水下机器人多轴力传感器关键技术及其应用的研究

摘要

在世界各科技强国加大力度探测和开发海洋的进程中，对水下机器人不断提出了更高的要求，然而，水下传感技术的落后已极大地限制了水下机器人的发展。本学位论文以水下机器人多轴力传感器为研究对象，探索水下力传感器的一些共性技术：大压力平衡及密封、过载保护和动态性能补偿，并应用所获得的关键技术开发新的多轴力传感器、深海压力传感器和流速流向传感器。主要研究成果汇报如下： 第一章综述了海洋开发和水下机器入的发展趋势，水下传感器面临的问题；总结了水下力传感器关键技术的研究现状，分析了现有水下压力及流速流向传感器中存在的问题；为本学位论文确定了研究方向和研究内容。 第二、三章针对尚未见有研究报道的压力平衡用膜片、软囊的变形影响，基于液体的可压缩性，采用迭代计算法，以水下多轴力传感器为研究对象，推导出内外压力差和额外轴向力的计算公式；指出了膜片、软囊变形所引起的额外轴向力对设计和使用水下力传感器是不容忽视的；通过归纳总结出膜片式、软囊式压力平衡的特点，提出基于膜片式、软囊式压力平衡的水下力传感器的结构设计原则；为提高水下力传感器的测量精度及基于膜片式、软囊式压力平衡的水下仪器设备的设计提供依据。 第四章针对在海洋中较少应用且无深入研究的活塞式压力平衡，首先提出活塞的设计思想；接着提出活塞的设计方案；在总结波纹管力学特性的基础上，总结出活塞的具体设计原则；然后确定活塞的形状、活塞的波纹曲线；通过有限元分析，确定活塞的尺寸参数；最后初步探讨了抛物线活塞的力学行为，为活塞设计和参数选择提供理论依据。 第五章进一步探索新提出的压力平衡用活塞的密封性能，提出一种活塞力学行为的计算方法；在误差分析的基础上，选择一种体积计算法，并探讨活塞离散的精度要求；通过对接触穿透误差和缸壁变形误差影响的分析，为活塞仿真分析的约束简化和系数选择提供依据；最后归纳总结出活塞式压力平衡的特点，为水下仪器设备压力平衡的选择提供依据。 第六章由前文总结出的不同压力平衡的特点，为水下多轴力传感器设计出具有膜片和活塞优点的活塞装置；并提供一种形状简单、能够实现正反向过载保护的装置；简单介绍了水下多轴力传感器的样机和有关试验；提出一种深海压力传感器的新原理，解决了深海环境下微小差压或动压的测量问题；提出一种十字梁式测量深海流速流向传感器的新结构，并提供其测量的原理。 第七章研究传感器建模误差与其动态性能补偿效果问的数学模型即补偿可靠性评判依据，在对一、二阶系统定量分析的基础上，给出建模误差、阻尼比和频带拓宽倍数间的关系，绘出关系图谱，并在仿真和实例中得到证实；定量分析和关系图谱不仅说明基于零极点相消来提高传感器动态性能的补偿法实际可行，而且为设计可靠、实用的补偿滤波器，评价补偿效果提供依据。 第八章为了解决目前传感器动态性能补偿数字滤波器设计的不足，提出一种数字滤波器的设计方法——基于双线性变换的零极点匹配法，证实预畸变的双线性变换法是其预处理的特例；通过和其它方法的比较，发现其不仅具有双线性变换法的特点，而且具有匹配Z变换设计法的特点；在实例中对多轴力传感器的动态性能进行了补偿，显著地改进了传感器的动态性能；为传感器动态性能补偿数字滤波器的设计提供了一种有效的设计方法。 第九章总结了本文主要的研究结果和创新，并指出今后有待研究的课题。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1海洋——蓝色的国土

1.1.2水下机器人的发展

1.2水下机器人力传感器关键技术及应用的现状

1.2.1压力平衡

1.2.2过载保护

1.2.3动态性能补偿

1.3深海压力传感器

1.4流速流向传感器

1.5本论文的课题来源、研究目的及意义

1.5.1课题来源

1.5.2研究目的及意义

1.6本论文的主要内容

第二章基于膜片式压力平衡的水下多轴力传感器的结构设计

2.1引言

2.2水下力传感器无压力平衡元件的典型结构分析

2.2.1实心柱体(开放式结构)

