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我国深海自主水下机器人的研究现状一、本文概述随着科技的飞速发展，深海探索已成为人类认识地球、拓展生存空间、开发资源的重要领域。
深海自主水下机器人（AUV）作为深海探索的核心装备，其技术水平直接决定了我国在深海资源开发、深海科学研究、海洋环境监测等领域的竞争力。
本文旨在全面梳理我国深海自主水下机器人的研究现状，分析存在的问题和挑战，并展望未来的发展趋势，以期为推动我国深海自主水下机器人技术的进一步发展提供参考和借鉴。
本文将首先回顾深海自主水下机器人的发展历程，阐述其在我国海洋战略中的重要地位。
接着，将从设计制造、导航定位、智能感知与控制等方面，详细介绍我国深海自主水下机器人的技术现状，以及在国际上的地位和影响力。
在此基础上，本文将深入探讨我国在深海自主水下机器人技术研究中面临的主要问题和挑战，包括核心技术瓶颈、关键部件依赖进口、研发周期长、经费投入不足等。
本文将对未来深海自主水下机器人技术的发展趋势进行展望，提出针对性的建议，以期为我国深海自主水下机器人技术的持续创新和发展提供有益的参考。
二、深海自主水下机器人技术概述深海自主水下机器人（AUV，Autonomous Underwater Vehicle）是海洋工程技术与机器人技术相结合的产物，具有高度的自主性，能够在无人操控的情况下，独立完成复杂的海洋环境探测、海底地形测绘、海洋资源勘探等任务。
我国深海自主水下机器人的研究，经过多年的积累和发展，已经取得了一系列显著的成果。
在硬件设计方面，我国的深海AUV已经具备了较高的耐压性、稳定性和续航能力。
许多型号的AUV采用了先进的复合材料和轻量化设计，有效减轻了机体的重量，提高了其在深海环境中的机动性和灵活性。
同时，AUV的推进系统也经过了优化设计，能够在各种复杂的海洋环境中稳定运行，保证了探测任务的顺利完成。
在软件与控制系统方面，我国的深海AUV已经实现了较高的智能化水平。
通过搭载先进的导航、定位和控制系统，AUV能够自主完成路径规划、避障、目标跟踪等任务。
海洋水下滑翔机的设计与控制随着人们对海洋深处的探索逐渐深入，传统的潜水器已经无法满足人们的需要。
海洋水下滑翔机（AUV）应运而生，它是一种可以在水下进行自主航行的无人机器人。
它的设计和控制十分重要，本文将对其进行详细探讨。
一、海洋水下滑翔机的设计1. 常用设计海洋水下滑翔机是由多个部件组成的，包括浮力球、滑翔机身、机头、机尾、尾翼和螺旋桨等。
其中浮力球起到平衡的作用，滑翔机身则保证机器人的稳定性和描绘测量区域的能力；机头和机尾分别用于航向控制和稳定控制；尾翼和螺旋桨用于实现机器人的姿态控制和推进。
根据滑翔机的工作原理，海洋水下滑翔机设计主要有两种类型。
一种是推进式，另一种是滑翔式。
（1）推进式推进式滑翔机是通过螺旋桨推进的，可以在水下进行自主航行。
它的优点是马力大，可以更快地行进。
但不足之处是运动的惯性比较大，需要更多的功率才能控制。
（2）滑翔式滑翔式滑翔机可以利用水流进行滑行，自身的浮力和水流的作用力可以保持平衡状态。
它的优点在于节约能量和简单的设计。
但是，这种滑翔机不能像推进式滑翔机那样轻易地控制。
2. 关键元件关键元件包括电机、电子控制系统、氧气发生器、水流计和声纳。
这些部件是控制滑翔机实施海域观测时所需的。
其中氧气发生器是非常重要的，因为海水的氧气含量很低，如果没有这个设备，机器人可能会因为氧气不足而无法工作。
水流计和声纳则用于避免水流的影响，以保证机体的稳定性。
二、海洋水下滑翔机的控制1. 定位和导航系统定位和导航系统是控制滑翔机的关键。
由于滑翔机是实现自主水下航行的无人机器人，因此定位和导航系统必须具备高精度的特性。
目前，在海洋水下滑翔机设计中，主要采用四种方式实现定位和导航系统：GPS、北斗卫星导航、声纳和惯性导航系统。
海洋水下滑翔机需要实现自主航行和定点测量，因此在这几个方面具有同等重要的作用。
同时，正常的GPS天线作用于海水中的电磁波过于微弱，可能会失去定位功能，因此需要结合使用其他导航系统以保证精度。
基于拍动推进方式的新型水下滑翔机运动特性研究水下滑翔机是一种新型的水下探测工具，它通过利用水的密度差异，利用拍动推进方式实现在水下的滑行。
由于其具有高效、低噪音、灵活性强等特点，受到了广泛的关注和研究。
