当代无人驾驶水下航行器的推进器设计
高速水下航行器推进系统设计与性能评估
高速水下航行器推进系统设计与性能评估高速水下航行器推进系统设计与性能评估摘要：高速水下航行器是一种能够在水下迅速航行的装置。
它通常用于海底勘探、潜水技术研究、海军作战等领域。
本文主要针对高速水下航行器的推进系统进行设计与性能评估。
引言：高速水下航行器的推进系统是实现其水下航行的关键部分，直接影响其航行速度和性能。
因此，设计一个高效可靠的推进系统对于水下航行器的性能评估具有重要意义。
一、推进器的选择与设计1. 根据航行器的设计要求选择合适的推进器类型，比如螺旋桨、推进喷嘴等。
螺旋桨通常适用于低速水下航行器，而推进喷嘴则适用于高速水下航行器。
2. 根据航行器的尺寸和推进动力要求设计合适的推进器尺寸。
推进器的直径和翼片数目直接影响推进效率和航行速度。
3. 对于高速水下航行器，还需要考虑推进器的材料选择。
一般来说，推进器需要具备高强度、抗腐蚀和耐磨损性能。
二、推进系统的布局与控制1. 推进器的布局应考虑到航行器的水动力学特性，以减小水动力阻力。
布局时可以采用多推进器分布式布置，或者采用旋翼和螺旋桨的联合布局。
2. 推进系统的控制可以通过调整推进器的转速、矢量推力和转向，实现航向控制、深度控制和航速控制等功能。
推进系统的控制也需要考虑到航行器的稳定性和操纵性。
三、推进系统性能评估方法1. 推进系统的性能评估可以通过实验和模拟两种方法进行。
实验可以通过水槽试验或者航行器试航来测试推进系统的性能。
模拟可以通过数值模拟和计算流体力学模拟来评估推进系统的性能。
2. 在性能评估中，可以考虑推进效率、推进力和功耗等指标。
推进效率是指推进力与功耗的比值，推进力是指推进器产生的推力大小，功耗是指推进器所消耗的功率大小。
3. 可以通过改变推进器的参数，比如直径、翼片数目等来评估推进系统的性能。
同时，还可以通过调整推进器的控制参数来评估推进系统的控制性能。
结论：高速水下航行器的推进系统设计与性能评估对于提高其航行速度和操纵性具有重要意义。
水下机器人的驱动技术研究与设计
水下机器人的驱动技术研究与设计一、引言水下机器人是一种能够在水下进行各种任务的机器人，包括水下勘探、沉船打捞、海底管线维护等。
随着科技的不断进步，水下机器人的应用越来越广泛。
本文将围绕水下机器人的驱动技术进行研究和设计。
二、水下机器人驱动技术的概述1. 水下机器人的驱动方式水下机器人的驱动方式包括推进器和滑翔机。
推进器的原理是通过电动机驱动螺旋桨或者喷口从而提供推力；滑翔机则是通过机翼的升力和重力之间的平衡来进行控制。
在不同的作业环境下，采用不同的驱动方式可以获得更好的效果。
2. 水下机器人的动力来源水下机器人的动力来源有很多，包括电缆供电、电池供电、燃料电池供电、太阳能供电等。
不同的动力来源有不同的特点和适用范围，需要根据实际需求进行选择。
三、水下机器人驱动技术的研究1. 推进器的优化设计推进器是水下机器人的核心部件之一，其性能的优良与否会直接影响水下机器人的运行效果。
目前，推进器的设计思路已经由传统的桨式推进转变为了喷口式推进和固定翼式推进。
这种变化一方面是由于新型材料的应用，另一方面则是由于在不同运行深度下的水动力特性的影响。
推进器的优化设计可以有效地提高推进效率和机器人的运行稳定性，从而获得更长时间的运行时间。
2. 滑翔机的设计及控制与传统的推进器不同，滑翔机是通过机翼的气动力效应来推进的。
控制滑翔机需要根据水流的速度和方向进行不断的调整，保持其在水下的平衡和稳定。
