【毕业设计】水下自主航行器结构设计.doc

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1、分类号 密级 UDC 本 科 毕 业 设 计 水下自主航行器结构设计完整设计图纸，源代码，程序代码，毕业论文，外文翻译，任务书，开题报告，答辩PPT,需要请联系QQ68661508 学生姓名 学号 指导教师 院、系、中心 工程学院机电系 专业年级2011级机械制造及其自动化专业 论文答辩日期 2015 年 6 月 4 日 中 国 海 洋 大 学水下自主航行器结构设计 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要海洋是人类尚未完全开发的巨大宝库，有效的利用海洋及湖泊的资源对于人类的生存和发展至关重要。水下机器人在水下资源的开发与探查、民用方面搜救与科研、军事侦察与对抗等方面都是非常重要

2、的组成部分。水下机器人由于其独特的水下环境适应性、相较于人工的方便性等优势，目前已经成为当今社会的热门研究领域。本文根据设计任务书，设定水下自主航行器的技术指标，针对水下自主航行器分层设计，主要进行水下自主航行器的结构设计，水下自主航行器的耐压壳体设计，其中包括耐压壳体的材料选用、计算校核、密封设计以及观察窗的设计；水下自主航行器推进装置与舵的设计，其中包括推进器排列设计、推进器的选用、系统与舵的设计、密封设计；水下自主航行器的防腐蚀设计。对于水下自主航行器具体的设计从分层设计入手，由上至下进行设计，分别采用具体设计、概念设计、预留空间等设计方法。初步设计的具体方法为：判别设计要求之后，结合前

3、人所做的数据分析，从多种设计方案中选用最优的设计方案进行进一步的研究，随后选用经验公式进行初步的校核，完成初步的设计。为了更好的研究AUV的水下性能，本文选用solidworks的SimulationXpress功能对AUV进行静态分析，主要对于AUV的耐压壳体、舵进行校核，就压力、变形以及安全系数三个大体方面进行分析。通过对于耐压壳体、舵整体施加压力，划分网格，进行静态分析。对设计完成的AUV进行基于Ansys Workbench三维动态分析，模拟AUV附近流场的运动，划分网格、设定边界条件，分析得到结果，将分析得到的结果与经验公式的计算值相比较，综合考虑速度与压力等因素，验证设计的安全可行

4、性。设计合理则采用，反之修改设计，最终完成AUV的整体结构设计工作。关键词：自主水下航行器；结构设计；有限元分析；仿真模拟AbstractThe ocean is a huge untapped treasure trove of humanity, including many freshwater lakes deep water, efficient use of resources of the ocean and lakes for human survival and development is essential. Underwater robots in developmen

5、t and exploration, the civilian aspects of search and rescue and scientific research, the military reconnaissance and underwater resources and other confrontation is very important part, because of its unique underwater robots underwater environmental adaptability, compared to artificial convenience

6、 and other advantages, has become a hot research field in todays society.According to the design plan, setting AUV technical indicators, the AUV hierarchical design, mainly for AUV structural design, some involved are AUV withstand voltage housing design, including pressure hull material selection,

7、calculation check, seal design and the design of the observation window; AUV propulsion device and rudder design, including the choice of propeller arrangement design, propulsion, system and rudder design, seal design; corrosion design the autonomous underwater navigation.For AUV specific design lay

8、ered design from the start, top-down design, respectively specific design, concept design, space for other design methods. Specific methods for the preliminary design: After determining the design requirements, combined with previous data analysis done, the choice of the optimal design for further r

9、esearch from a variety of designs, and then make a preliminary selection of empirical formulas check, complete the preliminary design.In order to better study AUV underwater performance, paper selects the SimulationXpress function solidworks AUV static analysis, mainly for AUVs pressure hull, rudder

10、 be checked, conducted on pressure, deformation and safety factor of three in general terms analysis. Through the pressure hull, the overall pressure on the rudder, mesh, static analysis.AUV completed the design based Ansys Workbench three-dimensional dynamic analysis, simulation of flow field aroun

11、d AUV motion, mesh, set the boundary conditions, analyze the results obtained, will analyze the results of the empirical formula calculated values obtained are compared, considering speed and pressure and other factors, to verify the feasibility of the design safety. Rational design is used, otherwi