本文将从水下滑翔机的运动特性出发，探讨其在水下的运动规律以及对环境的影响。
首先，水下滑翔机的运动主要依靠拍动推进方式，即通过机器人自身的运动来产生推进力，实现在水下的滑行。
相比传统的推进方式，如螺旋桨或喷水推进，拍动推进方式具有更高的效率和灵活性，可以更好地适应复杂的水下环境。
同时，由于拍动推进方式产生的噪音较小，对海洋生物影响较小，因此在水下滑翔机的设计和应用中得到了广泛的应用。
其次，水下滑翔机的运动特性受到多种因素的影响，包括机体的形状、拍动频率和幅度、水下环境的流场等。
在水下滑翔机的设计中，需要考虑这些因素的影响，优化机器人的运动方式，以实现更高效的水下滑行。
同时，水下滑翔机的运动特性还受到水下环境的影响，包括水温、盐度、流速等因素，这些因素对水下滑翔机的性能和稳定性有着重要的影响。
另外，水下滑翔机在水下的运动规律也需要进行深入研究。
水下滑翔机的运动受到水的阻力和浮力的影响，在设计水下滑翔机的运动方式时，需要考虑这些因素的影响，优化机器人的运动轨迹，以实现更高效的水下探测。
同时，水下滑翔机的运动规律也受到机体形状和材料的影响，需要通过数值模拟和实验研究来揭示水下滑翔机的运动规律和优化控制方法。
最后，水下滑翔机在水下的运动特性对海洋环境的影响也需要进行研究。
水下滑翔机在水下滑行时会产生水流和噪音，并可能对海洋生物和水下生态系统产生影响。
因此，在水下滑翔机的设计和应用中，需要考虑其对海洋环境的影响，采取有效的措施减少其对海洋生态系统的影响。
综上所述，水下滑翔机作为一种新型的水下探测工具，具有独特的运动特性和优势。
通过深入研究水下滑翔机的运动规律和特性，可以更好地设计和应用水下滑翔机，实现更高效的水下探测和研究。
第43卷第10期2009年10月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )Vol.43No.10Oct.2009收稿日期:2008207226.浙江大学学报(工学版)网址:/eng基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(40637037);国家自然科学基金资助项目(50675198).作者简介:赵伟(1978-),男,内蒙古赤峰人,博士生,从事海洋环境监测设备的研究.E 2mail :gotozw @通信联系人:杨灿军,男,教授.E 2mail :ycj @DOI :10.3785/j.issn.10082973X.2009.10.005水下滑翔机浮力调节系统设计及动态性能研究赵 伟,杨灿军,陈 鹰(浙江大学流体传动及控制国家重点实验室,浙江杭州310027)摘 要:通过动力学分析,确定水下滑翔机的体积变化范围达到±200mL 就可以保持滑翔运动.比较水下滑翔机经常采用的两类改变体积的方法,选用液压方式的浮力调节系统为水下滑翔机提供动力.浮力调节系统由外部油囊、内部油缸、双向泵、单向阀和电磁开关阀组成,采用AM ESim 软件的仿真分析结果表明,浮力调节系统工作时间稳定、排量变化均匀.实验结果表明,水下滑翔机的体积变化可以准确测量,集成于内部油缸的传感器使体积变化的分辨率达到0176mL ,在012～115MPa 的环境压力下,浮力调节系统的排油和回油时间稳定在80s 左右,其工作性能符合水下滑翔机运动需求.关键词:海洋环境监测;水下滑翔机;浮力调节中图分类号:X834 文献标志码:A 文章编号:10082973X (2009)1021772205Design and dynamic perform ance study of buoyancy regulatingsystem of autonomous underw ater gliderZHAO Wei ,YAN G Can 2jun ,C H EN Y ing(S tate Key L aboratory of Fl ui d Power T ransmission and Cont rol ,Zhej i ang Universit y ,H angz hou 310027,China )Abstract :Dynamic analysis shows t hat an autonomo us underwater glider can keep gliding as long as t he range of volume changes up to ±200mL.There