滑翔机的优化设计可以使其在飞行时更加平稳，并且可以在水下进行更长时间的勘探和探索。
四、水下机器人的驱动技术应用案例1. 油田勘探在海底的油田勘探中，水下机器人可以通过多种方式进行勘探作业，如水下摄像、声学探测、地磁勘探等。
在选取驱动方式和动力来源时需要考虑到运行环境的多样性和复杂性。
2. 海底管线维护海底管线维护是一项非常困难的任务，其需要进行复杂的工作如变焊、切割等。
水下机器人可以通过定位和遥控控制方式进行管道维修，在这种情况下应该选用喷口式推进方式以便更好的实现机器人速度和位置的掌控。
水下航行器结构
水下航行器结构水下航行器是指能够在水下环境中自主航行、携带有效负荷并完成特定任务的机器人。
它们的结构和设计往往取决于其用途和功能，一般可分为以下几个主要部分：1.船体结构：水下航行器的主要框架通常由船体构成，用于提供结构支撑和保护机器人内部的电子设备和其他装置。
船体通常采用高强度材料制成，如碳纤维复合材料或铝合金，以提高机器人的耐用性和抗腐蚀能力。
2.推进系统：水下航行器通常需要一套推进系统来提供动力并实现自主航行。
推进系统的设计取决于航行器的大小和用途。
一些常用的推进系统包括螺旋桨、水动力喷射器和水动力翼。
这些系统通常由电动机、涡轮机或其他能源驱动，以提供必要的推力。
3.感知和控制系统：水下航行器通常配备各种传感器和控制装置，以实现对环境的感知和对航行器的控制。
常见的传感器包括声纳、摄像机、水质传感器等，用于获取水下环境的信息。
控制装置通常由计算机系统和相关软件组成，用于处理传感器数据并控制航行器的航行和任务执行。
4.电力系统：水下航行器通常需要一种可靠的电力系统来提供所需的能源。
这些电力系统可以包括一组充电电池、燃料电池或甚至太阳能电池板等。
电力系统的设计应考虑到航行器的电力需求，以保证足够的续航能力。
5.通信系统：水下航行器通常需要与地面控制中心或其他无线设备进行通信。
为此，航行器通常配备无线通信设备，如声纳通信、激光通信或无线电通信等。
这些通信系统可以实现数据传输、命令控制和任务协调等功能。
总的来说，水下航行器的结构设计需要综合考虑材料选择、推进系统、感知和控制系统、电力系统以及通信系统等多个因素。
这些结构的设计目标是提供稳定的航行性能、高效的能源利用、准确的定位和导航能力，以及可靠的通信和控制能力。
水下机器人Tachyon的设计及实现(ppt 44页)
2.15 推进器
• 快子具有六个现成的推进器，可以在五个 自由度进行控制：上下、前进、摇摆、偏 航和俯仰。水平推进器由VideoRay制造， 垂直和摆动推进器由Seabotix制造！
2.16电池仓
• 快子的电池都保存在热插拔电池仓内。每个仓有两个水下 连接器，一个用来充电另一个用来放电。
• 每个仓包含一个电池，一个荚机构和显示机构 。吊舱机构 上的各种集成电路机构允许其向快子的计算机报告电池度 量，包括容量，电压，电流和温度的同时，也通过LED显 示屏上直观地显示机构充电情况和剩余的电量。
• 这为所有的使命、机器视觉和控制处理任务提供了足够的 计算能力。一个PCI 快速扩充卡是用来为航行器的摄像机 提供三个火线端口。计算机运行的Debian GNU/ Linux的简 约安装。与所有外部传感器和执行器模块的通信通过自定 义串行接口模块进行路由
4.1串行模块
• 串行模块支持快子的计算机和外设包括推进器、 传感器和电源板进行通信。它与计算机使用 USB2.0高速接口进行通信，并提供14个 RS232串 行端口。该USB信号首先分为七端口USB集线器 ，每个信号又通过七个FTDI FT2232D双通道USB 中的一个被转换为RS232适配器。
