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用于水下機(jī)器人的樞軸推進(jìn)器的創(chuàng)新推進(jìn)布局的設(shè)計(jì)與建模 Benedetto Allotta *。 Marco Pagliai ** Luca Pugi *** 佛羅倫薩大學(xué)工業(yè)工程系佛羅倫薩大學(xué)意大利（電郵：allotta.benedetto@unifi.it）。 佛羅倫薩大學(xué)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(xué)工業(yè)工程系***意大利（電郵：luca.pugi@unifi.it）。 摘要：水下機(jī)器人的自主性，性能和機(jī)動(dòng)性受其推進(jìn)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(jī)動(dòng)性和可靠性具有非常嚴(yán)格的要求，因此，有必要改進(jìn)水下航行器的這些特性，特別是如果它們?cè)跍\水或潛水危險(xiǎn)環(huán)境中。在這項(xiàng)工作中我們引入了可重構(gòu)和冗余推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：自主水下航行器，快速成型設(shè)計(jì)，優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，油壓補(bǔ)償執(zhí)行器，推進(jìn)磁傳動(dòng)系統(tǒng)。 1.簡(jiǎn)介 在這項(xiàng)工作中，將研究基于一系列低成本樞軸推進(jìn)器的水下機(jī)器人的可配置推進(jìn)布局的可行性，可以輕松地針對(duì)操作和任務(wù)輪廓進(jìn)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(quán)負(fù)擔(dān)和維護(hù)，假設(shè)可以相對(duì)于單個(gè)和固定的樞轉(zhuǎn)軸線來控制每個(gè)推進(jìn)器的取向。 圖1具有SNAME符號(hào)的四個(gè)可定向推進(jìn)器的應(yīng)用示例。 在諸如Smart E AUV的文獻(xiàn)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(gè)樞軸推進(jìn)器用于對(duì)AUV的六個(gè)自由度進(jìn)行全面控制。 在提出的研究中，作者想要使用四個(gè)樞轉(zhuǎn)執(zhí)行器來控制潛水器運(yùn)動(dòng)，以提高傳統(tǒng)AUV的機(jī)動(dòng)性，效率和失效魯棒性。 詳細(xì)情況如下： ? 現(xiàn)有技術(shù)和基準(zhǔn)潛水器的定義和運(yùn)行情況。 ? 根據(jù)選擇的基準(zhǔn)，初步設(shè)計(jì)執(zhí)行器單元，包括初步測(cè)試和簡(jiǎn)化模型，用于在性能和效率方面識(shí)別原型的主要特征。 ? 開發(fā)整個(gè)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(xiàng)工作是基于作者在混合多角色AUV TIFONE的原型設(shè)計(jì)中獲得的經(jīng)驗(yàn)，例如Allotta等人（2001，2012，2015b）和MARTA，例如Allotta等人（2015a），其推進(jìn)布局是可見的圖2.兩個(gè)后推進(jìn)器用于向前導(dǎo)航，并且一定數(shù)量的隧道推進(jìn)器用于控制定向或保持潛水器懸停在指定的目標(biāo)上?？紤]到受控獨(dú)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(gè)系統(tǒng)的模塊化和可靠性，這歸功于簡(jiǎn)單標(biāo)準(zhǔn)組件數(shù)量的減少，幾乎相同的所有致動(dòng)軸。 所得到的推進(jìn)布局使得可以控制五個(gè)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(huì)）的符號(hào)被描述，在文獻(xiàn)中被廣泛采用。 Fossen（1994）： ? 浪涌運(yùn)動(dòng)：縱向載荷X是由兩個(gè)后部螺旋槳傳遞的推力的總和。 ? 搖擺和起伏運(yùn)動(dòng)：橫向載荷Y和Z分別是兩個(gè)橫向和縱向樞軸推進(jìn)器的矢量之和。 ? 俯仰和轉(zhuǎn)彎：垂直和橫向推進(jìn)器分別控制這些旋轉(zhuǎn)。一個(gè)顯著的點(diǎn)是Yaw致動(dòng)。實(shí)際上，這種旋轉(zhuǎn)具有冗余的動(dòng)作，因?yàn)橐部梢允褂脙蓚€(gè)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(dāng)選擇重心位置（可以使用適當(dāng)?shù)某崞﹣泶_保該D.O.F的穩(wěn)定性。 圖2 MARTA推進(jìn)系統(tǒng)布局和相應(yīng)的產(chǎn)權(quán)負(fù)擔(dān)。 許多現(xiàn)有的AUV采用固定間距后推進(jìn)器和側(cè)向隧道推進(jìn)器的類似組合，以增加潛水器的可操縱性?？