are two kinds of met hods to change t he volume of t he autonomous underwater glider.The autonomous underwater glider is driven by an elect ro 2hydraulic buoy 2ancy regulating system ,which consisting of outer bladder ,inner tank ,two 2way p ump ,one 2way valve and electromagnetic switch valve.Simulation wit h t he AM ESim software indicated t hat t he working time and t he volume change rate of t he buoyancy regulating system were kept well.The volume change of t he autonomous underwater glider was measured accurately by t he sensors built in t he inner tank ,and it s reso 2lution was 0176mL.The working time while oil drain and oil absorption approximates to 80s under the pressure from 012MPa to 115MPa.The dynamic performance of the buoyancy regulating system meets the demands of autonomous underwater glider.K ey w ords :ocean environment monitoring ;autonomous underwater glider ;buoyancy regulating 水下滑翔机是一种能够实现大范围、大深度运动的海洋环境监测平台.它由自身携带的电池供电,通过改变载体在海水中的净浮力来提供上升和下潜的驱动力;通过改变重心位置调整姿态(俯仰角、横滚角),配合低阻力外壳和侧翼的作用,可以在水中连续做锯齿形曲线运动.与其他水下机器人相比,水下滑翔机的能源利用率高,具有作业时间长、航行距离长、投放与回收简便等优点[126].本文针对水下滑翔机的运动需求,提出了一种新型的浮力调节系统方案,通过对该系统的仿真和实验研究,成功研制了水下滑翔机的浮力调节系统,为水下滑翔机的成功开发奠定了坚实基础.1 水下滑翔机定常运动动力学分析由于受到剖面探测任务和低功耗指标的约束,在水下滑翔机的一个运动周期中,只有锯齿形滑翔轨迹的顶部和底部进行浮力和姿态的调节,而在其余绝大多数时间里做定常下潜(上浮)滑翔运动.水下滑翔机在水中所受到的合外力F 可用下式表示:F =F F +B +G.(1)式中:F F 为作用在水下滑翔机上的水动力,包含升力L 、阻力D ;B 为水下滑翔机的浮力;G 为水下滑翔机的重力.水下滑翔机在水中所受到的合外力矩可用下式表示:M =M F +M B +M G .(2)式中:M F 、M B 和M G 分别为水动力、浮力和重力产生的力矩.如图1所示,为使水下滑翔机做定常下潜运动,重心(GC )必须位于浮心(BC )下方5mm 以保证稳定性,箭头标示了运动速度v 、俯仰角θ、攻角α,图中把水动力等效为作用点在浮心的升力L 和阻力D ,以及浮心力矩M F [728].当水下滑翔机定常下潜(上浮)时,在运动剖面内受力平衡,重力、浮力与水动力对浮心力矩平衡.在定常滑翔运动状态下,滑翔速度图1 水下滑翔机下潜运动受力图Fig.1 Force diagram of autonomous underwater gliderwhile submergence随净浮力单调增大,而攻角、俯仰角等参数受净浮力影响很小[9211].水下滑翔机重52kg ,设定定常下潜(上浮)速度为0125m/s.为了给载体的下潜(上浮)提供足够的动力,须考虑载体运动的可控性,要求浮力调节系统在100s 内能产生绝对值为400mL 的体积变化,从而产生约为2N (-2N )的净浮力变化.2 浮力调节系统设计浮力调节系统不仅为水下滑翔机的下潜(上浮)提供动力,同时也是深度控制的内层环节,如图2.