章遠(yuǎn)香

(中船重工715所,浙江杭州 310012)

AUV探測(cè)段的模塊化設(shè)計(jì)

章遠(yuǎn)香

(中船重工715所,浙江杭州 310012)

本文介紹了AUV探測(cè)段的結(jié)構(gòu)組成,為了實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)探測(cè)功能,對(duì)探測(cè)段的進(jìn)行了功能分解,對(duì)各部分進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì),各模塊和平臺(tái)間采用相同的標(biāo)準(zhǔn)接口,可根據(jù)探測(cè)任務(wù)的需求,對(duì)各種模塊進(jìn)行加載,這樣既能保證完成探測(cè)任務(wù),又能滿足平臺(tái)的加載能力。

AUV 探測(cè)段 模塊化

1 引言

近年來(lái)，由于海洋工程和近海石油開發(fā)的需要，代表水下機(jī)器人發(fā)展方向的AUV得到了快速發(fā)展，AUV廣泛應(yīng)用于海洋救助與打撈、海洋資源調(diào)查、海洋石油開采、水下工程施工、軍事國(guó)防建設(shè)等諸多方面，已產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，具有潛在的應(yīng)用前景。從長(zhǎng)遠(yuǎn)目光看，AUV向著智能化、遠(yuǎn)程化邁進(jìn)，作為海洋開發(fā)的重要工具，要保證能夠在復(fù)雜的海洋環(huán)境中高效、安全的工作，設(shè)計(jì)開放式AUV平臺(tái)，各種功能模塊化加載，就能使AUV平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)不同的探測(cè)任務(wù)，從而有效地降低了成本，本文應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了AUV探測(cè)段的模塊化設(shè)計(jì)。

2 模塊化設(shè)計(jì)理念

產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)就是將產(chǎn)品分成幾個(gè)模塊，每個(gè)模塊具有獨(dú)立的功能，具有一致的幾何連接接口和一致輸入、輸出接口的單元，相同種類的模塊在產(chǎn)品族中可以重用和互換，相關(guān)模塊的排列組合就可以形成最終的產(chǎn)品，通過(guò)模塊的組合配置，就可以創(chuàng)建不同需求的產(chǎn)品，滿足客戶的定制要求，相似性的重用，可以使整個(gè)產(chǎn)品生命周期中的采購(gòu)、物流、制造和服務(wù)資源簡(jiǎn)化。

圖1 AUV探測(cè)段模型集成圖

圖2 AUV探測(cè)段組成示意圖

圖3 AUV探測(cè)段模型示意圖

表1 AUV模塊重力、浮力、重心、浮心表

AUV探測(cè)段是加載到AUV平臺(tái)上的，平臺(tái)為其提供功率，由于探測(cè)任務(wù)的多樣化，探測(cè)段加載的模塊就具有多樣性，全部集成在一起，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)的尺寸和功率都比較大，而導(dǎo)致整個(gè)AUV的尺寸和所需功率的增大，因此對(duì)AUV探測(cè)段提出模塊化設(shè)計(jì)，將AUV探測(cè)段模型分成多個(gè)模塊，而根據(jù)探測(cè)任務(wù)的需要，加裝相關(guān)的模塊。

如圖1所示，假設(shè)AUV探測(cè)段模型1有4個(gè)模塊(A、B、C、D)，可以通過(guò)對(duì)這4個(gè)模塊的操作重新構(gòu)成另一個(gè)具有不同任務(wù)要求的AUV探測(cè)段模型2，圖1顯示了每個(gè)操作對(duì)模塊化系統(tǒng)的影響，模型1中模塊A在模型2中被沿用并成為模型2的一部分；由于探測(cè)任務(wù)的不同，模型1中模塊B被去除；3個(gè)可互相替代的因素構(gòu)成了模塊系列C，考慮成本等因素，可選擇模塊C系列中的1個(gè)作為AUV探測(cè)段模型2的一部分，考慮到探測(cè)任務(wù)的不同，在模塊2中增加了模塊E，模塊D在模型2種的用途被改變了。

