[发明专利]水下机器人动力推进系统的设计方法

摘要

本发明公开了一种水下机器人动力推进系统及设计方法，所述水下机器人动力推进系统，包括第一纵向推进器、第二纵向推进器、第一垂向推进器、第二垂向推进器，所述第一垂向推进器、第二垂向推进器首尾布置，所述第一纵向推进器、第二纵向推进器同转速时控制机器人进退，差速时控制机器人转艏运动；所述第一垂向推进器、第二垂向推进器同转速时控制机器人升沉及贴壁吸附，所述首尾布置的第一垂向推进器、第二垂向推进器差速时调整机器人的纵摇姿态。本发明具备模态切换与清污结构，在不降低水下机器人灵活度的情况下能够高效进行清污作业。

主权项

一种水下机器人动力推进系统的设计方法，所述水下机器人动力推进系统包括第一纵向推进器(805)、第二纵向推进器(806)、第一垂向推进器(803)、第二垂向推进器(804)，所述第一垂向推进器(803)、第二垂向推进器(804)首尾布置，所述第一纵向推进器(805)、第二纵向推进器(806)同转速时控制机器人进退，差速时控制机器人转艏运动；所述第一垂向推进器(803)、第二垂向推进器(804)同转速时控制机器人升沉及贴壁吸附，所述首尾布置的第一垂向推进器(803)、第二垂向推进器(804)差速时调整机器人的纵摇姿态；水下机器人动力推进系统的设计方法，其特征在于，进行动力推进单元计算，将ROV看成粘性不可压缩牛顿流体，并建立以下连续方程和运动方程：∂ui∂xi=0---(1)]]>∂ui∂t+∂∂xj(uiuj)=-1ρ∂p∂xi+v∂∂xj[∂ui∂xj+∂uj∂xi]---(2)]]>式中，ui(i＝1,2,3)为三个坐标轴正方向上的速度分量，uj(j＝1,2,3)为三个坐标轴负方向上的速度分量，xi(i＝1,2,3)为三个坐标轴正方向上的坐标分量，xj(j＝1,2,3)为三个坐标轴负方向上的坐标分量，p为压力，ρ为流体密度，为流体的运动粘性系数，t为时间；在模拟湍流运动时，需要把式(2)中的变量分解成时均量和脉动量φ′两个组成部分：φ=φ‾+φ′---(3)]]> 再对式(2)左右两侧对时间取平均，得到时均的连续方程：∂ui∂t+∂∂xj(uiuj)=-1ρ∂p∂xi+v∂∂xj[∂ui∂xj+∂uj∂xi]+∂∂xj[-ui′uj′‾]---(4)]]>式中，u′i表示正方向速度分量脉动量，u′i表示负方向速度分量脉动量。将式(4)与式(2)进行比较后发现式(4)只是多了雷诺应力项，因此再引入湍流模型后就可以解决粘性流体的湍流流动问题； 对六自由度机器人水下运动受力进行分析，得出受力方程式为：FTxFTyFTzMTxMTyMTz=T1+T20T3+T4+T50b(T3-T5)a(T1-T2)---(5)]]>其中，T1、T2、T3、T4、T5分别为五个推进器的推力；FTx、FTy、FTz分别表示机器人受到推进器的纵向、横向、垂向推力；MTx、MTy、MTz分别表示机器人受到推进器的横摇、俯仰、回转力矩，a为水平向推进器与中轴线距离，b为垂直向推进器与中轴线距离；由于水下机器人以进退为主要运动，所以可以根据纵向阻力来估算推进器的推力，水下机器人的阻力包括两个部分：水下机器人本体运动阻力和缆绳阻力，水下机器人本体运动阻力计算公式为：F=12CdρV2L2---(6)]]> 其中，Cd阻力系数，其取值在0.1‑0.2之间，这里取0.12；V为水下机器人运动速度；ρ为水密度，L为特征长度，取水下机器人纵向长度1m；而对于缆绳的阻力，可以通过以下公式估算求得：Rd=12CdρV2A---(7)]]> 其中，A为特征面积，对于电缆，A等于电缆直径乘以垂直于水流方向的长度，这里取0.38；由此，根据公式(5)，可以得出单个推进器的输出功率为： P＝(F+Rd)·V/2                    (8)。