用于水下機器人的樞軸推進器的創(chuàng)新推進布局的設計與建模

《用于水下機器人的樞軸推進器的創(chuàng)新推進布局的設計與建?！酚蓵T分享，可在線閱讀，更多相關《用于水下機器人的樞軸推進器的創(chuàng)新推進布局的設計與建模（11頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

用于水下機器人的樞軸推進器的創(chuàng)新推進布局的設計與建模 Benedetto Allotta *。 Marco Pagliai ** Luca Pugi *** 佛羅倫薩大學工業(yè)工程系佛羅倫薩大學意大利（電郵：allotta.benedetto@unifi.it）。 佛羅倫薩大學工業(yè)工程系意大利（電郵：pagliai.marco@gmail.com）。 佛羅倫薩佛羅倫薩大學工業(yè)工程系***意大利（電郵：luca.pugi@unifi.it）。 摘要：水下機器人的自主性，性能和機動性受其推進布局特征的深刻影響。 特別是ROV（遙控潛水器）和AUV（自主潛水器）的機動性和可靠性具有非常嚴格的要求，因此，有必要改進水下航行器的這些特性，特別是如果它們在淺水或潛水危險環(huán)境中。在這項工作中我們引入了可重構(gòu)和冗余推進系統(tǒng)的應用。 關鍵詞：自主水下航行器，快速成型設計，優(yōu)化電機設計，油壓補償執(zhí)行器，推進磁傳動系統(tǒng)。 1.簡介 在這項工作中，將研究基于一系列低成本樞軸推進器的水下機器人的可配置推進布局的可行性，可以輕松地針對操作和任務輪廓進行定制和優(yōu)化，如圖1所示 特別是，為了優(yōu)化成本，產(chǎn)權負擔和維護，假設可以相對于單個和固定的樞轉(zhuǎn)軸線來控制每個推進器的取向。 圖1具有SNAME符號的四個可定向推進器的應用示例。 在諸如Smart E AUV的文獻中可用的現(xiàn)有解決方案中，例如， Meyer等 （2013），例如 Ehlers等人（2014年），三個樞軸推進器用于對AUV的六個自由度進行全面控制。 在提出的研究中，作者想要使用四個樞轉(zhuǎn)執(zhí)行器來控制潛水器運動，以提高傳統(tǒng)AUV的機動性，效率和失效魯棒性。 詳細情況如下： ? 現(xiàn)有技術和基準潛水器的定義和運行情況。 ? 根據(jù)選擇的基準，初步設計執(zhí)行器單元，包括初步測試和簡化模型，用于在性能和效率方面識別原型的主要特征。 ? 開發(fā)整個系統(tǒng)的虛擬模型，旨在調(diào)查擬議方法的潛在特征。 2研究現(xiàn)狀 這項工作是基于作者在混合多角色AUV TIFONE的原型設計中獲得的經(jīng)驗，例如Allotta等人（2001，2012，2015b）和MARTA，例如Allotta等人（2015a），其推進布局是可見的圖2.兩個后推進器用于向前導航，并且一定數(shù)量的隧道推進器用于控制定向或保持潛水器懸停在指定的目標上。考慮到受控獨立執(zhí)行器（6）的數(shù)量眾多，通常采用固定螺距螺旋槳，??以便合理地降低成本，提高整個系統(tǒng)的模塊化和可靠性，這歸功于簡單標準組件數(shù)量的減少，幾乎相同的所有致動軸。 所得到的推進布局使得可以控制五個自由度，這些自由度根據(jù)經(jīng)典的SNAME（海軍建筑師和海洋工程師協(xié)會）的符號被描述，在文獻中被廣泛采用。 Fossen（1994）： ? 浪涌運動：縱向載荷X是由兩個后部螺旋槳傳遞的推力的總和。 ? 搖擺和起伏運動：橫向載荷Y和Z分別是兩個橫向和縱向樞軸推進器的矢量之和。 ? 俯仰和轉(zhuǎn)彎：垂直和橫向推進器分別控制這些旋轉(zhuǎn)。一個顯著的點是Yaw致動。實際上，這種旋轉(zhuǎn)具有冗余的動作，因為也可以使用兩個后部螺旋槳來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)扭矩N. ? 輪轉(zhuǎn)：通常（MARTA上的廣告示例）是不受控制的唯一自由度。通過適當選擇重心位置（可以使用適當?shù)某崞﹣泶_保該D.O.F的穩(wěn)定性。 圖2 MARTA推進系統(tǒng)布局和相應的產(chǎn)權負擔。 許多現(xiàn)有的AUV采用固定間距后推進器和側(cè)向隧道推進器的類似組合，以增加潛水器的可操縱性。可以舉出許多例子，例如C-Scout，例如C-Scout。柯蒂斯等人（2000），Remus，例如Stokey等人（2005），Proteus，例如惠特尼等人（1998），Delphin2，例如Phillips等（2009）和Folaga，例如Alvarez等（2009）。 