12、se modify the design, the final completion of the overall structure of AUV design.Keywords: Autonomous Underwater Vehicle; structural design; FiniteElement Analysis; simulation目录1 绪论11.1 研究背景及意义11.2 水下机器人概述21.2.1 水下机器人分类及特征21.2.2 国内外研究现状21.3课题主要内容51.3.1 研究目的51.3.2 研究内容51.3.3拟解决的关键问题51.3.4 研究方法62 AUV

13、整体结构设计72.1 AUV设计参数及分层设计72.1.1 AUV设计参数72.1.2 AUV分层设计82.2 AUV耐压壳的设计82.2.1 耐压壳的整体形状设计82.2.2 耐压壳体内部空间划分设计92.2.3 耐压壳体的材料102.2.4 耐压壳体的计算102.2.5 耐压壳体的密封112.3 观察窗的设计122.4 本章小结133 AUV分层系统设计143.1 AUV推进装置与舵143.1.1 推进器的排列设计143.1.2 推进器的选用153.1.3 推进系统与舵的设计163.1.4 AUV推进系统与舵的密封设计173.2 能源系统设计183.3 AUV防腐蚀193.4 本章小结19

14、4 关键部分校核与分析214.1 关键部位的校核214.1.1 电机与舵机连接轴的校核214.1.2 稳心的校核224.2 基于solidworks的静态分析224.2.1电机与舵机连接轴的分析224.2.2 AUV耐压壳主体分析264.2.3 AUV舵的分析294.3 基于Ansys Workbench的AUV动态分析324.3.1 网格划分324.3.2 边界条件的设定334.3.3 分析结果334.4 本章小结36全文展望与总结37参考文献39致谢41V致谢1 绪论1.1 研究背景及意义从人类赖以生存的资源出发，世界经济的发展、人口的增加导致人类对于资源的需求与日俱增，而海洋覆盖了地球约

15、百分之71的面积。海洋蕴含着丰富的资源，是一片尚未完全开发的宝地，世界各国对于海洋资源的争夺与开发已经愈演愈烈，而开发海洋需要各种海洋设备的支撑。海洋具有丰富的资源，海洋生物可以食用、药用、科研、娱乐观赏与提取生物能等；海洋潮汐、温差等物理资源可以用于发电；海洋中的化学资源，例如海水中的淡水、痕量元素（金、铀、氘、溴、碘、镁、钾等）、化合物（食盐、芒硝、石膏、重水、卤水等）等；海洋中的矿物资源（锰核、石油、天然气、矿砂、底砂等）；以及海洋的空间资源等1。海洋的竞争是新一轮的国际竞争，开发海洋需要高技术手段，对于海洋的开发与保护是维护可持续发展与国家安全的必然要求。由于人的潜水深度有限，水下机器

16、人成为代替人类进行水下的作业的重要工具，目前开发海洋的工作离不开水下机器人的发展。从民用方面出发，水下机器人技术的发展为安全搜救、管道检查、科研教学、水下娱乐、能源产业、考古、渔业等方面提供了科技的支持，使得安全检测工作、水下拆装工作、走私物品检测、水下目标观察、水下证据搜寻、海底打捞、海洋考察、水下考古、深水网箱渔业养殖等工作能够顺利展开。从军事方面出发，21世纪的海上力量离不开水下机器人的发展，在9个重点的方面：情报/监视/侦察（ISR）、水雷对抗（MCM）、反潜战（ASW）、检测/识别（ID）、海洋学、通信/导航网络节点（CN3）、有效载荷发送、信息战（IO）、时敏打击（TCS），我们都

17、需要依赖水下机器人的高技术力量。目前水下机器人向着深海远程、导航通讯一体化、隐蔽性、小型化、智能化、灵活的机动性和多使命的重构性、多AUV协调工作等方面发展。1.2 水下机器人概述1.2.1 水下机器人分类及特征水下机器人可以粗略的分为两类，一类为载人的有人潜器，例如我国的“蛟龙号”，另一类为无人潜器。无人潜器可以分为有缆潜器与无缆潜器，有缆潜器可由岸基或者母船供能运行，但是无法离开岸基或者母船太远，同时，缆线也是制约有缆潜器的关键。有缆潜器可分为遥控型和拽航型，遥控型又可分为海中浮游型与海底行走型，拽航型也可分为海中拽航型与海底拽航型；无缆潜器可分为监控型与完全自主型，完全自住型分为智能型与

