全海深水下机器人多模式抛载技术研究

摘要

随着社会的不断发展，陆地上不可再生资源逐渐较少，海洋资源的开发利用受到人们的关注。开发海洋需要先进的技术和装备，AUV（自治式水下机器人）由于其无人无缆、作业范围大、机动性强等特点，在海洋资源探测与开发中发挥着重要的作用。AUV工作在复杂的海洋环境中，安全性是其研究和应用过程中的重要问题之一，抛载系统作为AUV应急自救和无动力升沉驱动执行机构，受到研究和使用者的关注。对全海深AUV（可以下潜到海洋最深处，约11000米）来说，其载体和执行机构还需要承受110MPa的外部海水压力。同时为了提高抛载系统的可靠性，应该针对AUV在不同安全状态下的抛载需求，采用不同的驱动方式实现冗余抛载，因此，研究大潜深AUV多模式抛载技术，保证AUV系统的安全性具有重要的研究意义和实用价值。
　　本文针对全海深AUV多模式抛载技术，主要进行以下研究工作:
　　(1)研究全海深AUV多模式抛载系统的总体方案。根据抛载系统主要技术指标，分析抛载系统的功能要求以及设计中需要注意的问题。为解决40kg压载难以安装的问题，研究分体式压载结构。为了确定适用于全海深AUV多模式抛载系统的驱动源和驱动方式，本文对典型的驱动源和驱动方式进行分析。为了保证多模式抛载系统的可靠性，本文研究冗余抛载方式，分析确定主动式抛载和被动式抛载有机结合的总体方案，设计抛载系统的工作流程。
　　(2)进行多模式抛载系统的总体结构设计。为提高抛载系统的可靠性、增加驱动方式的冗余性，本文设计主动式和被动式抛载的混联结构。为了将三种驱动方式形成冗余驱动并解决压载需要释放时可靠释放、不需要释放时可靠固定、安装压载时便于操作的问题，设计抛载释放机构，并通过实验验证释放机构的可靠性。为了实现以较小功率的电磁铁、电机完成抛载，设计电磁铁和电机的扩力机构。为了使电磁铁在110MPa外压下正常工作，设计电磁铁的密封导磁结构，通过实验验证验证密封导磁结构的导磁性能和密封性能。
　　(3)对多模式抛载系统可靠性进行研究。针对多模式抛载系统复杂，难以直接分析可靠性的问题，对多模式抛载系统进行系统划分，建立多模式抛载系统的功能框图、系统层次划分示意图以及功能层次与结构层次对应图。针对多模式抛载系统零部件较多且各部分都可能出现故障的问题，对可能出现的故障原因进行分析，并提出检测方法和解决方式，建立FMEA表。为了解决深海环境中零件表面结晶的问题，本文对结晶过程进行分析，提出解决方法。为了解决零件在全海深环境中可能被压缩变形问题，本文对变形可能较大的零件进行静力学分析，计算变形量，并提出解决方法。针对抛掉第一块压载后对载体造成冲击，进而影响到第二块电磁铁的吸力挂载可靠性问题，对此种情况进行动力学分析，验证电磁铁吸力是否满足要求。
　　(4)研制多模式抛载系统实验样机并进行实验研究。研制了多模式抛载系统实验样机。为验证本文所研制的电磁铁密封导磁结构的导磁性能，对原装、只加工外螺纹、加工中心螺纹孔及外螺纹等不同导磁抗外压结构的电磁铁驱动器进行吸力测试。为验证本文所研制的电磁铁密封导磁结构在全海深环境下的密封性能，通过压力罐进行100MPa耐压实验;为验证本文封装后的电磁铁在100MPa外压环境下能否正常执行抛载，设计具有时间延时功能的实验部件，在100MPa环境中，进行电磁铁通断电功能实验。为验证本文所设计的多模式抛载系统在AUV倾斜一定角度时抛载的可靠性，进行模拟AUV倾斜30°时的陆上抛载实验。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2水下机器人抛载技术研究现状

1．2．1载人潜水器抛载技术研究现状

1．2．2自主式水下机器人抛载技术研究现状

1．3水下机器人抛载技术研究综述

1．4课题来源与本文主要研究内容

第2章多模式抛载系统总体方案研究

2．1引言

2．2抛载系统分析

2．2．1主要技术指标

2．2．2抛载系统功能分析

2．2．3可弃压载设计要求分析

2．3抛载系统各部分分析

2．3．1抛载系统驱动源分析

2．3．2驱动方式分析

2．3．3扩力机构分析

2．4主被动结合式多模式抛载系统总体方案设计

2．5本章小结

第3章多模式抛载系统结构设计

3．1引言

3．2抛载系统总体及其释放机构结构设计

3．2．1抛载系统总体结构设计

3．2．2释放机构的结构设计

3．3电磁铁驱动抛载装置结构设计

3．3．1电磁铁密封结构设计

3．3．2电磁铁驱动机构设计

3．4电机驱动机构设计

3．4．1电机驱动机构方案分析

3．4．2电机驱动机构设计

3．5可弃压载的结构设计

3．6本章小结

第4章多模式抛载系统可靠性研究

4．1引言

4．2多模式抛载系统可靠性研究内容分析及系统功能框图建立

4．2．1多模式抛载系统可靠性研究内容分析

4．2．2多模式抛载系统子系统划分及系统功能框图建立

4．3多模式抛载系统机械故障影响分析

4．3．1多模式抛载系统层次划分及可靠性框图建立

4．3．2多模式抛载系统故障模式影响分析

4．4工作环境对系统可靠性的影响及解决方案

4．4．1零件表面结晶对系统可靠性的影响及解决方案

4．4．2全海深高压环境对系统可靠性的影响

4．4．3震动冲击对系统可靠性的影响

4．5本章小结

第5章多模式抛载系统实验研究

5．1引言

5．2电磁铁密封导磁结构性能验证实验

5．2．1陆上吸力测试实验

5．2．2压力罐环境耐压实验

5．3多模式抛载系统陆上抛载实验

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