低速域水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳英龍， 宋 男， 張?jiān)雒停?侯交義， 弓永軍

(大連海事大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院， 遼寧大連 116026)

引言

水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力特性是水下遙控機(jī)器人設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)。水下遙控機(jī)器人在低速域運(yùn)動(dòng)具有低阻尼、水動(dòng)力變化大的特點(diǎn)，低速域水動(dòng)力特性的研究難度大，需要通過(guò)試驗(yàn)獲取各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)，因此水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)成為該領(lǐng)域研究的重要基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外有多個(gè)水下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水下遙控機(jī)器人的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。上海交通大學(xué)的多功能拖曳水池整體尺寸 300 m×16 m×7.5 m，該水池可以開(kāi)展螺旋槳性能試驗(yàn)、耐波性能試驗(yàn)、以及特種航行器的自航與控制試驗(yàn)[1]。同時(shí)上海交通大學(xué)還擁有可以測(cè)量潛艇、深潛器、水下拖體、導(dǎo)彈等水下運(yùn)動(dòng)體的水動(dòng)力性能的垂直平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)[2]。中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇二研究所擁有的操縱性旋臂水池可進(jìn)行船舶、 潛水器等的操縱性理論及試驗(yàn)測(cè)試，預(yù)報(bào)各型水中運(yùn)動(dòng)體的操縱性能[3]。哈爾濱工程大學(xué)智能水下機(jī)器人國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室可進(jìn)行包括航速、推力、定位等水下遙控機(jī)器人相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)[4]。浙江大學(xué)海洋裝備試驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室擁有20 m×5 m×4.5 m的水下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)水池，在水池附近布置相關(guān)測(cè)速、測(cè)力、測(cè)功率、機(jī)械臂性能測(cè)試的相應(yīng)傳感器及裝置，對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行性能測(cè)試。但國(guó)內(nèi)大多相關(guān)機(jī)構(gòu)還是以測(cè)試船舶相關(guān)性能為主，很少或未開(kāi)展水下遙控機(jī)器人性能的研究，而已經(jīng)開(kāi)展水下遙控機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的機(jī)構(gòu)，也有很多是由船舶實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改造而來(lái)，設(shè)備較為大型，實(shí)驗(yàn)代價(jià)高昂[5]。國(guó)外有一些小型的專門(mén)用于進(jìn)行水下遙控機(jī)器人性能實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)。伍茲霍爾海洋研究所海洋應(yīng)用物理與工程研究室在海洋中進(jìn)行水下遙控機(jī)器人相關(guān)性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括整機(jī)性能、進(jìn)器性能、機(jī)械手作業(yè)能力、動(dòng)力定位能力等[6]。英國(guó)的Saab Seaeye公司在法漢姆的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)水池可以進(jìn)行水下遙控機(jī)器人多項(xiàng)關(guān)鍵性能的實(shí)驗(yàn)[7]。國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有專門(mén)為測(cè)量水下遙控機(jī)器人在低速域運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生水動(dòng)力而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)。本研究根據(jù)水動(dòng)力仿真試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一套可以用于測(cè)量低速域下水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力的試驗(yàn)系統(tǒng)。