18、预编程型两种。另外按照用途、运动方式、控制方式等也可将水下机器人划分为不同种类，在此不一一叙述。1.2.2 国内外研究现状水下机器人在军事以及国民经济中发挥重要的作用，国内外对于水下自主航行器的研究与发展给予了高度的重视。水下自主航行器（AUV）自二十世纪开始发展于七十年代步入发展探索阶段，并于八十年代进入原型设计和设计阶段，概念验证原型POC得到开发、检测和应用，这时候的AUV处于初时原始阶段，体型臃肿、效率迟缓、造价昂贵。这种情况持续到九十年代，其发展由原型进入样机阶段，AUV的发展与微电子科技、计算机技术、自主智能科技、小型化航线控制设备、控制科技等息息相关，九十年代众多技术为AUV的发

19、展奠定了科技支持促进其走向成熟。世界范围的自主航行器在国家支持下持续进步。美国的AUV技术发展起始于Rebikoff的SEA SPOOK和美国华盛顿大学SPURV，同时这也是世界AUV的起始。美国存在年度的大学AUV竞赛，也有年度海上“Demonstration”AUV盛会，全国十余所AUV研究前沿机构参会。国内拥有WHOI、MBARI、MIT、MPS、APL、FAU等多所知名AUV研究机构。产品包括在伊拉克战争中大放异彩的REMUS（图1-1）系列、科考用的ABE（图1-2）型号、高性能小型AUV-BPAUV（图1-3）等。并且在国家层面具有“海军无人潜航器计划”等战略计划，北约也有M020

20、15无人水下航行器发展计划。日本作为岛国一直重视海洋的开发，是深海AUV开发的强国，1995年“海沟”作为当年的世界纪录保持者，下潜深度达到10911m，其他AUV拥有如在海洋调查方面的R1Robot、Twin-Burgerl&2、PTEROA150&250（图1-4）等型号AUV，总体偏向民用深海开发，拥有三菱重工业公司等领军公司机构；UK较著名的有BAE系统公司的护身符（图1-5）军用多功能AUV；韩国拥有科研用AUVOKPO-6000、VORAM.SAUV、KRISO等；俄罗斯也自二十世纪60年代开始研发，拥有如军用MT-88号、MIR1、MIR2（图1-6）等多个型号的AUV；挪威拥有

21、自身的军用AUV发展计划，并且拥有HUGIN（图1-7）系列等AUV；加拿大的大型“Thesues”AUV在执行北冰洋海底光缆铺设时大放异彩，同时拥有RAY、Sunfish等AUV；AUS拥有“海龟”用以水下研究以及“Wayamba”等AUV8。中国AUV的发展围绕两核心，一是中科院沈阳自动化研究所、中船重工702所、中科院声学院、哈尔滨工程大学共同研发的探索者号，以及中国大洋矿产资源开发研究协会支持的中科院沈阳自动化研究所以及俄罗斯合作的“CR-01”（图1-8）和“CR-02”AUV；二是以哈尔滨工程大学、702所、709所、HUST合作的“Intelligence Water class

22、(智水)”AUV。同时国家层面具有“863”计划9。目前AUV的发展依然存在着通信问题、能源问题、控制问题以及经济性问题，由于水下机器人在海洋开发以及新时代军事对抗的需求，21世纪海上力量的发展离不开AUV的发展，深海远程、智能化等7个方向，以及情报/监视/侦察能力（ISR）、海洋学能力等9大重点能力是当代AUV发展的趋势，以及很多研究机构的努力方向。图 1-1 REMUS 图 1-2 ABE图 1-3 BPAUV 图 1-4 PTEROA150图 1-5 Talisman 图 1-6 MIR2图 1-7 HUGIN图 1-8 CR-011.3课题主要内容1.3.1 研究目的完成水下自主航行器