• 鱼雷发射器的功能，在车辆前方的两个发 射管。两管同时发射，由一个独立的阀门 控制。 聚氨酯鱼雷有很大的鳍，流线型的 造型，并中性浮力，导致在一个平滑的轨 迹。鱼雷由硅胶模具铸造批量生产。模具 是由数控的铝加工器生产。
2.பைடு நூலகம்4主动抓取器
• 对于新的抓取和释放的过程组件的被动抓系统已 经更新了气动释放机制。最初的抓取机制仍然是 被动的，由机器人下部的弹簧返回鳍肢组成。当 机器人需要释放目标物，第四个阀门将空气送入 六个气缸，每边三个气缸，每个气缸有一个拥有 两个鳍状肢的管脚。空气从管脚吹出，使鳍装肢 下降。
水下机器人动力系统设计
水下机器人动力系统设计水下机器人是一种能够在水下环境中进行工作和探测的自主机器人系统。
它们通常被用于深海探测、海洋科学研究、水下工程和资源勘探等领域。
一个高效且可靠的动力系统对于水下机器人的正常运行至关重要。
本文将讨论设计水下机器人动力系统的几个关键方面。
首先，水下机器人的动力系统需要能够提供足够的推进力以克服水流、水压和水下障碍物对机器人的阻力。
常见的推进方法包括推进螺旋桨、水动力喷射和水翼等。
推进力的大小取决于机器人的质量、所需速度和水下环境的特征。
在设计动力系统时，需要进行相应的模拟和计算，确保推进力满足机器人的工作要求。
其次，水下机器人的动力系统还需要能够提供稳定且持续的电力供应。
电池是最常见的电力储存装置，可以提供较高的能量密度和可充电性能。
但是，由于水下环境的恶劣条件，如高压、低温和潮湿等，常规的电池往往难以适应。
因此，需要选择适合水下环境的特殊电池或者其他电力储存装置，例如燃料电池或者超级电容器。
此外，水下机器人的动力系统还需要有有效的能量管理和利用机制。
由于水下机器人无法通过太阳光进行光伏发电，并且充电设施相对有限，所以需要最大限度地利用已有能量。
一种方法是采用能量回收技术，在机器人的运动过程中将部分能量重新转化为电力储存在电池中。
另一种方法是采用能量节约技术，通过优化机器人的动作和系统工作态度，减少能量的浪费和消耗。
最后，水下机器人的动力系统的设计还需要考虑到其与其他系统的集成问题。
水下机器人包括多个子系统，例如控制系统、传感系统和导航系统等。
这些子系统通常需要共用一部分电力资源，因此在动力系统设计中应该考虑到如何合理分配电力资源，确保各个子系统正常运行，并且在能量不足的情况下按照一定的优先级进行能量分配。
综上所述，设计水下机器人动力系统是一个复杂而关键的任务。
需要综合考虑推进力、电力供应、能量管理和与其他系统的集成等多个因素。
在设计过程中，需要进行充分的模拟和计算，并且根据实际工作需求选择适合水下环境的动力装置和控制策略。
水下矢量推进器系统的设计与分析
２ ． 中南大学机电工 程学 院 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３ ）
摘 要： 运用三维软件 Ｐ Ｒ Ｏ Ｅ设计 了一种基 于杆件传动的液压驱动 矢量推进 装置 ， 提 出了通过控制 液压缸驱动 来达 到控
行 器 ．
图 １ 矢量推进器三维图及结构简图 由图 １可知有 ８个 构件 ， ７个活 动构件 ， ３个 移动 副 （ 自 由度为 １ ） ， ７个球面副（自由度为 ３ ） ． 空 间 自由度 的计算为
Ｆ ：６ ｎ— ｃ ｉ： ６ （ １ ）
