中国科学(物理学 力学 天文学)2024,Vol.54Issue(6) :125-135.DOI:10.1360/SSPMA-2023-0347

小型深海自主定高模块动力学建模与减摇设计

Dynamic modeling and anti-roll design of an autonomous,small-scaled module for height control in deep sea

王神龙 侯锦辉 俞代卫 沈鹏 张志函 李海 李国瑞
中国科学(物理学 力学 天文学)2024,Vol.54Issue(6) :125-135.DOI:10.1360/SSPMA-2023-0347

小型深海自主定高模块动力学建模与减摇设计

Dynamic modeling and anti-roll design of an autonomous,small-scaled module for height control in deep sea

王神龙 1侯锦辉 1俞代卫 1沈鹏 2张志函 2李海 3李国瑞4
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作者信息

  • 1. 上海理工大学机械工程学院,上海 200093
  • 2. 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心,青岛 266071
  • 3. 杭州电子科技大学电子信息学院,杭州 310018
  • 4. 青岛哈尔滨工程大学创新发展中心,青岛 266071;哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨 150001
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摘要

深海智能装备在深海科考、国防安全等领域发挥重要作用,受深海极端静水压影响,其水下操控和姿态控制面临巨大挑战.本文设计了一种适用于3000 m水深的自主定高模块,该模块通过将电路板集成在硅胶基质中实现深海极端水压自适应,并采用电磁线圈驱动PET背鳍薄片实现动力定高.本文利用高速相机分析了该模块下潜运动过程中的横摇现象,并进行运动学、动力学建模分析.此外,本文通过胸鳍形状的合理设计,减少模块横摇并优化其机动性.最后,通过高压实验验证了定高设计方案的可行性.该定高模块体积小、轻质、集成度高,易于实现深海装备和机器人集成,可为小型化深海机器人定高和姿态控制提供新方法.

Abstract

Deep-sea intelligent equipment is crucial in deep-sea scientific research,national defense and security,and other fields.Owing to the extreme hydrostatic pressure in the deep sea,the manipulation and attitude control of deep-sea robots remain challenging tasks.In this paper,we design an autonomous height-control module which can operate at a depth of 3000 m.To adapt to the extreme hydrotatic pressure,the electronics and circuits are integrated in a silicone matrix.What's more,an electromagnetic-driven,dorsal fin made of PET materials is employed to drive and achieve dynamic height control.We analyze the roll phenomenon of this machine using a high-speed camera and dynamic modeling analyses.In addition,the roll and maneuverability of this module are optimized by integrating a pair of pectoral fins with well designed shape.Finally,the feasibility of the height-control design is verified through high-pressure experiments.This small-scaled and lightweight height-control module can be easily integrated into deep-sea equipment and robots,which can offer a novel method for the attitude control of miniaturized deep-sea robots.

关键词

深海定高/横摇分析/动力学建模/减摇设计

Key words

deep-sea height control/roll analysis/dynamic modelling/anti-rolling design

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基金项目

国家自然科学基金(12102398)

国家自然科学基金(12172226)

出版年

2024
中国科学(物理学 力学 天文学)
中国科学院

中国科学(物理学 力学 天文学)

CSTPCD北大核心
影响因子:0.644
ISSN:1674-7275
参考文献量8
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