水下机器人对接装置液压系统及控制技术研究

摘要

自主式水下机器人(Autonomous UnderwearVehicle，简称AUV)是一种重要的水下作业装备，在海洋考察、海底探测、海洋救援等领域发挥着不可替代的作用。但由于AUV体积有限，所携带的能源难以维持其长时间、大范围作业，需要对AUV进行能源补充。水下对接技术能够在AUV静止或运动状态下，通过电缆自主实现AUV与水下空间站之间柔性对接，进而实现充电、数据交换等功能。水下对接技术对于延长AUV作业时间、扩大AUV作业范围具有重要作用。
　　本文归纳分析国内外AUV水下对接技术的研究现状，结合课题需求，确定AUV水下对接装置的总体方案。相对于其他 AUV水下对接装置，本文确定的对接装置方案能够通过调平机构和回转机构调整对接装置对接筒水平位置和导向罩的开口方向，使对接装置适应海底地形和海流流向，从而提高对接的成功率。在对接装置总体方案的基础上，本文重点研究对接装置的液压系统及控制技术。
　　针对传统油液压技术在海中工作因泄漏对海洋环境造成污染的问题，本文研究无污染的海水液压技术，设计海水液压系统并根据对接装置技术要求进行海水液压系统元件选型。由于海水液压技术尚存在一定的局限，为寻求海水液压元件替代品，本文通过实验研究水介质下叶片式气动马达和活塞式气动马达的性能，结果水介质下气动马达的性能并不能满足课题需求，通过实验研究本文最终确定了以水—乙二醇液压液为工作介质的液压系统方案。
　　液压系统方案确定后，本文对液压系统进行详细的设计，研制一套完整的液压系统实验样机。本文根据对接装置技术要求和执行机构参数，对液压马达进行选型并自行研制水下用带位置检测功能的液压缸。根据液压马达、液压缸的参数，确定液压泵、电机、压力补偿器等液压系统动力源。为解决液压系统密封问题，本文设计了液压系统密封舱。在此基础上，对本文研制的液压系统实验样机进行了陆上系统联调。
　　针对液压系统联调实验中出现的高压直流电机与电机控制器不匹配及电感式接近开关工作不稳定的问题，本文通过实验和理论分析确定故障的原因，采取更换电机和控制器及屏蔽电机电磁干扰的措施解决联调实验中的问题。
　　本文根据对接流程，分析控制系统所需的传感器和执行器并进行设计选型，为实现对传感器的数据采集和对电机、液压系统的控制，本文设计控制系统软硬件，经多次实验验证控制系统的可行性和可靠性。为解决控制系统密封问题，本文设计了控制系统电子舱，研制出对接装置控制系统实验样机。
　　为了研究液压控制系统性能，本文对液压系统锁紧回路进行建模仿真，推导锁紧回路阀控非对称式液压缸的数学模型，在此基础上得出系统总体的数学模型并运用Matlab进行仿真，采用PID控制算法提高控制系统性能，并通过对接装置陆上锁紧实验实验验证仿真结果。
　　为验证对接装置功能模块及液压控制系统的性能指标，本文对其进行单独测试实验和陆上联调实验，解决了实验过程中的制动机构制动力矩不足的问题。为能够准确从压力传感器和流速流向计读取所需物理量，本文进行了压力传感器和流速流向计标定实验。本文通过实验测定完成一次对接过程所消耗的能量，为对接装置水下电源设计提供参考。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外AUV水下对接技术研究现状

1.3 水液压技术概述

1.4 课题来源与本文主要研究内容

第2章 AUV水下对接装置总体方案及液压系统方案研究

2.1 引言

2.2 对接装置总体方案

2.3 水介质液压系统研究

2.4 水基介质液压系统设计

2.5 本章小结

第3章 AUV水下对接装置液压系统设计及关键问题研究

3.1 引言

3.2 液压系统设计

3.3 液压系统关键问题研究

3.4 本章小结

第4章 AUV水下对接装置控制技术研究

4.1 引言

4.2 对接装置控制系统硬件设计

4.3 对接控制系统软件设计

4.4 对接装置液压回路建模及仿真

4.5 本章小结

第5章 AUV水下对接装置实验研究

5.1 引言

5.2 AUV水下对接装置基础实验

5.3 对接装置液压及控制系统性能实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