模型,通过对仿真数据进行回归分析,分别获得了电机启动功耗和稳定运行功率关于输入转矩的关系式;然后在考虑海水密度随深度变化的条件下,推导出总功耗与调节次数的函数关系式。最后通过对总功耗函数进行数值求解,发现总功耗与调节次数呈非线性关系。计算结果表明4km潜器上浮过程调节16次时系统功耗最低,比传统调节一次时节约能量78.883J,理论上节约能量48.3%。

关键词：潜器浮力调节系统低功耗控制策略

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基于浮力调节系统的AUV水底着陆策略研究

中国舰船研究 2018年第6期13卷 134-139页

作者：孙庆刚郑荣杨斌李默竹中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院大学北京100049

[目的]水底着陆是自主式水下机器人(AUV)实现水下长期潜伏、定点观测的一种手段,有利于更好地掌握海洋环境的变化。[方法]介绍基于油囊式浮力调节系统的作业型AUV的基本组成结构及主要功能,提出控制浮力垂直下潜着陆和航行下潜控制浮力... 详细信息

[目的]水底着陆是自主式水下机器人(AUV)实现水下长期潜伏、定点观测的一种手段,有利于更好地掌握海洋环境的变化。[方法]介绍基于油囊式浮力调节系统的作业型AUV的基本组成结构及主要功能,提出控制浮力垂直下潜着陆和航行下潜控制浮力垂直着陆这2种水下着陆策略,分析AUV目标点偏离、能耗和离底情况,并开展湖上着陆试验验证。[结果]试验结果表明,依靠该浮力调节系统,AUV能够在水下稳定着陆并安全离底;航行下潜控制浮力垂直着陆策略比控制浮力垂直下潜着陆策略更节省能源,且着陆目标点更为准确。[结论]因此,航行下潜控制浮力垂直着陆策略更符合未来实际应用的需求。

关键词：水底着陆自主式无人水下机器人浮力调节系统油囊式

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水下滑翔机浮力调节系统研制

中国舰船研究 2018年第6期13卷 128-133,165页

作者：杨海刘雁集中国舰船研究设计中心上海201108 上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240

[目的]浮力调节系统是控制水下滑翔机潜浮状态及滑翔速度的关键组件。为了深入研究浮力调节系统,[方法]通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算,以获得浮力调节量这一重要的设计参数。研制了具有出油和回油两通路的浮力... 详细信息

[目的]浮力调节系统是控制水下滑翔机潜浮状态及滑翔速度的关键组件。为了深入研究浮力调节系统,[方法]通过对水下滑翔机及其浮力调节系统的理论分析和CFD计算,以获得浮力调节量这一重要的设计参数。研制了具有出油和回油两通路的浮力调节系统、采用高压柱塞泵实现在深水环境下向外出油、低能耗齿轮泵实现在浅水环境下回油的浮力调节系统。在不同压力环境下对出油和回油特性及其能耗进行实验测试。[结果结果]结果表明:在2.5 MPa压力环境下,浮力调节系统出油过程正常;在大气压力环境下,浮力调节系统的回油过程正常,所研制的实验装置可模拟水下滑翔机实际运行环境的海洋压力。[结论]研制工作可为浮力调节系统的工程应用提供有益参考。

关键词：水下滑翔机浮力调节系统海洋压力环境模拟器

6000m AUV“潜龙一号”浮力调节系统开发及试验研究

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海洋技术 2014年第5期33卷 1-7页

作者：武建国石凯刘健徐会希王雨李阳徐春辉中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室辽宁沈阳110016 中国科学院大学北京100049

＂潜龙一号＂是我国2011年启动研发的6 000 m级自主水下航行器（AUV）,用于深海海底锰结核探测,是＂十二五＂规划重点项目之一。由于潜深大,AUV在未知大深度水域航行时,一般需要2-3次下潜才可完成预定深度航行配平要求。研发了＂潜龙一... 详细信息

＂潜龙一号＂是我国2011年启动研发的6 000 m级自主水下航行器（AUV）,用于深海海底锰结核探测,是＂十二五＂规划重点项目之一。由于潜深大,AUV在未知大深度水域航行时,一般需要2-3次下潜才可完成预定深度航行配平要求。研发了＂潜龙一号＂使用的单向浮力调节系统,在陌生水域进行初次下潜时,将浮力调节装置搭载于＂潜龙一号＂外部,在航行深度进行自动浮力调节,通过浮力调节,单次便可实现预定下潜深度的最优化配平,并可同步开展该深度下的探测任务。实现了在未知海域、大潜深探测过程无需进行配平的目的,极大提高了＂潜龙一号＂AUV使用的经济性和方便性。该系统具有功能独立、体积小、使用维护方便等优点,该工作对大潜深航行器具有很高的工程应用价值和一定的开发理论指导价值。

关键词： 6 000 m级AUV 潜龙一号浮力调节系统无动力下潜

深海机动浮标混合式浮力调节系统控制策略与试验研究

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深海机动浮标混合式浮力调节系统控制策略与试验研究

作者：王雷上海交通大学

学位级别：硕士

深海浮标是用来收集海洋数据的重要仪器,它所搭载的浮力调节系统不仅是实现浮力调节功能的关键部件,同时也是产生能源消耗的主要装置。本文研制了可以充分利用海洋压差能的混合式浮力调节系统并进行了性能试验研究。针对上浮运动阶段提... 详细信息

深海浮标是用来收集海洋数据的重要仪器,它所搭载的浮力调节系统不仅是实现浮力调节功能的关键部件,同时也是产生能源消耗的主要装置。本文研制了可以充分利用海洋压差能的混合式浮力调节系统并进行了性能试验研究。针对上浮运动阶段提出了低能耗的分段浮力调节策略并进行了数值理论分析,从而为实现更广泛海域和更长观测时间的海洋观测目标提供技术支持。本文的研究主要分为混合式浮力调节系统的性能试验研究和浮力调节策略的理论研究两个主要部分。在性能试验研究中,对混合式浮力调节系统进行了方案设计、关键部件选型和系统装配,并根据深海浮标的高压工作条件搭建了深海模拟装置。最后,对低压回油功能、高压排油功能、蓄能器的蓄能和释能等关键功能进行了测试试验。试验结果表明,所研究的混合式浮力调节系统各项功能的性能良好,辅助模块能够实现对海洋压差能的收集、存储和释放,系统具有较好的稳定性。在浮力调节策略研究中,本文对深海浮标的运动特性和能耗特性进行了分析。在同时考虑上浮时间和能耗两个主要因素的条件下,提出了低能耗的分段浮力调节控制策略。通过设置不同的速度区间来探究上浮速度对于能耗的影响,得到了最低上浮速度越小能耗越小的结论。通过对能耗模型进行求解,得到分段浮力调节的次数与能耗之间的关系,证实了所提出的分段浮力调节策略能够有效减少系统能耗。

关键词：深海浮标浮力调节系统性能测试低能耗分段调节策略