梢耘e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(dòng)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(yùn)動(dòng)擾動(dòng)。 顯然，容易的可控性是設(shè)計(jì)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(dòng)化水平。 ROV中經(jīng)常采用的推進(jìn)布局的一些例子如圖3和表1所示。 圖3 AUV推進(jìn)系統(tǒng)布局示例。 不幸的是，MARTA采用的推進(jìn)布局的缺點(diǎn)之一是推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)有效載荷的負(fù)擔(dān)。如圖2所示， MARTA的長(zhǎng)度約為4000mm（相對(duì)于船體直徑約18倍）。然而，三個(gè)推進(jìn)模塊的總長(zhǎng)度超過1.2米。此外，應(yīng)該注意的是，在任務(wù)期間，過度引用的推進(jìn)布局不能被動(dòng)態(tài)地重新配置，因此，在使用不確定的運(yùn)行參數(shù)（如水密度，電流，預(yù)期任務(wù)簡(jiǎn)檔，可用性或可靠性）一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器。 表1.商業(yè)ROVS采用的一些典型推進(jìn)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(duì)于這種應(yīng)用，樞軸推進(jìn)器的使用應(yīng)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(jìn)器最近被用于研究型潛水器，例如由Lubeck大學(xué)開發(fā)的Smart E，其中三個(gè)樞軸推進(jìn)器用于控制球形/碟形AUV的六個(gè)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(jìn)器的AUV-ROV（Seastick，例如Faccioli等人（2013））。 3.折疊式電腦的設(shè)計(jì) 表2.伺服電機(jī)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(guó)際保護(hù)守則 IP67 重量[g] 61 每個(gè)樞軸推進(jìn)器，如圖5所示，被設(shè)計(jì)為由油補(bǔ)償推進(jìn)器，步進(jìn)電機(jī)，磁性接頭和一些模塊化夾具元件組成的懸臂和獨(dú)立單元。這一特殊結(jié)構(gòu)旨在降低成本并提高組件標(biāo)準(zhǔn)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(jī)，其特性如表2所示。 具有變速箱的伺服電機(jī)控制推進(jìn)器相對(duì)于船體框架的角位置，能夠限定推進(jìn)器的角度定向。此外，在這種情況下，作為推進(jìn)器的伺服電動(dòng)機(jī)是充油的，以確保相對(duì)于不同的操作深度的良好的可靠性。伺服電機(jī)使用磁耦合與推進(jìn)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(bǔ)償推進(jìn)器與用于推進(jìn)MARTA的相同。 Allotta等人（2015a）和Feel Hippo AUVs。 最后，已經(jīng)設(shè)計(jì)了一些附加的模塊化固定裝置，以便容易地調(diào)節(jié)推進(jìn)器相對(duì)于其樞轉(zhuǎn)軸線和相對(duì)于船體的相對(duì)定向。 圖5提出的樞軸推進(jìn)器。 圖6 Pivitor推力器，壓力補(bǔ)償系統(tǒng)的細(xì)節(jié) 壓力補(bǔ)償系統(tǒng)包括三個(gè)簡(jiǎn)單的部件：補(bǔ)油系統(tǒng)，兩個(gè)補(bǔ)償孔和補(bǔ)償外殼（圖6）。補(bǔ)油系統(tǒng)允許在沒有空氣的情況下用油填充伺服電機(jī)外殼，否則補(bǔ)償孔和補(bǔ)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(jìn)器甚至高深度。 對(duì)于該活動(dòng)，更有趣的方面與磁耦合的設(shè)計(jì)有關(guān)，更一般地涉及位置控制的電動(dòng)機(jī)的密封殼體的設(shè)計(jì)，其在圖6中詳細(xì)描述。 磁耦合 磁耦合器和齒輪用于涉及低機(jī)械損耗，免維護(hù)操作和固有過載保護(hù)的應(yīng)用。此外，對(duì)于海洋和液壓應(yīng)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(jī)等部件污染的風(fēng)險(xiǎn)。 如圖7所示，為了將步進(jìn)電機(jī)與推進(jìn)器聯(lián)接，可以使用徑向和軸向磁性接頭。在這項(xiàng)工作中，在進(jìn)行初步設(shè)計(jì)之后，為了減小徑向產(chǎn)生負(fù)擔(dān)，最好采用軸向解決方案。 