在這種布局中，不同自由度的驅(qū)動是高度解耦的，使得潛水器的控制變得非常容易。此外，螺旋槳旋轉(zhuǎn)感知的明智選擇可以減少由螺旋槳反作用轉(zhuǎn)矩引起的運動擾動。 顯然，容易的可控性是設計商業(yè)ROV的非常重要的必要條件，其中潛水器必須由操作者操縱，并且具有有限的附加自動化水平。 ROV中經(jīng)常采用的推進布局的一些例子如圖3和表1所示。 圖3 AUV推進系統(tǒng)布局示例。 不幸的是，MARTA采用的推進布局的缺點之一是推進系統(tǒng)對有效載荷的負擔。如圖2所示， MARTA的長度約為4000mm（相對于船體直徑約18倍）。然而，三個推進模塊的總長度超過1.2米。此外，應該注意的是，在任務期間，過度引用的推進布局不能被動態(tài)地重新配置，因此，在使用不確定的運行參數(shù)（如水密度，電流，預期任務簡檔，可用性或可靠性）一個或多個致動器。 表1.商業(yè)ROVS采用的一些典型推進布局的受控和不受控制的自由度。 浪涌 搖擺 起伏 輪轉(zhuǎn) 俯仰 轉(zhuǎn)彎 a)*** C* C* C* C* NC** C* b)*** C* C* C* NC** NC** C* c)*** C* C* C* NC** NC** C* C*=受控 D.O.F.; NC*=*不受控制 D.O.F. 對于這種應用，樞軸推進器的使用應該是一種便宜可靠的解決方案，如一些創(chuàng)新的商業(yè)產(chǎn)品，如意大利海杖，如Faccioli等人（2013），如圖4所示。 此外，樞軸推進器最近被用于研究型潛水器，例如由Lubeck大學開發(fā)的Smart E，其中三個樞軸推進器用于控制球形/碟形AUV的六個自由度，例如。 Meyer等（2013），例如Ehlers等人（2014）。 圖4示例具有樞轉(zhuǎn)推進器的AUV-ROV（Seastick，例如Faccioli等人（2013））。 3.折疊式電腦的設計 表2.伺服電機規(guī)格。 名稱：HS-5646WP 電壓 6.0V / 7.4V 扭矩[N/m] （6.0V / 7.4V）1.11 / 1.26 尺寸[mm x mm x mm] 41.8x21.0x40.0 國際保護守則 IP67 重量[g] 61 每個樞軸推進器，如圖5所示，被設計為由油補償推進器，步進電機，磁性接頭和一些模塊化夾具元件組成的懸臂和獨立單元。這一特殊結(jié)構(gòu)旨在降低成本并提高組件標準化。為確保這一重要特征，作者決定選擇低成本商用伺服電機，其特性如表2所示。 具有變速箱的伺服電機控制推進器相對于船體框架的角位置，能夠限定推進器的角度定向。此外，在這種情況下，作為推進器的伺服電動機是充油的，以確保相對于不同的操作深度的良好的可靠性。伺服電機使用磁耦合與推進器聯(lián)接，以提高系統(tǒng)的抗扭矩過載和水污染的可靠性。 由作者內(nèi)部開發(fā)和鑒定的石油補償推進器與用于推進MARTA的相同。 Allotta等人（2015a）和Feel Hippo AUVs。 最后，已經(jīng)設計了一些附加的模塊化固定裝置，以便容易地調(diào)節(jié)推進器相對于其樞轉(zhuǎn)軸線和相對于船體的相對定向。 圖5提出的樞軸推進器。 圖6 Pivitor推力器，壓力補償系統(tǒng)的細節(jié) 壓力補償系統(tǒng)包括三個簡單的部件：補油系統(tǒng)，兩個補償孔和補償外殼（圖6）。補油系統(tǒng)允許在沒有空氣的情況下用油填充伺服電機外殼，否則補償孔和補償外殼允許將外部水的壓力 轉(zhuǎn)移到油中。該系統(tǒng)允許使用該樞軸推進器甚至高深度。 對于該活動，更有趣的方面與磁耦合的設計有關，更一般地涉及位置控制的電動機的密封殼體的設計，其在圖6中詳細描述。 磁耦合 磁耦合器和齒輪用于涉及低機械損耗，免維護操作和固有過載保護的應用。此外，對于海洋和液壓應用，由磁性接頭保證的間接耦合有助于降低不能直接暴露于被操作流體的電機等部件污染的風險。 如圖7所示，為了將步進電機與推進器聯(lián)接，可以使用徑向和軸向磁性接頭。在這項工作中，在進行初步設計之后，為了減小徑向產(chǎn)生負擔，最好采用軸向解決方案。 圖7磁耦合的類型。 為了適當規(guī)模的聯(lián)合作者，作者首先從E. P. Furlani開發(fā)的理論和經(jīng)驗關系開始，例如Furlani（1997，2001）。 