水下機器人對接裝置液壓系統(tǒng)及控制技術研究.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。
　　本文歸納分析國內外AUV水下對接技術的研究現(xiàn)狀，結合課題需求，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平機構和回轉機構調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上，本文重點研究對接裝置的液壓系統(tǒng)及控制技術。
　　針對傳統(tǒng)油液壓技術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，設計海水液壓系統(tǒng)并根據(jù)對接裝置技術要求進行海水液壓系統(tǒng)元件選型。由于海水液壓技術尚存在一定的局限，為尋求海水液壓元件替代品，本文通過實驗研究水介質下葉片式氣動馬達和活塞式氣動馬達的性能，結果水介質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、置技術要求和執(zhí)行機構參數(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，本文設計了液壓系統(tǒng)密封艙。在此基礎上，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。
　　針對液壓系統(tǒng)聯(lián)調實驗中出現(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)調實驗，解決了實驗過程中的制動機構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計提供參考