水下機器人對接裝置液壓系統(tǒng)及控制技術(shù)研究.pdf

1、自主式水下機器人(Autonomous UnderwearVehicle，簡稱AUV)是一種重要的水下作業(yè)裝備，在海洋考察、海底探測、海洋救援等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。但由于AUV體積有限，所攜帶的能源難以維持其長時間、大范圍作業(yè)，需要對AUV進行能源補充。水下對接技術(shù)能夠在AUV靜止或運動狀態(tài)下，通過電纜自主實現(xiàn)AUV與水下空間站之間柔性對接，進而實現(xiàn)充電、數(shù)據(jù)交換等功能。水下對接技術(shù)對于延長AUV作業(yè)時間、擴大AUV作業(yè)范圍具有重

2、要作用。
　　本文歸納分析國內(nèi)外AUV水下對接技術(shù)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合課題需求，確定AUV水下對接裝置的總體方案。相對于其他 AUV水下對接裝置，本文確定的對接裝置方案能夠通過調(diào)平機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)調(diào)整對接裝置對接筒水平位置和導向罩的開口方向，使對接裝置適應海底地形和海流流向，從而提高對接的成功率。在對接裝置總體方案的基礎(chǔ)上，本文重點研究對接裝置的液壓系統(tǒng)及控制技術(shù)。
　　針對傳統(tǒng)油液壓技術(shù)在海中工作因泄漏對海洋環(huán)境造成污染的問題，

3、本文研究無污染的海水液壓技術(shù)，設(shè)計海水液壓系統(tǒng)并根據(jù)對接裝置技術(shù)要求進行海水液壓系統(tǒng)元件選型。由于海水液壓技術(shù)尚存在一定的局限，為尋求海水液壓元件替代品，本文通過實驗研究水介質(zhì)下葉片式氣動馬達和活塞式氣動馬達的性能，結(jié)果水介質(zhì)下氣動馬達的性能并不能滿足課題需求，通過實驗研究本文最終確定了以水—乙二醇液壓液為工作介質(zhì)的液壓系統(tǒng)方案。
　　液壓系統(tǒng)方案確定后，本文對液壓系統(tǒng)進行詳細的設(shè)計，研制一套完整的液壓系統(tǒng)實驗樣機。本文根據(jù)對接裝

4、置技術(shù)要求和執(zhí)行機構(gòu)參數(shù)，對液壓馬達進行選型并自行研制水下用帶位置檢測功能的液壓缸。根據(jù)液壓馬達、液壓缸的參數(shù)，確定液壓泵、電機、壓力補償器等液壓系統(tǒng)動力源。為解決液壓系統(tǒng)密封問題，本文設(shè)計了液壓系統(tǒng)密封艙。在此基礎(chǔ)上，對本文研制的液壓系統(tǒng)實驗樣機進行了陸上系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。
　　針對液壓系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實驗中出現(xiàn)的高壓直流電機與電機控制器不匹配及電感式接近開關(guān)工作不穩(wěn)定的問題，本文通過實驗和理論分析確定故障的原因，采取更換電機和控制器及屏蔽電機

5、電磁干擾的措施解決聯(lián)調(diào)實驗中的問題。
　　本文根據(jù)對接流程，分析控制系統(tǒng)所需的傳感器和執(zhí)行器并進行設(shè)計選型，為實現(xiàn)對傳感器的數(shù)據(jù)采集和對電機、液壓系統(tǒng)的控制，本文設(shè)計控制系統(tǒng)軟硬件，經(jīng)多次實驗驗證控制系統(tǒng)的可行性和可靠性。為解決控制系統(tǒng)密封問題，本文設(shè)計了控制系統(tǒng)電子艙，研制出對接裝置控制系統(tǒng)實驗樣機。
　　為了研究液壓控制系統(tǒng)性能，本文對液壓系統(tǒng)鎖緊回路進行建模仿真，推導鎖緊回路閥控非對稱式液壓缸的數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上得出

6、系統(tǒng)總體的數(shù)學模型并運用Matlab進行仿真，采用PID控制算法提高控制系統(tǒng)性能，并通過對接裝置陸上鎖緊實驗實驗驗證仿真結(jié)果。
　　為驗證對接裝置功能模塊及液壓控制系統(tǒng)的性能指標，本文對其進行單獨測試實驗和陸上聯(lián)調(diào)實驗，解決了實驗過程中的制動機構(gòu)制動力矩不足的問題。為能夠準確從壓力傳感器和流速流向計讀取所需物理量，本文進行了壓力傳感器和流速流向計標定實驗。本文通過實驗測定完成一次對接過程所消耗的能量，為對接裝置水下電源設(shè)計提供參考