1 水動(dòng)力仿真模型

建立水下遙控機(jī)器人模型如圖1所示。水下遙控機(jī)器人整體長(zhǎng)1.1 m、寬1 m、高0.8 m。確定坐標(biāo)原點(diǎn)O為水下機(jī)器人設(shè)計(jì)原點(diǎn)，建立載體坐標(biāo)系(O-xyz)。計(jì)算域網(wǎng)格在ICEM中生成，計(jì)算區(qū)域如圖2所示。定義面ABCD距離水下遙控機(jī)器人中心2 m，面EFGH距離水下遙控機(jī)器人中心6 m，大于5倍的水下機(jī)器人長(zhǎng)度[8]，使湍流充分發(fā)展[9]。網(wǎng)格類(lèi)型為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在水下遙控機(jī)器人模型近壁面設(shè)置邊界層，邊界層高度2 mm，壁面y+值在10～80范圍內(nèi)，相鄰邊界層高度比為1.1，邊界層共設(shè)置6層，對(duì)水下遙控機(jī)器人附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，使網(wǎng)格尺寸由內(nèi)而外逐漸過(guò)度。適當(dāng)?shù)臏p小遠(yuǎn)離水下遙控機(jī)器人的網(wǎng)格密度，以控制流場(chǎng)內(nèi)總網(wǎng)格數(shù)量[10]。網(wǎng)格總數(shù)442萬(wàn)，計(jì)算域網(wǎng)格局部視圖如圖3所示。使用Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算。設(shè)置面ABCD為速度入口，面EFGH為自由流出，其余面以及水下遙控機(jī)器人模型均為無(wú)滑移、無(wú)滲透、固體、絕熱邊界[8]。使用Realizablek-e湍流模型，這種帶有湍流修正的k-e模型對(duì)于流動(dòng)分離和復(fù)雜二次流有很好的作用[11]。在計(jì)算方法上，選用SIMPIE算法解算壓力速度耦合方程。

圖1 水下遙控機(jī)器人模型

圖2 計(jì)算區(qū)域

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格局部視圖

2 水動(dòng)力仿真分析

在笛卡爾坐標(biāo)系中，力和力矩可以各自分解為3個(gè)分量，因此低速域水下機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)需要測(cè)量水下機(jī)器人模型在低速域進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)3個(gè)方向上的分力與3個(gè)方向上的分力矩。

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)之前，首先進(jìn)行水動(dòng)力仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得試驗(yàn)臺(tái)不會(huì)受到壁面效應(yīng)影響的合適距壁面距離以及在最大速度與角速度下水下機(jī)器人受到的水阻力與阻力矩。

2.1 水動(dòng)力仿真分析壁面距離

在試驗(yàn)水池進(jìn)行無(wú)界流場(chǎng)模型試驗(yàn)時(shí)，水池池壁會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的水下遙控機(jī)器人產(chǎn)生干擾，所以在設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)前，首先確定合適的水下遙控機(jī)器人與壁面的距離。令水下機(jī)器人模型與面ABFE、面BCGF、面DCGH、面ADHE的距離為0.8， 0.9， 1.0， 1.2， 1.5， 2.0， 3.0， 4.0 m，其他條件不變，共進(jìn)行8組仿真試驗(yàn)，測(cè)定在沿x軸方向流速為1.0 m/s的水流中，不同的壁面距離下水下遙控機(jī)器人模型受到的水阻力，壁面距離d與沿水流方向受力F大小示意圖如圖4所示。

在無(wú)限大的流暢中不存在壁面效應(yīng)，即壁面距離越遠(yuǎn)，壁面效應(yīng)越小，仿真結(jié)果越接近真實(shí)的水阻力。從圖4的數(shù)據(jù)中可以看到，當(dāng)壁面距離大于2.0 m后，沿水流方向的受力基本保持在234.0 N，可以認(rèn)為水下遙控機(jī)器人模型在離壁面2.0 m以上的距離運(yùn)動(dòng)時(shí)，壁面效應(yīng)基本不會(huì)影響到水下遙控機(jī)器人模型。所以在設(shè)計(jì)水下機(jī)器人試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，水下機(jī)器人距離壁面的距離最少應(yīng)為2.0 m。

圖4 壁面距離與沿水流方向受力統(tǒng)計(jì)圖

2.2 水動(dòng)力仿真分析水阻力

確定在試驗(yàn)中模型與壁面的距離為2.0 m后，還需要通過(guò)仿真得到水下遙控機(jī)器人模型在6個(gè)方向上分別以1.0 m/s的最大設(shè)計(jì)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的水阻力，確定試驗(yàn)系統(tǒng)中所選用的力傳感器的量程，以及根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。水下遙控機(jī)器人在水中以1.0 m/s的最大設(shè)計(jì)速度進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)可以相對(duì)為水流以1.0 m/s的速度沖擊固定狀態(tài)的水下遙控機(jī)器人模型。水流沿x軸反向流動(dòng)時(shí)水下機(jī)器人模型周?chē)俣仁噶繄D如圖5所示。不同方向上的水流對(duì)水下遙控機(jī)器人模型產(chǎn)生的沿水流方向上的力如表1所示。