23、的本体结构设计，搭建水下探测传感器的运行平台，进行浅水淡水域水下自主航行器本体结构的通用化、模块化的研究，确定在多种功能要求下的通用AUV总结构框架的最优设计。研究水下自主航行器的整体结构设计，采用通用型的设计，方便控制、导航以及能源等模块的加入以及拓展，为日后海洋大学的水下自主航行器的结构研究提供参考样本，及其他部分的研究提供搭载平台。1.3.2 研究内容课题的主要研究内容为：（1）AUV主体的具体几何参数设计、三维设计、仿真分析。（2）AUV推进方式设计，确定动力源以及传动方式，选用相关零部件。（3）AUV舵机系统设计，设计传动方式、连接方式以及AUV的运动控制方式。（4）AUV观察窗设计

24、，传感器舱的设计。（5）AUV动密封方式的研究与设计，应用于AUV主壳体连接处，以及推进系统、舵机系统与观察窗部位。（6）关键部位的强度校核以及AUV整体的流体分析。本文主要用到结构分析、流体分析以及强度校核设计等知识，因此采用理论分析与计算机仿真结合的方式研究。1.3.3拟解决的关键问题本课题研究水下自主航行器的结构设计，运用机械学的知识拟采取多种方案取优，并通过ansys等相关软件进行AUV的流体分析。主要设计水下自主航行器的结构，对于水下自主航行器的结构形体设计，研究外部形态设计，多重考虑水压等因素；设计内部空间划分，为水下自主航行器搭载其他系统预留空间。拟解决的关键问题：（1）耐压舱壁

25、厚的优化设计。（2）关键部件的强度校核。（3）AUV结构的通用化设计。1.3.4 研究方法本课题研究AUV的结构，该机器运作时具有多个系统共同工作，包括推进器系统、舵、耐压壳、控制系统、能源系统、导航系统、传感器系统、螺旋桨推进器，各个系统具有多种选择方案，例如推进器系统使用螺旋桨装置、喷水装置或者矢量装置等。对于AUV以具体功能为单位进行分析，合理安排设备内外空间；通过优化设计对不同方案组合选优创建本体结构模块划分与设计。利用相关软件进行强度与刚度的校核。2 AUV整体结构设计2.1 AUV设计参数及分层设计2.1.1 AUV设计参数本课题旨在依据项目说明书，设计研制一套AUV传感器系统、控

26、制系统的搭载平台，为日后研究AUV整体设计提供样本以及为具有具体使命的AUV提供搭载平台。1. 水平航速选择：一般浅水域AUV航速在1-5节，本文设计的AUV选用航速1.5-3.5节。2. 运动自由度：设计AUV需要实现5个自由度的运动，在X轴上的进退运动；在Y轴上的升沉运动；绕X旋转的横摇运动；绕Y轴旋转的纵摇运动；绕Z轴旋转的摆艏运动。3. 工作深度及最大下潜深度：工作水深为AUV正常作业的深度，最大下潜水深是AUV极限作业深度，可以做短时间的作业以及航行，极限水深不是破坏水深。本课题选择作业水深20m，极限作业水深25m。 4. 航线控制方式：使用无线电波遥控以及预设程序相结合，靠近水面

27、时使用无线电波控制，水下按照预设程序工作。5. 整体尺寸：结合前人研究，AUV体长与横径比在57范围的流线型AUV外形结构能在很好的削弱阻力。出于稳定性考虑，本课题设计采取1:6比例，1.5m * 25cm。6. 最大续航能力：本文AUV预计最大续航能力2h。技术指标表格如表2-1所示：表2-1 AUV设计技术指标水平航速（节）1.5-3.5运动自由度 5工作深度及最大下潜深度（m）20/25航线控制方式预设程序/无线电波整体尺寸1.5m*25cm最大续航时间（h） 22.1.2 AUV分层设计AUV整体可依据功能划分为7个部分，分别为推进器系统、舵、耐压壳、控制系统、能源系统、导航系统以及传

28、感器系统。依据设计说明书的要求，将AUV整体结构的7个部分划分为4个层级，作为设计的指导，优先级依次递减，如表2-2所示：表2-2 AUV整体结构层级划分第一层级耐压壳的设计第二层级推进器系统、舵的设计第三层级能源系统的设计第四层级控制、导航、传感器系统的设计第一层级的耐压壳设计与第二层级的推进器系统和舵的设计为主体设计，优先完成；第三层级的能源系统初步设计，设置大体的重量以及空间；第四层级控制系统、导航系统、传感器系统的设计为预留空间，由需要使用此搭载平台者自行完成。2.2 AUV耐压壳的设计2.2.1 耐压壳的整体形状设计耐压壳体的整体设计必须参照各方各面以达到任务的要求：1. 阻力小，航

