基于无动力推进与无轴轮缘推进联合的水下探测器设计

于志民，王仁忠，孟相全

(1.天津海运职业学院,天津 300350；2.烟台大学,山东烟台 264005；3.中海油田服务股份有限公司,天津 300351)

基于无动力推进与无轴轮缘推进联合的水下探测器设计

于志民1，王仁忠2，孟相全3

(1.天津海运职业学院,天津 300350；2.烟台大学,山东烟台 264005；3.中海油田服务股份有限公司,天津 300351)

本文分析无动力推进水下探测器的推进原理及特点，分析无轴轮缘推进的特点，提出无动力推进与无轴轮缘推进联合的水下探测器推进系统，并对探测器壳体进行设计，对无动力系统浮心调节系统设计，对重心调节系统进行优化。探测器的外观为全封闭设计，采用4个位置矢量布置的无轮缘推进装置及变浮心、重心联合推进，消除了轴系和传动装置的损失以及螺旋桨的空泡损失，该探测器完整的外形使探测器隐蔽性更强、可靠性更高，该联合推进系统使探测器具有全向运动能力，并具有高度灵活的运动能力。

无动力；无轴轮缘；水下探测器；推进系统

0 引 言

伴随着对海洋环境资源开发利用，海洋深处的丰富资源逐步被探明，随着海洋资源的开发、利用，各种无人海洋探测器在海洋环境考察、海洋资源开发、深海生物研究等领域得到广泛应用。2017年5月《科技部、交通运输部关于印发“十三五”交通领域科技创新专项规划的通知》，对“十三五”期间交通领域科技创新的目标及重点任务进行部署，具体到水运装备方面，把“研究无轴轮缘推进器设计、制造及控制技术”列在重点项目领域，国家大力支持对无轴轮缘推进器的研究，无轴轮缘推进器技术的研究在今后会越来越受重视，各大研究机构及院校大力投入资金进行无轴轮缘相关技术研究，2017年5月武汉理工大学在政府公开招标网上公布无轴轮缘推进系统综合性能实验平台的招标项目。目前水下探测器运动方式大多采用了传统螺旋桨的推进方式，该方式存在着能源利用率低、机动性差、惯性大、振动和噪声大等不足。为了克服上述缺点，本文提出无动力推进与无轴轮缘推进联合的水下无人探测器，充分利用电能的存储系统，可以解决长期无人探测器能量供给的难题，具有低碳、无污染、无噪声的优点，可以长时间不断地潜行和观测，同时可以提高水下探测器的可操纵度，提高航速，降低噪声。

1 探测器壳体设计

对于无人探测器的工作环境进行耐压舱结构部分的设计，如图1所示。

对探测器的壳体及首部分别建模，本文采用Ansys Workbench进行网络划分，探测器壳体使用铝合金6061T6耐压材料，厚度数值按照JB/T 4734-2002中的要求进行校核，铝合金在常温下的抗拉强度为260 MPa，合金铝用作压力容器时的安全系数设置为4，耐压舱的许用应力为τ=65Ma，最终探测器结构采用厚度为10 mm的壳体，首部厚度采用6 mm，基于Ansys Mechanical模块对探测器的壳体及首位进行计算分析结果，如图2为厚度10mm探测器壳体的应力云图，由壳体分析云图可知设计压力远远小于许用应力，图3是探测器首位为厚度5.5mm圆柱壳体的应力云图，由首、尾结构分析云图可知设计压力远远小于许用应力，该探测器从结构上安全可行。

2 探测器浮心调节装置设计

利用探测器自身的重力与浮力关系，通过改变净浮力和重心相对位置关系实现水中三维立体空间运动，无动力推进具有能耗低、续航时间长、噪音低、隐蔽性好等优点。浮力调节装置组成有齿轮泵、电磁阀、单向阀、油管、高压泵、电机、油箱、内外皮囊等组成，如图4所示。

利用浮力调整中的液压系统使得外部皮囊中的液压油回流，外部皮囊体积缩小，浮心减小，水下探测器重力大于浮力，探测器运动状态是向下潜行，并慢慢至无推力运动状态，当到达目标深度时，通过上述液压系统使得外部皮囊胀大，浮力增加，当浮力与重力相等时，水下探测器开始在外部水阻力作用下减速下潜，改变水下探测器潜行状态，使得探测器首部慢慢向上升，通过调节浮力驱动装置，使得外部皮囊胀大，浮力增加，水下探测器浮力大于重力，探测器开始向上浮，并逐渐地达到无推力运动状态，当水下探测器运动至水面时，一个循环的无推力运动结束，运动面内的锯齿形无推力运动[1]，如图5所示。

3 探测器重心调节装置设计

利用重心调节电机使得纵向储能电池组重心发生偏移，调整探测器重心的行对位置，探测器在水动力和重力的作用下开始以一定的状态做下潜运动，并最终达到稳态回转运动状态，上升回转运动，探测器重心调节机构如图6所示，调整装置的组成是由控制盒、编码器、电机、齿轮箱、传动轴及轴承等组成。

通过电机驱动，沿主轴向首部移动平移锂电瓶，使得水下探测器逐渐转变位姿，首部向下倾斜，该新型水下探测器重心调节系统结构紧凑、占用空间小，利用丝杠螺母传动、齿轮组传动能简单方便、利用编码器精确地调整重心，并且产生磨损量小，利用锂电池替代重物块改变重心位置，在减少探测器的附加载荷质量的同时，并且能提供更多的存储电能，延长探测器工作时间，水下无推力探测器虽然能够用于完成长时间、大的范围海洋环境监测和调查任务，主要存在的问题是航迹和定位控制困难、机动性差等。为了解决上述问题，实现对水中目标的精确监测、跟踪，本文设计一种既能够保持低噪音和长续航能力优势，又具有高机动性的水下探测器，在无动力推进探测器的基础上增加了无轴轮缘推进系统。