表1 水流流向與沿水流方向受力統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)仿真結(jié)果可以得到當(dāng)水下遙控機(jī)器人模型在不同方向以1.0 m/s的最大設(shè)計(jì)速度進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，最大會(huì)受到979.3 N的水阻力。在未來(lái)水下遙控機(jī)器人模型會(huì)更加復(fù)雜，框架內(nèi)填充的設(shè)備模型會(huì)更多，所以在未來(lái)水下機(jī)器人受到的水阻力會(huì)比仿真結(jié)果更大，這就要求水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的最大拖曳力設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)大于979.3 N，所以在這里將最大水阻力翻倍并取整，水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)的最大拖曳力設(shè)計(jì)指標(biāo)定為2000 N。這要求水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)最大需提供2000 N的拖曳力，其結(jié)構(gòu)也需要可以承受2000 N的外力，力傳感器量程應(yīng)大于2000 N。

圖5 水流沿x軸反向流動(dòng)時(shí)水下機(jī)器人模型周?chē)俣仁噶繄D

2.3 水動(dòng)力仿真分析水阻力矩

通過(guò)仿真水下遙控機(jī)器人模型以30(°)/s的最大設(shè)計(jì)角速度繞模型中心旋轉(zhuǎn)時(shí)所受到的力矩，確定所選擇力矩傳感器的最大量程，并對(duì)根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。因?yàn)檎麄€(gè)水下遙控機(jī)器人模型可以近似的看成一個(gè)邊長(zhǎng)1 m的正方體，所以當(dāng)正方體以30(°)/s的角速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，邊緣的最大線速度為0.2618 m/s，而旋轉(zhuǎn)中心的速度為0。因?yàn)樾枰ㄟ^(guò)仿真得到最大水下遙控機(jī)器人旋轉(zhuǎn)時(shí)的最大力矩，而實(shí)際的水阻力距小于水下機(jī)器人模型受到0.2618 m/s的勻速水流沖擊時(shí)產(chǎn)生的總阻力乘以最大作用力臂的水阻力矩，所以可以用這種方法在量級(jí)上分析水下遙控機(jī)器人受到的水阻力距。水下遙控機(jī)器人形狀復(fù)雜，所以需要測(cè)量水下遙控機(jī)器人以不同的角度下受到水流沖擊產(chǎn)生的阻力。水下遙控機(jī)器人本身最大作用力臂為1 m。在不同角度下水下遙控機(jī)器人模型在量級(jí)上受到最大力矩如表2所示。

通過(guò)仿真結(jié)果可以得知在水下遙控機(jī)器人以最大設(shè)計(jì)角速度30(°)/s進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在量級(jí)上受到的最大水阻力矩為67.7 N·m，方向?yàn)槔@y軸與繞z軸。這里同樣將水下遙控機(jī)器人最大水阻力矩翻倍并取整，水下遙控機(jī)器人最大旋轉(zhuǎn)力矩設(shè)計(jì)指標(biāo)定為200 N·m。在設(shè)計(jì)低速域水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)需要可以提供的最大力矩應(yīng)200 N·m，其結(jié)構(gòu)也需要可以承受200 N·m的力矩，力矩傳感器的量程大于200 N·m。

表2 在不同角度下水下遙控機(jī)器人模型在量級(jí)上受到最大力矩

3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

整個(gè)低速域水下遙控機(jī)器人試驗(yàn)系統(tǒng)分為2個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，分別為進(jìn)行長(zhǎng)距離拖曳試驗(yàn)的拖曳試驗(yàn)臺(tái)以及進(jìn)行定點(diǎn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)。

