仿海蛇可分离AUV 设计

梁菲菲

(陕西工业职业技术学院信息工程学院,陕西 咸阳 712000)

当今社会,海洋领土安全越发的成为人们关注的焦点。由于海洋领土相比较于陆地领土更为广阔,其区域的监测与保护也更加复杂。为了在水下更加灵活地、隐蔽地进行信息传递,执行多个任务,设想一种仿海蛇[1]的模块化的水下航行器系统,形成海洋信息组网,监听公共海区,加强沿海防御,保证我方基地、港口、航道的安全性。见图1 所示,右边为头部,左边为尾部。

图1 仿海蛇可分离AUV 示意图

1 系统设计

在安全海域,该航行器整体执行工作；在危险海域,该航行器关节分离,作为独立个体工作。蛇体的关节之间采用形状记忆合金制成的脆断螺栓连接[2],在分离通过电流对脆断螺栓加热,通过其长度的变化,将预先进行削弱处理的螺栓直接通过微型爆破拉断脱落,由于弹性力的作用关节分开。见图2 所示。

图2 关节之间的连接图(左)关节之间的分离图(右)

独立个体主要分为三部分：可变形蛇头、诱饵关节组,侦查关节组。可变形蛇头作为核心控制舱,相当于指挥中心；诱饵关节组用于海战时期作为诱饵使用；侦查关节组作为AUV 吸附到敌方目标窃取信息。见图3 所示。

关节的三个自由度的驱动是通过气动人工肌肉来实现的[3]。气动人工肌肉结构由三部分组成,分别是气动囊、气动内外壁和气动控制舱。见图4 所示。关节表面涂有高度耐蚀、耐温、耐压,高韧性,环保,长效的ChemLINE 784 涂料[4],为航行器在恶劣的环境中工作提供了可能性。气动肌肉采用纤维加强的硅橡胶,气动内外壁采用弹性壁和编织网,对舱室内部精密仪器具有减震保护作用。内部三个气腔阀独立控制进气量来改变三个气腔的压力,最终气动控制舱接收到压力信号实现整体运动姿态的调整。

图3 总设计框图

图4 气动肌肉外部图(左)气动肌肉剖面图(右)

1.1可变形蛇头

蛇头作为系统中枢,在安全海域中利用身体的灵活性实现灵活多样的步态,并且根据步态的特性以及所处的环境状态及时调整步态。本设计中选择层次化联结中枢模式生成器(Hierarchical Connectionist Central Pattern Generator,HCCPG)模型[5],HCCPG 模型具有步态控制能力强、复杂度小、有良好的扩展性等优点, 使该仿海蛇可分离AUV 能够轻易穿过窄裂缝或者孔洞等复杂环境,从而提高环境适应能力。在危险海域中,蛇头时刻检测侦查关节组的消息,在安全区域时伸展双翼迅速上浮[6],将加密的信息反馈到海面上。见图5 所示。

图5 蛇头变形图

1.2 诱饵关节组

诱饵关节组作为模拟目标诱饵,用于海战时期。可变形蛇头控制关节间分开,诱饵关节之间可以相互传递信息,形成覆盖面很广的水下通信系统[7],进行实时的信息交换和信息交流,从而更全面的掌握整个覆盖海域的信息,见图6 所示。遇到尾流自导雷时,四个诱饵关节组成平行四边形阵列,成为诱饵关节组,同时启动内部的烟火性声纳诱饵剂,有效地将尾流自导雷引诱到远处,到达一定距离后,后方诱饵关节和两侧的诱饵关节放出反鱼雷网[8],引爆尾流自导雷。解除可变形蛇头的威胁因素,保护蛇头的安全。

图6 诱饵关节组图

1.3 侦查关节组

侦查关节组作为“情报采集员”获取敌方目标信息。母体在游至敌方舰船航道处,可变形蛇头控制关节间分开,侦查关节组作为AUV 等待敌方舰船航行至目标地点,在监测到目标在可吸附范围内时,伸出“手掌”吸附在目标舰船上,并将信息发送至蛇头。见图7 所示。

图7 侦查关节窃取信息图

2 创新点

2.1 基于气动肌肉的驱动装置

关节的三个自由度的驱动是通过气动人工肌肉来实现的。灵活性好,可大维度多自由度运动；摩擦小,能源利用率高,无污染；运动平滑而轻柔,噪声小,利于隐身。纤维加强的硅橡胶构成气动肌肉用弹性壁和编织网作为内外壁,对舱室内部精密仪器具有减震保护作用。

表面涂有高度耐蚀、耐温、耐压、高韧性、环保、长效的ChemLINE 784 涂料,为航行器在恶劣的环境中工作提供了可能性。

2.2 仿生海蛇结构

仿海蛇可分离水下航行器仿海蛇结构[9],冗余度大,可以复杂海域的自由行进；此外,必要时候可分层次多模块可脱节式载荷,可以在必要时独立执行工作；关节间通过形状记忆合金[10]制成的脆断螺栓连接,使得关节脱落时产生噪声小,能量利用率高,利于隐身。

2.3 诱饵关节组编队

二维平行四边形阵列相对一维编队,亮点利用率更高,更经济,模拟的声磁场范围更大、更强、更具有引诱性,机动性更好；非拖曳式诱饵,通过与母体之间的信息组网来通信,相对现有的拖曳式诱饵,机动性更好,能够将鱼雷引诱到更远处,解决了拖曳式诱饵不能完全将鱼雷引开的缺陷,有效模拟大目标,为蛇头创造安全环境。

2.4 有层次化的结构的HCCPG 模型

HCCPG 模型能够生成相位协调的多自由度运动控制信号,从而解决了传统CCPG 模型的步态生成问题,具有步态控制能力强、复杂度小、有良好的扩展性等优点, 从而适合用于该蛇形航行器进行三维步态的控制。

3 结论

仿海蛇可脱节水下航行器可以长时间、大深度、自主地进行多任务工作。该水下航行器仿生蛇结构,能够轻易穿过窄裂缝或者孔洞等复杂环境,冗余度大,灵活度高,搜素范围广,不管在和平时期还是战争时期都能发挥重要作用,具有良好的前景和深远的影响。和平时期：仿海蛇可脱节水下航行器可以进行水下环境监测,地质勘探,考古等作业。战争时期：仿海蛇可脱节水下航行器气动肌肉驱动,行进时噪音等可探测特征低,隐蔽性强,战场生存能力提高：带有吸附盘触手群的侦查关节组可以吸附在敌舰上,大范围收集敌方信息,并发送至蛇头,伺机将信息发送出去；遇到危险时,诱饵关节组编队并点燃烟火性声纳诱饵剂,模拟目标引诱并引爆来袭武器,解除可变形蛇头的威胁因素,保护蛇头的安全。可脱节特征使其可携带大量功能不同的设备,能同时执行多项任务同时也使航行器的使用和维护更加灵活多样。