29、行性能好；2. 具有足够的强度；3. 便于内部结构的整体布置；4. 良好的工艺性，方便加工。无缆水下机器人由于其没有电缆提供能源，出于减小行动阻力，降低能能耗的考虑，AUV通常做成流线型形体，更多的使用球形或者鱼雷型。球形耐压壳体形体其重量-排水量比较小，受力方便计算校核，但不利于整体空间安排，水下行驶较为困难；鱼雷型耐压壳体易加工制造、内部空间利用率最高、流体运动阻力小，但重量-排水量比较高、内部需要肋骨加强。根据任务说明书，该AUV整体结构设计用于提供平台，出于加工以及内部空间、行程阻力考虑，采用鱼雷型设计。下面对比不同鱼雷外型对于AUV整体水下性能的影响，根据鱼雷型的特点，头尾分别选用不

30、同的过渡形式，半圆形与流线型过渡，可将其分为四类，具体为2-1至2-4四模型形式展现：图2-1 模型一 图2-2 模型二图2-3 模型三 图2-4 模型四据研究，模型三所示头尾皆采用流线型的耐压壳形体阻力最小，但需要最大的特征长度，致使AUV尺寸过大；模型二所示头尾均采用半圆形过渡虽然特征长度最小，但会导致阻力过大；模型四的AUV形体，在特征长度较大的情况下还会导致AUV行驶阻力较大；模型一所示的耐压壳形体行驶阻力较小并且具有适中的特征长度，选择其作为最优耐压壳形体2。2.2.2 耐压壳体内部空间划分设计本设计采用鱼雷型设计，头部采用半圆形设计，尾部采用流线型过渡设计。AUV整体可以划分为7个

31、部分，考虑需要保证AUV的稳定运行，应保持一定的稳心高度，重心以及浮心需在同一垂直位置且浮心高于重心7cm以上。考虑AUV各部分的具体功能以及运作方式，初步设计AUV的耐压壳体内部划分如下图2-5所示：传感器舱舱体1舱体2舱体3舵机舱图 2-5 耐压壳体内部区域划分初步设计为传感器以及观察窗安装于传感器舱与舱体1前段，舱体1与舱体2部分位置安装控制系统与导航系统以及前舵机，舱体3用于安装能源系统与部分推进器系统，舵机舱用于安装后舵机与部分推进器系统。2.2.3 耐压壳体的材料目前高强度的铝合金已经广泛用于制作中小型水下机器人的耐压壳体和框架，铝合金的比重较小，与其他的金属材料相比，可以在相等W

32、/V值的情况下获得更深的工作深度，以及在更小的W/V值的情况下获得更大的负载能力。本次设计采用Al-Mg-Si系热处理强化合金6061铝合金，国内牌号LD30，机械性能如下表2-3所示： 表2-3 机械性能6061铝合金状态b 兆帕0.2 兆帕HBTb31027517952.2.4 耐压壳体的计算耐压壳体需要确保壳体的强度及形状的稳定性，水下的耐压壳体厚度与曲率半径之比很小，可以视作薄壳结构计算，以保证壳体的应力小于许用应力。本次设计采用有限元分析的方法对于耐压壳体进行静态分析，同时分析其表面强度，分析过程及结果将在后文中提及。本节主要进行耐压壳体的稳定性校核，按照破坏的情况划分，可将受外压的

33、圆柱形壳体分为长圆筒和短圆筒，划分按照下述公式（2-1）确定： （2-1）公式成立，圆柱型壳体为长圆筒，可以忽略边界对于稳定性的影响，其压扁时波数为2，临界压力仅与圆柱壁厚与圆柱的外径之比有关，与其长度无关。反之，圆柱型壳体为短圆筒，必须考虑边界对于壳体稳定性的影响，临界压力与圆柱壁厚、圆柱长度、圆柱外径皆有关。本次设计AUV取壁厚5mm，截面直径250mm，整体AUV舱体长取1.5m，代入上述公式得：L=1500mm4.0D=5000mm圆柱型壳体为短圆筒，使用米塞斯（mises）公式计算临界压力，实际工程上常用由米塞斯公式推导出的简化公式拉姆公式（2-2）代替米塞斯公式计算短圆筒的临界压力