從這些關系中，有人認為，生產(chǎn)能夠滿足設計規(guī)格的聯(lián)軸器的唯一方法是增加極數(shù)。 表3.使用磁鐵的許多特征。 類型 強制力 最大溫度 bHc iHc kOe kA / m kOe kA / m ℃ N48 10.8- 12.5 860- 995 ≥12 ≥955 ≤80 圖8最佳磁體布局的有限元模型。 為了容易地構(gòu)建和降低成本，使用小型商業(yè)磁體的陣列組裝磁耦合（磁體規(guī)格見表3）。因此，近似于理想幾何和條件的Furlani方程式不能完全回復真正的全尺寸原型，因此使用完整的3D FEM（有限元法）模型進一步改進了關節(jié)的設計，在圖中可見8。 圖9用于測試磁耦合的實驗布局。 使用如圖9所示的設備，使用機械接口來應用已知的傳感器測量扭矩，可以驗證和比較具有理論相關性和FEM模型的初步計算與實驗結(jié)果。設計的目標是實現(xiàn)一個小型磁耦合，能夠輸送伺服電機最大轉(zhuǎn)矩的75％，以保護伺服不受過載影響。這些限制導致實現(xiàn)由大量直徑為57mm的大量小型磁體組成的接頭，能夠輸送大約1Nm的扭矩。關節(jié)的完整特征總結(jié)在表4中。 表4.磁鐵耦合規(guī)格。 磁鐵數(shù)量 220 磁鐵直徑[mm] 3 磁鐵高度[mm] 8 外接頭直徑[mm] 57 接頭高度[mm] 26 極數(shù) 44 聯(lián)合氣隙[mm] 2 最大扭矩[Nm] ~1 5.對螺旋槳行為進行初步識別，以進行四次運行。 圖10 MDM實驗池中柱柱推力測量采用的測試臺簡化方案。 Allotta等人（2015a）。 對于整個推進系統(tǒng)的適當設計，必須確定推進器的行為。采用的推進器由標準的Ka 4-70螺旋槳組成，管道采用19-A會聚噴嘴，p / d比為1.4，直徑為90mm。由于以前采用推進器推進MARTA，因此作者知道螺旋槳的初步識別，并推斷了模擬四象限運行的行為，并且提供了一些關于在MDM實驗室（意大利皮斯托）進行的柱錨推力試驗的數(shù)據(jù)，推進器的性能。 在這些測試中，使用如圖10所示的簡單設備執(zhí)行，可以在靜態(tài)/系泊條件下識別螺旋槳的功率消耗，扭矩（Q）和輸送推力（T），例如。 Allotta等人（2015a）。 螺旋槳四象限范圍的研究對于簡單推進器前進運動的研究是相當困難的，因為可能的零值和提前速度（V a）或轉(zhuǎn)速（n）的符號反轉(zhuǎn)導致數(shù)值最常用參數(shù)的描述不一致，如推進系數(shù)（J）和推力和扭矩系數(shù)（KT和KQ），例如Carlton（2007），例如Pivano等人（2009）。由于這個原因，推進器前進是根據(jù)提前角β（根據(jù)（1））定義的，其中提前速度V a相對于在螺旋槳梢半徑的70％計算的螺旋槳切向速度被縮放： (1) 定義β參數(shù)，允許重新定義推力和扭矩系數(shù)。新參數(shù)分別命名為CT（2）和CQ（3），分別定義為推力（T）和扭矩（Q），相對于進口相對速度相關的動能，也稱為螺旋槳的70％尖端半徑： (2) (3) C T和C Q系數(shù)通常以傅里葉級數(shù)（4），（5）來近似。 (4) (5) 對于所選擇的螺旋槳K，從文獻中已知4-70個系數(shù)A k，B k，C k和D k。 Oosterveld。 （1970,1973），并用圖10所述的裝置進行驗證。 特別地，圖11示出了相對于β的修正系數(shù)C T的行為：柱柱推力試驗的結(jié)果對應于β等于0（前向推力）和π（反推力）的值。 圖11C為根據(jù)Oerstveld在19-A噴嘴上導管的Ka 4-70螺旋槳，例如。 Oosterveld（1970）。 6.航行器虛擬模型的開發(fā) 圖12 Simscape模型子模塊示例。 圖13樞轉(zhuǎn)布局方案。 作者在Matlab TM的Simscape環(huán)境中開發(fā)了潛水器的虛擬模型，以測試新潛水器布局，如圖1所示，并將其與MARTA布局進行比較。模型以模塊化的方式組織，并實現(xiàn)了定制庫來計算文獻中定義的關系，如Fossen（1994）。這些庫包括拖曳力和附加質(zhì)量項，其簡單地計算為適當矩陣和相應的位移矢量的導數(shù)之間的向量積，如Fossen（1994）所定義。特別地，牽引力被計算為阻尼矩陣和潛水器的速度矢量之間的乘積;否則加算的加法乘積作為潛水器加載質(zhì)量矩陣與加速度矢量之間的乘積。該過程的結(jié)果在圖12中可見。 MARTA模型和樞軸布局都具有相同的模塊化結(jié)構(gòu)，然而，為了控制潛水器測試性能，作者必須定義一個適當?shù)目刂七壿?。