圖7磁耦合的類型。 為了適當(dāng)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(yàn)關(guān)系開始，例如Furlani（1997，2001）。 從這些關(guān)系中，有人認(rèn)為，生產(chǎn)能夠滿足設(shè)計(jì)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(qiáng)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(fù)真正的全尺寸原型，因此使用完整的3D FEM（有限元法）模型進(jìn)一步改進(jìn)了關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)，在圖中可見8。 圖9用于測(cè)試磁耦合的實(shí)驗(yàn)布局。 使用如圖9所示的設(shè)備，使用機(jī)械接口來應(yīng)用已知的傳感器測(cè)量扭矩，可以驗(yàn)證和比較具有理論相關(guān)性和FEM模型的初步計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)小型磁耦合，能夠輸送伺服電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的75％，以保護(hù)伺服不受過載影響。這些限制導(dǎo)致實(shí)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(guān)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(duì)螺旋槳行為進(jìn)行初步識(shí)別，以進(jìn)行四次運(yùn)行。 圖10 MDM實(shí)驗(yàn)池中柱柱推力測(cè)量采用的測(cè)試臺(tái)簡(jiǎn)化方案。 Allotta等人（2015a）。 對(duì)于整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的適當(dāng)設(shè)計(jì)，必須確定推進(jìn)器的行為。采用的推進(jìn)器由標(biāo)準(zhǔn)的Ka 4-70螺旋槳組成，管道采用19-A會(huì)聚噴嘴，p / d比為1.4，直徑為90mm。由于以前采用推進(jìn)器推進(jìn)MARTA，因此作者知道螺旋槳的初步識(shí)別，并推斷了模擬四象限運(yùn)行的行為，并且提供了一些關(guān)于在MDM實(shí)驗(yàn)室（意大利皮斯托）進(jìn)行的柱錨推力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，推進(jìn)器的性能。 在這些測(cè)試中，使用如圖10所示的簡(jiǎn)單設(shè)備執(zhí)行，可以在靜態(tài)/系泊條件下識(shí)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(duì)于簡(jiǎn)單推進(jìn)器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的研究是相當(dāng)困難的，因?yàn)榭赡艿牧阒岛吞崆八俣龋╒ a）或轉(zhuǎn)速（n）的符號(hào)反轉(zhuǎn)導(dǎo)致數(shù)值最常用參數(shù)的描述不一致，如推進(jìn)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(gè)原因，推進(jìn)器前進(jìn)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(duì)于在螺旋槳梢半徑的70％計(jì)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(duì)于進(jìn)口相對(duì)速度相關(guān)的動(dòng)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(jí)數(shù)（4），（5）來近似。 (4) (5) 對(duì)于所選擇的螺旋槳K，從文獻(xiàn)中已知4-70個(gè)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(jìn)行驗(yàn)證。 特別地，圖11示出了相對(duì)于β的修正系數(shù)C T的行為：柱柱推力試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)應(yīng)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(dǎo)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(cè)試新潛水器布局，如圖1所示，并將其與MARTA布局進(jìn)行比較。模型以模塊化的方式組織，并實(shí)現(xiàn)了定制庫(kù)來計(jì)算文獻(xiàn)中定義的關(guān)系，如Fossen（1994）。這些庫(kù)包括拖曳力和附加質(zhì)量項(xiàng)，其簡(jiǎn)單地計(jì)算為適當(dāng)矩陣和相應(yīng)的位移矢量的導(dǎo)數(shù)之間的向量積，如Fossen（1994）所定義。