Байду номын сангаас
本文基于传统 的螺旋桨 推进技 术设计 了一 种液压 驱动 的新型推进系统 ， 该装置利用 三个液压 缸系统作 为装 置 的驱 动 系统 ， 通过控 制三个 活塞杆位 移控 制壳体 的偏 转方 向， 达
制壳体 的偏 转方向的方案． 通过建立数学模型和 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ计算 ， 证 明 了偏 转角度与 液压缸位移 量一一 对应的 关 系． 通过 Ａ Ｄ — Ａ ＭＳ仿真进一步证明 了这种矢量推进装置应用于水下运载器的可行性 ， 该装置能降低 运载器推进 系统的复杂性． 关键 词 ： 矢量推进装置 ； 运动 学 ； 螺旋桨
平 台， 本文设计 的系统所 采用 的推进 方式是传统 的螺旋桨推 进技术 Ｊ ． 支撑 螺旋 桨的机构 应该要 具备 两个方 面 的功能．
一
是要输 出轴能实现全方位 的姿态调 整 ； 二是要 把驱动器 的
运 动转换 为螺旋桨 的空 间运动 ． 齿 轮传动 有着效 率高 ， 机 构 紧凑 ， 传动稳定等优 势 ， 国 内很 多研究传 统螺旋 桨技 术 的大
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当代无人驾驶水下航行器的推进器设计
从载具推进的物理学角度来看，无人驾驶水下航行器(UUV)与滑雪艇或者油轮几乎没有什么不同。
它采用了航行器-推进器-驱动的系统模型，该模型通过推进器将驱动能量转化为推力，以达到推动航行器移动的目的。
推力平衡和运动的基本原理对这三种载具都是共同的，即旋转能量被系统的中心部件推进器转化为轴向推力。
不同类型载具的推进器设计所不同的是基于载具各自任务所特有的设计约束和目标。
例如，一艘滑雪艇在拖曳速度下可能需要高推力，并愿意放弃潜在的最高速度以达到这一任务要求，它的传动比和推进器特性就是为此而设计的。
为了获得最大的经济回报，油轮可能需要以“经济速度”获得最大的效率。
或者，它可能还会额外限制排放或燃料消耗，这就要求在推进器的设计上做出妥协。
考虑到相关的各种任务，水下航行器有其自己的一套推进器设计要求，如电池寿命(或电池容量下运行的最大距离)，最大直径，最小运行速度，从水动力效率或安全角度考虑是否采用导流管式螺旋桨，同时也考虑到可以减少噪声，确保安静地进行数据收集任务。
这些设计要求是HydroComp公司进行UUV推进器设计工作时的思考，这些思考来源于一个成功的设计项目，是在和客户深度沟通设计需求和信息的过程中形成的。
航行器-推进器-驱动模型是进行此类设计讨论的一个很好的框架。
航行器
典型的UUV是一种回旋体外形(也称为轴对称形式)，它有一个鼻子、身体和尾巴。
为了装配设备的内部容积最大化，一些航行器的首部和尾部非常短。
正如你可能预料到的，这样的首部必然会造成阻力的增加，由于流体进入推进器不是沿着轴向而是有一定的斜度，也会损失一定的推进性能。
不同的阻力成分，如兴波阻力或压阻力和摩擦阻力或粘性阻力之间的平衡是我们工作的一部分，往往希望得到最小的阻力体积比，事实上，这并不能完全实现。
我们真正想要的是最小的功率体积比，而尾部的几何形状会很大程度上影响推进器将回旋能量转换为有效轴向推力的能力。
因此,许多推进器设计项目首先会使用NavCad®软件预测航行器的阻力和船体-推进系数(伴流分数和推力减额)，NavCad®软件是一款用于水动力和推进系统仿真分析的专业软件。
一个特有的潜水器模块为鱼雷型UUV提供了强大的预报分析能力驱动