3 探測(cè)段的模塊化設(shè)計(jì)

3.1 探測(cè)段的組成

探測(cè)段是AUV的負(fù)載段，實(shí)現(xiàn)探測(cè)功能，平臺(tái)總體技術(shù)主要研究微小空間總體結(jié)構(gòu)布局及設(shè)計(jì)、小型航行體流體動(dòng)力外形設(shè)計(jì)、大深度承壓密封設(shè)計(jì)等內(nèi)容。重點(diǎn)解決平臺(tái)模塊化、接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，以構(gòu)建開放式AUV平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能擴(kuò)展性和執(zhí)行多樣性探測(cè)任務(wù)。

探測(cè)段采用干式結(jié)構(gòu)，殼體為耐壓殼體，用來(lái)裝置電子元器件及探測(cè)設(shè)備，以保證它們不會(huì)因?yàn)楹Ｋ膲毫透g而損壞，因此耐壓殼體要有足夠的強(qiáng)度和可靠的密封，同時(shí)，耐壓殼體也是浮力的主要提供者，而它的重量也占可AUV重量的很大比例，所以耐壓殼體的結(jié)構(gòu)形式，強(qiáng)度和密封，對(duì)AUV是至關(guān)重要的。探測(cè)段耐壓殼體采用鑄鋁成型。各模塊間采用不銹鋼環(huán)箍，模塊連接采用O形圈靜密封。拆卸簡(jiǎn)單、快捷。

如圖2所示，探測(cè)段按功能分成4個(gè)模塊，各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，具有標(biāo)準(zhǔn)的接口，模塊A主要安裝避碰聲納、水密插座、UTD等，模塊B是探測(cè)段的控制中心，模塊C安裝了側(cè)掃聲納，模塊D安裝了多波束聲納。

3.2 探測(cè)段的模塊化設(shè)計(jì)

探測(cè)段與平臺(tái)實(shí)現(xiàn)模塊化接口，探測(cè)段本身需加載多波束、側(cè)掃，避碰等負(fù)載，考慮到整個(gè)AUV的性能，將各個(gè)負(fù)載分成不同的模塊，根據(jù)探測(cè)任務(wù)的需要，將不同的模塊進(jìn)行加裝。如圖3所示，AUV探測(cè)段模型1加裝了模塊A、B、C；模型2加裝了模塊A、B、D，模型1能實(shí)現(xiàn)避碰、側(cè)掃等功能，模型2能實(shí)現(xiàn)避碰、多波束等功能。

為了保證AUV穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)保證有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機(jī)器人穩(wěn)心高度應(yīng)大于7厘米，在模塊化設(shè)計(jì)中，要計(jì)算出各個(gè)模塊的重心、浮心，設(shè)計(jì)中使各個(gè)模塊的重浮心基本上都能滿足要求，并在合適的位置預(yù)留配重空間，將各個(gè)模塊的重浮心列成表格，以方便配置模型時(shí)與平臺(tái)總體進(jìn)行核算。

各個(gè)模塊分別以各模塊前端中心點(diǎn)為原點(diǎn)，軸向朝后為x方向，豎直向上為z方向，右手定則水平方向?yàn)閥方向。如表1所示，分別列出了各個(gè)模塊的重力、浮力、重心、浮心。

模型的重心、浮心按下列公式計(jì)算：

重心位置：

浮心位置：

需要注意的是，計(jì)算模型重浮心時(shí)，須將坐標(biāo)系合成統(tǒng)一的坐標(biāo)系。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)理念運(yùn)用到AUV探測(cè)段的設(shè)計(jì)中，對(duì)AUV探測(cè)段實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，使AUV平臺(tái)成為了一個(gè)開放式平臺(tái)，探測(cè)段模塊化設(shè)計(jì)，使平臺(tái)的負(fù)載能力得到了充分的利用，也為平臺(tái)的負(fù)載能力擴(kuò)展提供了空間。

[1]蔣新松等編著.水下機(jī)器人.遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2000.11.