對于這個應用程序，作者選擇了兩個模型的PID控制，該PID控制被調(diào)整以將位置誤差保持在0.2的范圍內(nèi)以滿足期望的位置。樞轉(zhuǎn)布局的PID控制使用矩陣8x6將控制力轉(zhuǎn)換為電動機貢獻，如等式（6）所示： （6） 關系式（6）中的參數(shù)定義在圖13中，c qps1，c qps2，c qps3，c qps4，c qpc1，c qpc2，c qpc3，c qpc4，c qc1，Cqc2，Cqc3，Cqc4是必需的參數(shù)考慮螺旋槳反應轉(zhuǎn)矩的影響。 顯然，一旦獲得了電機動作的八個部件，就需要定義四個電機推力和四個電機定向角度。在這個應用中，作者決定將電動機角度作為每個電動機相應T p e T c之間的比值的正交值，以及作為相應矢量模塊的電動機推力。 T p T c | T。 7.模擬結(jié)果 為了比較兩輛潛水器的機動性，作者必須定義一個合適的參數(shù)，稱為機動性。該參數(shù)被定義為相對于潛水器速度的第三功率歸一化的電動機的總功耗的倒數(shù)。最后，為了在水平面實現(xiàn)潛水器可操縱性的圖形表示，作者決定在極地圖形中表示結(jié)果，其中 將機動性與速度的角度進行比較。 如圖14所示，樞軸布局的機動性相當于原始MARTA布局的機動性是非常好的。這種情況是由于在所提出的配置中更好地使用電動機。事實上，樞軸布局使用每次所有推進器，從而所有電機以低RPM運行。相反，MARTA只能使用兩個推進器來實現(xiàn)單個運動，由此電機必須以更高的RPM運行，以與所提議布局相同的速度推動潛水器。這種情況使電機處于低效率特征的工作范圍內(nèi)。不幸的是，這種改進的運動能力涉及到提高機動性的損失，但這不會過度地懲罰前進的動作。事實上，機動性的降低只有17％左右。實際上，在潛水器兩側(cè)的樞轉(zhuǎn)推進器的存在使得形狀因數(shù)變差，增加了AUV的前部，并增加了表面受到流體動力的影響。如圖14所示，樞轉(zhuǎn)布局的可操作性為0.0014 m 3 / s 3 W，而MARTA的可操作性為0.0017 m 3 / s 3 W.然而，可以調(diào)整此行為并減少損失，因為前部它與?1，?2，?3，?4個角度有關（圖13）。相比之下，在圖14中可見，所有這些角度都等于45，所以如果你降低它們的值，則前進的機動性增加，隨后移動能力降低。相反，如果角度值減小，則具有相反的作用。有趣的是，可以利用這種行為來適當?shù)卣{(diào)整潛水器的操作條件。 圖14提出的潛水器布局的機動性和MARTA的機動性之間的比較。 另一個有趣的事情是垂直方向的運動之間的比較。事實上，如果潛水器下降，兩個布局的可操作性是相當?shù)?，但是如果潛水器上升，則提出的解決方案潛水器的機動性比MARTA好約36倍。這種情況可能是由于提出的解決方案布局的穩(wěn)定性和操作能力更好。 8.結(jié)論 所提出的解決方案在傳統(tǒng)的AUV電動機布局方面表現(xiàn)出更好的可操縱性和懸停運動的性能。這種改進顯著，并且涉及在導航期間降低功耗，允許增加任務的長度。此外，所提出的解決方案使得潛水器更加容忍故障。事實上，為了完全控制潛水器的六個自由度，只需要三個樞軸推進器，如Smart E AUV，例如。 Meyer等（2013），例如Ehlers等人（2014）。否則，所提出的電機布局提供了四個樞軸推進器的使用。 參考文獻 Allotta，B，Pugi，L，Costanzi，R，et al。 （2011）INS，DVL和量程測量的三個AUV車隊的本地化算法，第十五屆國際先進機器人會議論文集，塔林，第631-636頁。紐約：IEEE。 Allotta，B.，Costanzi，R.，Monni，N.，Pugi，L.，Ridolfi，A.，Vettori，G。（2012），Design and simulation of a autonomous underwater vehicle，ECCOMAS 2012-歐洲計算方法大會在應用科學與工程，電子書全文，pp。 3656-3673。 Allotta，B.，Costanzi，R.，Gelli，J .. Pugi，L.，Ridolfi，A。，（2015a）Design of a Modular Propulsion System for MARTA，Proceedings of OCEANS15 MTS / IEEE IEEE，ISBN：978 1-4799-8736-8，熱那亞，意大利。 Allotta，B.，Pugi，L.，Bartolini，F(xiàn).