34、值： （2-2）根据材料性质，6061合金的弹性模量为68.9GPa，代入（2-2）式计算得：Pcr=2.5968.9109/（1500250）Pa=0.34MPa20m水深处压力约为0.296MPa，25m处约为0.34MPa，满足稳定性条件，耐压壳体尺寸选用合理。2.2.5 耐压壳体的密封耐压壳体内装有控制、导航以及探测装置，于水下进行作业时需要较高的封闭能力，保证没有丝毫的泄露，确保机器里装有的零件隔离水的侵蚀。同时耐压壳体必须有可拆卸的封头，自主航行器在结束指定任务之后，必须时常维护检测。综上，要求AUV封头两个表面进行安全可靠封闭。本设计采用“接触密封法”使用密封元件O型圈进行密封，

35、O型圈在丧失变形复原性或初始的压缩之前可进行更换，而且成本较低、耐腐蚀性好、寿命长、弹性好，具体设计如图2-6至2-9所示：图2-8三维密封示意1 图2-9三维密封示意2图2-6二维密封示意1 图2-7二维密封示意2图2-6,2-7为二维CAD图纸，图2-8,2-9为三维模型。如图2-5所示，耐压壳具有多个舱体，传感器舱与舱体一、舱体3与舵机舱采用图2-7与图2-9所示的密封方式，舵机舱螺纹孔开在坡面；舱体1与舱体2、舱体2与舱体3采用图2-6与图2-8所示的密封方式。2.3 观察窗的设计水下自主航行器需要通过耐压壳上的观察窗把水下观察对象的对应影像传输给摄像机镜头，同时观察窗需要保持连接部位

36、的密封性能。观察窗玻璃其光学性能应当较好，不含条纹、内应力等，能抵抗外部水压并且外部不产生形变。观察窗具有三种结构形式，平圆盘形、截锥形与球扇形。平圆盘形（图2-10）易加工安装，并且成本低，但其视界小、承受能力低，边缘易出现高弯曲应力，低压面中心易产生裂纹；截锥形（图2-11）是水下机器人普遍采用的观察窗，承载能力与视界范围优于平圆盘形，密封由接触面通过O型圈高压密封实现；球扇形（图2-12）不改变视场角，没有畸变和色散，即折射引起的光学失真，应力为均压应力，且数值较小，球扇形承载能力较高，但是要求加工精度较高，安装的位置精度要求也较高16。图2-10 平圆盘形 图2-11 截锥形图2-12

37、 球扇形 图2-13 观察窗设计图 综合考虑本设计鱼雷型AUV的头部设计与观察窗安装问题，采用球扇形观察窗，材料选用有机玻璃（丙烯酸塑料），相较于石英玻璃与钢化玻璃具有更好的韧性，并且变性前能提前预知，可以作为检测依据及时更换观察窗玻璃元件，观察窗整体设计具体于图2-13展示。2.4 本章小结本章就AUV的整体结构出发，研究AUV内部系统，将其划分为7个系统。根据设计任务任务说明书，将AUV的7个系统按在结构设计中的重要程度划分为四个层级。完成了第一层级耐压壳体的设计，其中包括耐压壳体的形体设计、材料选用、分析计算以及密封设计，划分内部空间，为具体系统设计提供平台。3 AUV分层系统设计3.1

38、 AUV推进装置与舵推进器系统与舵为第二层级的设计，AUV整体的运动通过推进装置与舵实现，并且含有很多的机械设计部分，是结构设计的关键部分。3.1.1 推进器的排列设计按照设计要求，水下自主航行器需要实现5个自由度的运动，考虑多种设计方案，可以采用多推进器的方式实现AUV的水下自由运动；可采用单推进装置结合舵的形式实现设备的水下自由运动。多推动装置方式实现AUV的运动，可采用5个推动装置，具体排列是为下图3-1展现，通过操纵五个推动装置工作状态，停止、正转与反转以实现AUV五个自由度方向的运作。推进器3、5控制进退；推进器1、2、4控制升沉；推进器1、2控制横摇；推进器1、2、4控制纵摇；推进