和推进器相对应的是驱动装置，通常是一个电动机。
电机的电气特性各不相同，但推进器设计的关键数据是转轴上的机械输出功率和转速的关系曲线。
输入电能功率的峰值很重要，当然，也就对应一定的运行限制。
我们用电机效率曲线来描述输入电能功率，这有助于回答以下问题:如果最长的电池寿命是最高优先级，我们的最佳目标转速范围是什么？另一方面，转轴的功率和转速的关系曲线会告诉我们可能的最大功率所对应的转速，以及扩展开来，能够得到潜在的最大推进器推力和航行器速度所对应的转速。
从典型的电机转轴功率，电机效率与转速的关系曲线可以看出，可能的最高功率很少(如果有的话)出现在最高的电机输入效率处。
因此，我们经常必须在提供更高的输出功率和提供最佳的电机效率之间折中定义设计转速点。
与每个关于电机驱动的UUV的讨论相关的是，轴转速几乎总是过高，不利于推进器的最佳运行。
常见的情况是看到某种形式的传动装置，以实现最佳的推进器性能或者接受推进器可能以平庸的效率运行。
推进器
你会注意到这里使用的术语是“推进器”而不是“螺旋桨”。
这是为了强化导管和螺旋桨（在大多数UUV上发现）是一个交互式单元，即推进器的概念。
推进器的设计是寻找最佳的螺旋桨和导管的组合，同时跟踪它们的相互作用。
换句话说，您必须使用具有此交互分析的设计工具，
例如用于系统模拟的NavCad或用于螺旋桨-导管组件设计的PropElements®。
在所有的UUV推进器设计项目中，一个普遍的目标是开发一种能够产生最高推力功率比（效率）的几何形状，这是我们通过大量得到验证的试验来实现的。
通常外部设计驱动因素的影响会使成功的UUV推进器设计充满挑战性。
例如，转速可能太高（如上所述），几何约束可能限制最大直径，或者它们可能会因为考虑载具尾部的斜率而影响设计。
花点时间提一下UUV推进器制造的意义重大。
媒体对于螺旋桨的3D打印进行了大量讨论。
虽然从经济性和产能的角度来看这可能是有吸引力的，但我们必须注意，性能不会因表面纹理不适当(这对大多数UUV上的小尺寸的推进器有巨大影响)、疲劳强度失效或叶片中的液压弹性弯曲而受到影响。
HydroComp公司通过各种内部研究项目，成功地将3D打印应用于小型推进器。
除了这些实际设计考虑之外，还有一个最有趣的当代设计驱动因素是辐射噪音。
作为更广泛的可持续发展计划的一部分，HydroComp公司在推进器水声学(捕捉噪声和振动方面)具有成熟的专业知识。
随着我们的工具开发出新的水声特性，这些知识也可供其他造船设计师和工程师使用。
项目对噪声的敏感度始终是我们UUV推进设计工程客户讨论的一部分。
所有的水声激发都来自质量波动（流体质量的周期性运动）。
推进器驱动的水声通常由螺旋桨在低压区中的振动引起，因为它在“遮蔽”区域(例如在支柱或控制鳍的后面)转进和转出。
该波动的一部分仅仅是由于流入量变化引起的叶片周围流动方向的变化，这种流向的变化更重要的是由于叶片空泡的快速扩张和破裂所导致。
每一个影响因素的评估都是我们推进器设计工作的一部分，根据需要通过改变叶片的轮廓和其外倾角分布来减轻影响。
过度的水声激发和传输也可以借助于一个创造性的导管设计。
利用我们在导管性能模拟上的经验背景，我们可以考虑到特定的噪声抑制导管的几何形状是否能够提供必要的抑制，以及可能会带来的推进效率的任何损失。
因此，虽然UUV推进器设计有其独特的挑战，但它仍然只是一个更大的系统问题中的子任务。
它能够提供令人有成就感的工程挑战，只需要多一点细心，加上合适的软件工具和实际经验就能成功完成。