2.2.2封闭式结构Ⅰ

2.2.3封闭式结构Ⅱ

2.3膜片式压力平衡的力学分析

2.3.1液体的可压缩性

2.3.2额外轴向力

2.3.3板的大挠度解

2.4膜片式压力平衡水下力传感器内外压差的计算方法和计算公式

2.4.1压差的计算方法

2.4.2有关的计算公式

2.4.3额外轴向力

2.5膜片式压力平衡的能力与有关因素的关系

2.5.1算例

2.5.2膜片的压力平衡能力与有关因素的关系

2.6膜片式压力平衡的特点及水下力传感器的设计原则

2.6.1膜片式压力平衡的特点

2.6.2膜片式压力平衡水下力传器的设计原则

2.7本章小结

第三章基于软囊式压力平衡的水下多轴力传感器的结构设计

3.1引言

3.2软囊式压力平衡的力学分析

3.2.1额外轴向力

3.2.2基于弹性薄壳理论的软囊式压力平衡的力学行为分析

3.2.3软囊的修正变形模型

3.3软囊式压力平衡水下力传感器内外压差的计算方法和计算公式

3.3.1压差的计算方法

3.3.2计算公式

3.3.3额外轴向力

3.4软囊式压力平衡的能力与有关因素的关系

3.4.1算例

3.4.2软囊的压力平衡能力与有关因素的关系分析

3.5软囊式压力平衡的特点及水下力传感器的设计原则

3.5.1软囊式压力平衡的特点

3.5.2软囊式压力平衡水下力传感器的设计原则

3.6本章小结

第四章活塞式压力平衡装置的设计

4.1引言

4.2设计思想

4.2.1活塞式压力平衡装置的密封特点

4.2.2通用活塞密封技术的局限性

4.2.3设计思想的提出

4.3波纹管力学分析

4.3.1 U型波纹管的特点

4.3.2轴向刚度

4.3.3内压引起的波纹管径向压力刚度

4.3.4内压引起的波纹管经向弯曲应力

4.3.5波纹管的变形

4.4活塞结构设计

4.4.1活塞的设计原则

4.4.2活塞的结构尺寸

4.5一种活塞的结构

4.5.1活塞的结构

4.5.2活塞的刚度

4.5.3活塞的应力分布

4.5.4活塞参数选择

4.6活塞的力学分析

4.6.1参数a变化

4.6.2参数s变化

4.6.3参数D变化

4.6.4参数t变化

4.6.5讨论

4.7本章小结

第五章活塞式压力平衡装置密封技术的研究

5.1引言

5.2力学模型及计算方法

5.2.1活塞工作的力学模型

5.2.2活塞力学分析的计算方法

5.3密封腔体积的计算方法及误差分析

5.3.1体积计算方法

5.3.2体积计算的误差分析

5.4仿真分析

5.4.1仿真过程

5.4.2接触分析

5.4.3接触穿透误差对压力计算的影响

5.4.4缸体壁受压变形对压力计算的影响

5.4.5不同参数活塞的比较

5.5静密封性能

5.6活塞式压力平衡的特点

5.7本章小结

第六章压力平衡及过载保护技术的应用

6.1引言

6.2水下多轴力传感器

6.2.1压力平衡

6.2.2过载保护

6.2.3结构

6.2.4样机的实验简介

6.3一种深海压力传感器

6.3.1结构

6.3.2工作原理

6.3.3特点

6.4一种流速流向传感器

6.4.1结构

6.4.2工作原理

6.4.3特点

6.5本章小结

第七章多轴力传感器建模误差对其动态性能补偿效果的影响

7.1引言

7.2一阶系统

7.2.1补偿效果的评定

7.2.2建模误差与工作频带间的关系

7.3二阶系统

7.3.1补偿效果的评定

7.3.2建模误差、阻尼系数与工作频带间的关系

7.3.3关系图谱

7.4仿真

7.5实例

7.6本章小结

第八章一种多轴力传感器动态性能补偿数字滤波器的设计方法

8.1引言

8.2基于双线性变换的零极点匹配法(零极点不动的双线性变换法)

8.2.1构思

8.2.2预处理

8.2.3讨论

8.3零极点不动的双线性变换法的特点

8.4实例

8.5应用

8.6本章小结

第九章结论

9.1结论

9.2本论文的创新点

9.3有待进一步研究的课题

参考文献

攻读博士学位期间所获得的成果