为了达到快速、准确的浮力调节,需要测量净浮力值作为反馈量,与浮力控制器和浮力调节系统组成闭环[12213].水下滑翔机的浮力调节系统本质上是通过改变外部油囊的体积来改变净浮力.目前,水下滑翔机有两类改变体积的办法:一类是利用液压泵来改变外部油囊体积的液压方法[324];另一类是通过相变材料的热胀冷缩来改变外部油囊体积的热机方法[5,14],例如slocum t hermal glider.热机方法可以直接从环境中获得实现自身沉浮所需要的能量,极大地减少了自身能量的消耗,但是,它受不同海域主跃温层深度的限制.液压方法也有多种形式,有单冲程柱塞泵方式(slocum electric glider )和往复式活塞泵方式(seaglider 、spray glider ).本文所提出的浮力调节系统原理图如图3所示,该系统是一个密闭式的电液系统,由直流电机、双向泵、单向阀、电磁开关阀、内部油缸和外部油囊组成.内部油缸被密封在耐压舱内,外部油囊裸露在外部海水中.将内部油缸的油输送到外部油囊(如图3中实线箭头所示油路),则外部油囊膨胀变大,水下滑翔机在质量不变的情况下受到正浮力,载体将上浮.虚线箭头指示的是产生负浮力的油路,与产生正浮力的过程相反.单向阀与开关阀组合作用,为向外排油、向内回油提供油路.当停止调节浮力时,单向阀和关闭的电磁开关阀起到长时间保压的作用,此时关闭浮力调节系统的电源,达到节能的目的.图2 深度、浮力控制框图Fig.2 Deep and buoyancy control block diagram3771第10期赵伟,等:水下滑翔机浮力调节系统设计及动态性能研究图3 浮力调节系统液压回路Fig.3 Hydraulic circuit of buoyancy regulating system 如图4所示,设计了适合放置在耐压舱内的内部油缸.内部油缸主要由外壳、滚动膜片、上端盖与滚动膜片围成的可变油腔、油路接口以及线型位移传感器组成.油缸整体为圆柱形,外径与耐压舱内径接近,便于节省耐压舱内的空间.滚动膜片由橡胶材料制作,它的底部与硬质衬底做成一体,随着油的吸入(排出),膜片底部做远离(接近)油路接口的平行移动,改变可变油腔的容积.在膜片底部连有两个线性位移传感器的拉线引出端,这种对称的结构使膜片底部受力平衡,同时提高了所输出位移信号的准确性.膜片底部在轴线方向上的平行移动,直接反映在线性位移传感器的输出上,根据该信号可以准确的推算出净浮力的值.图5是水下滑翔机的照片,可以看到浮力调节流控系统位于滑翔机的尾部,与单冲程柱塞泵方式相比,笔者所设计的浮力调节系统结构紧凑,节省了耐压腔内的空间[324,9].内部油腔的有效体积变化范围是0～700mL ,考虑到水下滑翔机耐压腔的尺寸限制,选择滚动膜片的可测量行程为120mm ,内部直径为9414mm.根据电路设计,拉线式线型位移传感器在该可测量行程内的输出电压信号为500～1420mV ,测量电路的精度为1mV ,内部油腔体积测量分辨率可由下式表示:R V =V S =700mL920mV≈0.76L/V .(3)式中:R V 是内部油腔的体积测量分辨率,V 是内部油腔的体积,S 是传感器的输出信号.线性位移传感器是高精度的传感器件,配合高精度的数据采集电路,可以达到低于1mL 的油腔体积测量分辨率,完全满足滑翔机的控制需求.滚动膜片具有一定的变形量,但是在硬质衬底的约束下,滚动膜片在有效行程内,行程与体积变化能够保持良好的线性关系.3 系统仿真利用AM ESim 软件中的专用液压仿真模块对浮力调节系统进行建模仿真,仿真模型如图6所示.双向泵的排量为015mL/r ,电机额定转速为3300图6 浮力调节系统仿真框图(AMESim 软件)Fig.6 Simulation diagram of buoyancy regulating system(AM ESim software )r/min ,供电电压为24V.在齿轮泵和油箱之间加入一个阻尼模拟内部油缸的作用效果,使用一个单杆液压缸来代替外部油囊,并在活塞杆处加上一个作用力来模拟外部环境对油囊的作用力.液压缸入口处放置了一个流量测量模块,该模块的输出反映了外部油囊的体积变化,并作为齿轮泵和电磁开关阀控制算法的输入.