4 无轴轮缘推进系统

无轴轮缘推进系统是近年来提出、发展的先进的推进方式，它改变了常规的思维方式和推进模式，将电机与推进器集成一体，有效地减少了推进系统占用的空间，提高了空间利用率，并且增加推进效率，减少振动、进而减少噪声，从而保证探测器的隐蔽性，在军事和民用领域有着很高的应用价值和发展前景。

该系统由4只无轴轮缘于探测器外部，布置于探测器尾部边缘处。水下探测器推进器布置如图7所示。通过4个无轴轮缘推进器的功率配合实现探测器的任意方向运行，探测器机动性变得更强。

轮缘推进器是将电机的定子移至探测器的导管内腔，把永磁电机转子移到叶梢轮缘，通过永磁电机的转、定子磁场作用于驱动桨叶运转，如图8所示。这种推动方式优点是新颖、独特并且可以降噪，提高推进效率。

轮缘推进器工作原理是通过转子带动桨叶旋转，产生的推力通过转子两端的轴承传递到探测器上，与传统轴系推进器相比，它极大地减少传动过程中能量的损耗，可以利用海水润滑轴承，节省了润滑费用，避免了润滑油泄漏污染的风险，减少了海洋污染物的排放。轴承的结构设计包括海水通道的设计海水颗粒造成轴承损伤的防护措施以及轴承运行寿命的预估和维护更换步骤等，均是保证轴承润滑冷却可靠性的重要环节，对于无轴轮缘推进系统，压力面和吸力面，将在间隙内形成低速的压差流动，会影响导管和桨叶的水动力性能。管式多叶栅推进器与安装在桨叶叶梢上，通过轮缘并嵌于管壁内永磁辐射状电动转子，安装在推进器导管内电动定子成为一体。转子和定子各自单独封装，中间充满海水，完全浸泡在海水中，轮缘驱动器没有旋转密封结构。转子轴和轴承被放置在相对较小的套筒内。在无轴推进器中，围绕推进器的轮缘电机的定子集成，在导管结构内，转子形成环形。无轴轮缘推进器是一种全电推进方式，它与普通的全电推进方式不同的是电机形式、结构和推进方式。推进器将永磁转子设计成环形结构，定子上则装配了带水润滑的推力和支座滑动轴承。轮缘驱动的优点在于效率高，并可单独置换损坏的叶片，而不需要螺旋桨整体拆除[2]。该推进形式具有低噪声、高效推进、可为能源提供较多携带空间、具有推进效率高、振动噪声小、结构紧凑、舱占用空间小等优点，预测可实现潜艇推进技术的革命[3]。

5 基于预测控制的无人探测器控制方案

在对探测器当前检测时刻，基于探测器对象的预测控制模型，利用过去、当前和将来的控制输入以及过去和当前的系统输出，对系统未来某段时间内的输出序列进行预测。预测控制的无人探测器控制方案设计采用支持向量机进行系统辨识，并得到预测结果。通过最小化形式的目标函数而得到未来的控制序列，将使未来的输出预测序列可以沿预计设定的轨迹到达设定值。预测控制在每一个探测器控制周期内，通过优化水下探测器的运动性能指标，可获得水下探测器的未来控制作用。将所有的有效序列平移，准备进行下次检测。在下次检测后，以便根据最新的实测数据更新未来的控制序列，即实现反馈校正、反复优化。该控制方案有效解决探测器状态惯性大的缺点，优化控制流程如图9所示。图中对水下探测器进行设定w(k+d)通过平滑处理，拟采用指数平滑法进行趋势预测平滑处理。最小优化，即运用最小平方法求出时间数列的趋势进行预测，时间数列所反映的是过去各个时间的状态及目前状态、当前控制状态。

6 结 语

提出一种新型的联合推进的水下探测器，设计了一种新型水下探测器结构，水下探测器外观设计具有全向运动能力，不但具有极高的灵活性。探测器的外观为全封闭设计，采用4个位置矢量布置的无轮缘推进装置及变浮心、重心联合推进，进行对探测器的状态及潜行控制，减少探测器全部附件，无外露推进器的轴系、舵系等结构。消除了轴系和传动装置的损失以及螺旋桨的空泡损失，该探测器完整的外形使探测器隐蔽性更强、可靠性更高。该种联合推进系统使探测器具有全向运动能力，并具有高度灵活的运动能力。无轴轮缘推进方式采用新颖的电机系统驱动，完全取消了推进轴，是一个时代性的技术进步。

[1]李景熹,王树宗,黄毅.轮式水下无人探测器姿态估计仿真研究[J].舰船科学技术,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]钟宏伟,韩雪,周辉.一种用于蛙人或有效载荷的水下新型运载器[J].舰船科学技术,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]陈晓伟,杨明莉.水下探测目标识别的BP网络模型的设计与实现[J].舰船科学技术,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]刘恕华.水下机器人水动力性能分析与仿真[J].舰船科学技术,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]刘洋.基于遗传算法的水下无人潜器结构特性优化分析[J].舰船科学技术,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.非均匀光场能见度模型的建立与研究[J].舰船科学技术,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]陈珂,杨显照,李燚航,等.无轴轮缘推进器内置电机防护材料及防护工艺综述[J].微特电机,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]谈微中,严新平,刘正林,等.无轴轮缘推进系统研究现状与展望[J].武汉理工大学学报.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（甲类一等轮机长），研究方向为轮机工程及其自动化。

U674.941

A

1672–7649(2017)12–0026–04

10.3404/j.issn.1672–7649.2017.12.006