，Ridolfi，A.，Costanzi，R.，Monni，N.，Jelli，J。（2015b），Preliminary design and fast prototyping of an Autonomous Underwater Vehicle propulsion system ，機械工程師學會會議錄，第M部分：Marit工程學報。 Alvarez，A.，Caffaz，A.，Caiti，A.，Casalino，G.，Gualdesi，L.，Turetta，A.，Viviani，R.，（2009），F(xiàn)olaga：A low-cost autonomous underwater vehicle combination glider和AUV能力，海洋工程36，pagg 24-38。 卡爾頓J，（2007），海洋螺旋槳和推進。第二輯埃爾塞維爾 Curtis，TL，Perrault，D，Williams，C，et al。 （2000）C-SCOUT：用于系統(tǒng)研究的通用AUV。 2000年國際水下技術研討會論文集（UT 00），日本東京，第73-77頁。紐約：IEEE。 Ehlers，K.，Meyer，B.，Maehle，E.，（2014年）全向AUV SMART-E全面控制，ISR 2014聯(lián)合會議論文集 - 第45屆國際機器人與機器人研討會2014年第8期German Conference on Robotics，ISR / ROBOTIK 2014，pp。299-304。 Faccioli，A.，（2013），SeaStick AUV confunzionalitROV，意大利奧里斯塔諾的運營海洋學，創(chuàng)新技術和應用程序。 Furlani，E.P。，（1997），A two-dimensional analysis for the coupling of magnetic gears。 IEEE Transactions on Magnetics 33.3 2317-2321。 Furlani，E P，（2001）永磁和機電裝置：材料，分析和 應用程序。學術出版社。 Fossen，T.I。（1994）。引導和控制海洋潛水器，Wiley，ISBN 0-471-94113-1。 Meyer，B.，Ehlers，K.，Osterloh，C.，Maehle1，E.，（2013）Smart-E An Autonomous Omnidirectional Underwater Robot，Paladyn，Journal of Behavioral Robotics。第4卷，第4期，第204-210頁，ISSN（打?。?081-4836，DOI：10.2478 / pjbr-2013-0015。 Phillips，A B，Steenson，L.，Harris，C.，Rogers，E.，Turnock，S。 R.，F(xiàn)urlong，M。（2009），Delphin2：An over actuinated autonomous underwater vehicle for maneuvering research，Trans RINA，Vol 151，Part A1，Intl J Maritime Eng。 Pivano，L，Johansen，TA和Smogeli，N，（2009），“用于海洋螺旋槳的四象限推力估計方案：理論與實驗”。 IEEE T Contr Syst T 2009; 17（1）：215-226。 Oosterveld，MWC，（1970），Wake adapt ducted propellers.Wageningen，Netherlands Ship Model Basin，NSMBPublication No.345。 Oosterveld，MWC，（1973），管道螺旋槳特性.RINA倫敦螺旋槳管道研討會。 Stokey，RP，Roup，A，von Alt C，et al。 （2005），Development of the REMUS 600 autonomous underwater vehicle，Proceedings of MTS / IEEE OCEANS，2005，Washington，DC，vol。 2，pp.1301-1304。紐約，IEEE。 Whitney，J.W。和S.M.Smith，（1998）Observations on the dynamic performance of tunnel thrusters，OCEANS98 Conference Proceedings，Vol。 2，IEEE。