特別地，牽引力被計(jì)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(cè)試性能，作者必須定義一個(gè)適當(dāng)?shù)目刂七壿?。?duì)于這個(gè)應(yīng)用程序，作者選擇了兩個(gè)模型的PID控制，該P(yáng)ID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(dòng)機(jī)貢獻(xiàn)，如等式（6）所示： （6） 關(guān)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(yīng)轉(zhuǎn)矩的影響。 顯然，一旦獲得了電機(jī)動(dòng)作的八個(gè)部件，就需要定義四個(gè)電機(jī)推力和四個(gè)電機(jī)定向角度。在這個(gè)應(yīng)用中，作者決定將電動(dòng)機(jī)角度作為每個(gè)電動(dòng)機(jī)相應(yīng)T p e T c之間的比值的正交值，以及作為相應(yīng)矢量模塊的電動(dòng)機(jī)推力。 T p T c | T。 7.模擬結(jié)果 為了比較兩輛潛水器的機(jī)動(dòng)性，作者必須定義一個(gè)合適的參數(shù)，稱為機(jī)動(dòng)性。該參數(shù)被定義為相對(duì)于潛水器速度的第三功率歸一化的電動(dòng)機(jī)的總功耗的倒數(shù)。最后，為了在水平面實(shí)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(jī)動(dòng)性與速度的角度進(jìn)行比較。 如圖14所示，樞軸布局的機(jī)動(dòng)性相當(dāng)于原始MARTA布局的機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)。事實(shí)上，樞軸布局使用每次所有推進(jìn)器，從而所有電機(jī)以低RPM運(yùn)行。相反，MARTA只能使用兩個(gè)推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)單個(gè)運(yùn)動(dòng)，由此電機(jī)必須以更高的RPM運(yùn)行，以與所提議布局相同的速度推動(dòng)潛水器。這種情況使電機(jī)處于低效率特征的工作范圍內(nèi)。不幸的是，這種改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)能力涉及到提高機(jī)動(dòng)性的損失，但這不會(huì)過度地懲罰前進(jìn)的動(dòng)作。事實(shí)上，機(jī)動(dòng)性的降低只有17％左右。實(shí)際上，在潛水器兩側(cè)的樞轉(zhuǎn)推進(jìn)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(dòng)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?yàn)榍安克c?1，?2，?3，?4個(gè)角度有關(guān)（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(jìn)的機(jī)動(dòng)性增加，隨后移動(dòng)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(dāng)?shù)卣{(diào)整潛水器的操作條件。 圖14提出的潛水器布局的機(jī)動(dòng)性和MARTA的機(jī)動(dòng)性之間的比較。 另一個(gè)有趣的事情是垂直方向的運(yùn)動(dòng)之間的比較。事實(shí)上，如果潛水器下降，兩個(gè)布局的可操作性是相當(dāng)?shù)?，但是如果潛水器上升，則提出的解決方案潛水器的機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)布局方面表現(xiàn)出更好的可操縱性和懸停運(yùn)動(dòng)的性能。這種改進(jìn)顯著，并且涉及在導(dǎo)航期間降低功耗，允許增加任務(wù)的長(zhǎng)度。此外，所提出的解決方案使得潛水器更加容忍故障。事實(shí)上，為了完全控制潛水器的六個(gè)自由度，只需要三個(gè)樞軸推進(jìn)器，如Smart E AUV，例如。 Meyer等（2013），例如Ehlers等人（2014）。否則，所提出的電機(jī)布局提供了四個(gè)樞軸推進(jìn)器的使用。 參考文獻(xiàn) Allotta，B，Pugi，L，Costanzi，R，et al。 （2011）INS，DVL和量程測(cè)量的三個(gè)AUV車隊(duì)的本地化算法，第十五屆國(guó)際先進(jìn)機(jī)器人會(huì)議論文集，塔林，第631-636頁(yè)。紐約：IEEE。 Allotta，B.，Costanzi，R.，Monni，N.，Pugi，L.，Ridolfi，A.，Vettori，G。（2012），Design and 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