设定排量变化范围在0～400mL ,油囊排油时所受环境压力为1MPa (100m 水深),排油(回油)到达临界点后,转为回油(排油)操作.仿真结果如图7所示,在浮力调节过程中,响应时间稳定,排量变化均匀.4771浙 江 大 学 学 报(工学版) 第43卷 图7 连续调节浮力时外部油囊体积变化的仿真曲线Fig.7 Simulation curve of volume change of outer bladderwhile continuously buoyancy regulating4 浮力调节实验浮力调节系统实验过程为:首先测量内部油缸线性位移传感器输出值与体积变化之间的线性关系,保证线性位移传感器的输出值能够准确地反映浮力变化;然后验证系统仿真结果,观察浮力调节系统常压下的工作稳定性;最后给外部油囊施加给定范围的外界环境压力,得出排油响应曲线,研究在不同深度下,浮力调节系统的工作性能.实验过程中,线性位移传感器输出信号的采集和液压元件的驱动由本实验室开发的水下滑翔机控制器和上位机软件配合完成.图8 传感器L1的输出信号与体积变化的关系曲线Fig.8 Relationship between output signal of sensor L 1and volume change用一个精度为1mL 的量筒来代替外部油囊,量筒的读数反映内部油缸的油量变化.图8、9中所示的曲线是内部油缸滚动膜片底部连接的两个线性位移传感器随油量变化的输出值.从图中可看出,连续排油(回油)3次,系统有轻微的滞环.数据分析表明,线性位移传感器的输出与体积变化的线性关系很好(约为1131V/L ).由弹性膜片变形造成的测量误差主要分布于零浮力点(<5mL ),而在±200mL 两个工作点附近,达到了2mL 的测量精度.由于器件的差异和装配的原因,线性位移传感器L 1的输出总是图9 传感器L 2的输出信号与体积变化的关系曲线Fig.9 Relationship between output signal of sensor L 2andvolume change比L 2的输出高出40mV 左右,两者的趋势一致.在常压下,采用连续调节浮力的方式来验证系统的仿真结果,线性位移传感器的输出和时间由控制器自动记录.连续排油(回油)3次,在每个排油和回油的转换处,停止约30s ,观察浮力保持的效果.从图10可以看出,排油和回油的时间基本保持在80s 左右,泵和阀关闭后,系统能够保持浮力.把外部油囊放置在压力舱中,调节压力舱中的压力,并控制排油,模拟水下滑翔机水下调节浮力时的工作情况[15].图11显示系统在不同外界环境压力(深度)下的排油响应曲线,在012M Pa (20m 水深)到115M Pa (150m 水深)压力范围内,排油时间稳定在80s 左右,表明浮力调节系统在该深度范围内能够保持稳定的工作性能.回油在水面附近进行,不需要克服外界环境压力.图10 连续调节浮力时L 1与L 2的输出曲线Fig.10 Curve of output of L 1and L 2while continuouslybuoyancy regulating5 结 语本文通过对滑翔机典型运动的分析,提出了一种新型的浮力调节系统方案.开发的浮力调节系统,具有结构紧凑、简单可靠的特点,可测量体积变化的内部油腔,保证了准确的浮力控制.实验证明,浮力5771第10期赵伟,等:水下滑翔机浮力调节系统设计及动态性能研究图11 在系列压力下排油时L1与L2的输出曲线Fig.11 Curve of output of L1and L2while draining oil under a series of pressure调节系统在设定压力范围内工作正常,为水下滑翔机提供了可靠的动力.参考文献(R eferences):[1]RUDNICK D L,DAV IS R E,ERIKSEN C C,et al.Underwater gliders for ocean research[J].Marine T ech2 nology Society Journal,2004,38(1):48259.[2]BACHMA YER R,L EONARD N E,GRAV ER J,et al.Underwater gliders:recent developments and f uture ap2 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