拖曳試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)水下遙控機(jī)器人模型在水下進(jìn)行低速域的勻速運(yùn)動(dòng)或勻加速運(yùn)動(dòng)，測(cè)量水下遙控機(jī)器人在水下的位移與受到的水阻力。拖曳試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。拖曳試驗(yàn)臺(tái)整體通過(guò)框架結(jié)構(gòu)懸掛于試驗(yàn)水池池壁，支撐結(jié)構(gòu)固定連接框架結(jié)構(gòu)與直線導(dǎo)軌，使導(dǎo)軌受力均勻傳遞到框架結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)最大受到4000 N·m的旋轉(zhuǎn)力矩?；瑝K在直線導(dǎo)軌上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌和滑塊采用JSA-LZG45CZ型滾珠直線導(dǎo)軌副，額定靜力距5560 N·m，滿足設(shè)計(jì)需求。滑塊上方固定連接懸臂以保證水下遙控機(jī)器人在距離壁面2 m的距離上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。懸臂的另一端通過(guò)連接桿和力傳感器與水下遙控機(jī)器人模型連接，力傳感器測(cè)量水下遙控機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的水阻力，傳感器量程大于2000 N，傳感器精度0.5級(jí)。卷?yè)P(yáng)機(jī)拖動(dòng)滑塊在直線導(dǎo)軌上進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)或勻加速運(yùn)動(dòng)，最大設(shè)計(jì)速度1 m/s，最大拖曳力2000 N，調(diào)整水下遙控機(jī)器人模型的安裝方向來(lái)測(cè)量模型在不同角度上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力。拉線位移傳感器測(cè)量水下遙控機(jī)器人在水下的位移，根據(jù)測(cè)得的位移計(jì)算出水下遙控機(jī)器人模型實(shí)時(shí)速度，以及在合適的距離使卷?yè)P(yáng)機(jī)停止工作，使整個(gè)滑動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速。由聚氨酯制成的緩沖裝置緩沖滑塊及其固定連接結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)產(chǎn)生的撞擊。

1.框架結(jié)構(gòu) 2.直線導(dǎo)軌 3.支撐結(jié)構(gòu) 4.滑塊 5.緩沖裝置 6.卷?yè)P(yáng)機(jī) 7.拉線位移傳感器 8.懸臂 9.連接桿 10.水下遙控機(jī)器人模型 11.力傳感器

旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)可以使水下遙控機(jī)器人模型在水下進(jìn)行低速域的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并測(cè)量在回轉(zhuǎn)過(guò)程中水下遙控機(jī)器人模型受到的水阻力矩。旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)選用SDL7型回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，最大輸出轉(zhuǎn)矩14.6 kN·m。回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與支撐桿固定連接，支撐桿使水下遙控機(jī)器人模型與池底距離2 m，連接桿的上方通過(guò)力矩傳感器與水下遙控機(jī)器人模型1相連，力矩傳感器測(cè)量在進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)水下遙控機(jī)器人模型受到的水阻力矩，傳感器量程大于200 N·m，傳感器精度0.5級(jí)。水下伺服電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)使水下遙控機(jī)器人模型進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，水下伺服電機(jī)選用HKS100型深水專用電機(jī)，額定電壓48 V，額定功率200 W，轉(zhuǎn)速900 r/min，配1∶150減速機(jī)，減速機(jī)后電機(jī)扭矩260 N·m。通過(guò)調(diào)節(jié)模型的安裝方向測(cè)量在不同方向上水下遙控機(jī)器人在進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的水阻力?；剞D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下方通過(guò)連接桿與配重塊相連，配重塊平衡在進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的反作用力矩，使試驗(yàn)臺(tái)保持穩(wěn)定。連接桿的長(zhǎng)度為2 m，令配重塊與地面的摩擦系數(shù)為0.1，單個(gè)配重塊重25 kg。

1.水下遙控機(jī)器人模型 2.力矩傳感器 3.支撐桿 4.回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng) 5.伺服電機(jī) 6.連接桿 7.配重塊

3 結(jié)論

本研究根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了低速域水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)，為以后進(jìn)行低速域水下機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，更好的研究低速域下水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力系數(shù)。在整套水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)加工完成后會(huì)進(jìn)行水下遙控機(jī)器人模型水動(dòng)力的實(shí)際試驗(yàn)，實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果會(huì)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)一步改進(jìn)低速域水下遙控機(jī)器人水動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)。