39、器3、4控制摆艏。1-推进器 2-推进器 3-推进器 4-推进器 5-推进器图3-1 推进方式112534单推进器配合舵机控制也可实现AUV的自由运动，采用四个舵配合推进器使用，如图3-2所示，通过推进器5控制AUV的进退，通过舵机控制控制舵1、2与推进器5配合完成升沉与纵摇运动，通过舵机控制舵3、4与推进器5配合完成横摇与摆艏运动。1-前置舵 2-前置舵 3-后置舵 4-后置舵 5-推进器图 3-2 推进方式212543综合考虑，选用第二种方案，该方案减小了运动的阻力，减少了AUV的成本，并且舵的使用提供了类漂浮器的效果，该点下文详述。整体外形方案三维图是为下图3-3展现：图3-3 推进方式

40、三维示意图 3.1.2 推进器的选用推进器系统可以选用多类推进器作为水下自主航行器的动力源提供航行所需的动能，初步考虑推进器种类有电机推进器，液压推进器，喷水推进器与矢量推进器。中小型的水下自主航行器广泛采用电机推进器，直流电机成本较低，无刷直流电机随着电子技术的发展，近年的使用日渐兴起，运行可靠，维护简单；液压推进器具有良好的无极调速，并且易实现密封，成本低，安全性能好，多在大中型水下机器人中使用；喷水推进器利用高速水流反作用提供动力，水下机器人的操控较为简单，但在水中杂物或者水草较多区域，易被赌赛影响航速；矢量推动装置可以改变推进方向以及推进量，但要求较高。综合考虑，本文选择电机推动装置作

41、为AUV的动力推进装置，结合螺旋桨于尾部推动完成航行。当水下自主航行器按照预设航速前进时，推力可根据下式（3-1）计算： （3-1）其中：水的密度，A潜器横截面积，CD拉力系数，取0.8。此AUV横截面积： A=pi*R2 半径R=0.125m 代入得此推动需要的推动装置功率是为： 取速度为4节，约合v=2m/s，代入计算得：P=1/2*1000kg/m3*v3*A*0.8=114.51w考虑电机带动过程中的损耗，选用maxon的EC45，150w，24v，编号136198电机，配套使用GP42，42，315nm行星齿轮箱，HEDL9140光电编码器。螺旋桨选用健正模型P15008-4-L-M

42、F螺旋桨。3.1.3 推进系统与舵的设计推进系统使用电机通过联轴器带动电机传动轴运动，从而带动螺旋桨运动，速度由控制模块中预编程序或无线电波控制，如图3-4所示。图3-4 推进器系统二维图电机连接轴为阶梯轴，使用两个角接触滚动轴承进行限位，三维图如图3-5所示。本文水下自主航行器通过推进器系统提供动力，由舵完成整体方向的控制，完成直行、变向等动作。图3-5 推进器系统三维图本次设计采用如图3-2所示舵的布置，将调整AUV升沉的两侧舵置于中部近前端，起类似水下滑翔翼的效果。传统的水下滑翔器在水中只能遵循锯齿形轨迹航行，航线控制和定位精度低，更甚者会出现随波逐流的现象，但滑翔器的设计巧妙的利用了物

43、体的重力与浮力，使其转化为驱动力，显著减少了水下航行器航行所需的能量，航行时间能达到一年11。图3-6 舵机系统二维图 图3-7 舵机系统三维图本次设计将部分滑翔器的优点与水下自主航行器相结合，可以在一定程度上减少水下自主航行器的能耗，增大续航时间。使用舵机齿轮驱动舵的运动，通过控制系统完成精确导控，具体由图3-6展示。舵机系统分为前后两系统，传动原理一致，前置舵机系统采用斜齿轮带动，后置电机采用直齿轮带动，三维图如图3-7所示。舵机系统与螺旋桨系统是水下自主航行器的重要部分，为达到航行阻碍较小，本文将舵叶片设置为流线型，图3-8为示意图，前置舵，后置舵叶片分别同步，两水平舵片、两垂直舵片之间无差动舵角。图3-8 舵系统叶片示意图3.1.4 AUV推进系统与舵的密封设计推进系统的密封设计采用密封圈加旋转压力密封的方式，壳体使用O型圈保证静密封，轴部采用旋转压力密封加青铜进行动密封。如图3-9，3-10。舵系统密封与推