CN103419915A - 一种浅水观察水下机器人的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅水观察水下机器人的装置，电子舱是水下机器人装置的主体，透明导流罩连接电子舱，安装在电子舱的两端，电池舱设置在电子舱上，电池舱密封头连接电池舱，安装在电池舱的两端，推进器与照明灯舱通设置在电子舱上，左右对称安装于电池舱上方，照明灯罩连接照明灯舱，推进器通过O型圈密封套在推进器与照明灯舱的尾端，把手固定在电子舱上，脐带缆连接端口设置在电子舱体上。本发明通过对电子舱材质选用PVC，提高了电子舱的强度和耐压性，通过对电子舱、照明灯罩、把手、脐带缆连接端口、推进器、推进器与照明灯舱、电池舱、电池舱密封头、透明导流罩的稳定性分析，确定本发明的水下机器人的稳定性，提高了国内的制作水平。

Description

一种浅水观察水下机器人的装置

技术领域

本发明属于水下机器人研究的技术领域，尤其涉及一种浅水观察水下机器人的装置。

背景技术

水下机器人是一种有缆水下机器人，水下机器人的雏形是几个美国人想要观察神秘的海底世界，于是在上世纪50年代，他们将普通摄像机密封在防水壳体内将摄像机送入了海底，形成了第一代第一个浮游式有缆潜水器。而世界上真正意义上的第一个水下机器人是1960年美国研制的“CURV”。“RCV-125”是世界上第一个商业化的水下机器人,于1975年问世。“RCV-125”属于观察型水下机器人，因为外形像一只球，所以又称作“眼球”。小型水下机器人多数是低成本的水下机器人，其中大部分是以电力为能源，正常工作水深在300米或300米以下。这类潜水器主要任务是检测和观察。目前由于电力能源系统技术的改善，小型水下机器人得到了快速发展，在容量、深度和性能方面得到了显著调高。目前小型水下机器人在水下娱乐、打捞救助、水产养殖、科学研究、大坝和水路及港口检测、城市地下管道检测、水下训练和航运及核设施检查、近海检查和观测任务等方面得到了广泛的应用。

目前国内小型水下机器人有天津市斯卡特科技有限公司的MINI75C和MINI150C，上海交通大学水下工程研究所的用于核工业无损检测的水下机器人。

目前，国内的水下机器人发展相对比较落后，水下机器人的种类比较少，应用型的水下机器人稳定性较差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种浅水观察水下机器人的装置，旨在解决现有的国内机器人技术比较落后，稳定性差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种浅水观察水下机器人的装置，该浅水观察水下机器人的装置包括：电子舱、照明灯罩、把手、脐带缆连接端口、推进器、推进器与照明灯舱、电池舱、电池舱密封头、透明导流罩；

电子舱是水下机器人装置的主体，透明导流罩连接电子舱，安装在电子舱的两端，电池舱设置在电子舱上，电池舱密封头连接电池舱，安装在电池舱的两端，推进器与照明灯舱通设置在电子舱上，左右对称安装于电池舱上方，照明灯罩连接照明灯舱，推进器通过O型圈密封套在推进器与照明灯舱的尾端，把手固定在电子舱上，脐带缆连接端口设置在电子舱体上。

进一步，电子舱安装控制板、电源板、电子罗盘、摄像机、云台、深度传感器和温度传感器。

电子舱内安装的控制板为解析甲板控制装置对水下机器人的控制指令并对水下机器人进行相应控制，另外将水下机器人采集到的水下深度、温度、方向和视频信息调制后传输到甲板控制装置；电源板主要是水下机器人的供电以及充电电路；电子罗盘为水下机器人的方向传感器，通过电子罗盘可以获得水下机器人在水下的方向信息；

摄像机包括前置彩色摄像机与后置黑白摄像机，后置摄像机用来寻找水下目标，彩色摄像机用来进行水下摄像；云台主要是用来增加前置彩色摄像机观察视角，通过安装的两个舵机可以实现彩色摄像机的旋转，在水下机器人不动的情况下可以观察到更广范围内的水下目标；深度传感器用来采集水下机器人的深度信息；温度传感器用来采集水下机器人所在水下环境的温度。

进一步，透明导流罩通过O型圈和电子舱相连，透明导流罩加工成半球形，方便摄像机旋转。

进一步，电池舱通过电池舱与电子舱连接块通过焊接固定在电子舱上。

进一步，推进器与照明灯舱通过推进器与照明灯舱与电子舱连接块通过焊接固定在电子舱上。

进一步，照明灯罩通过双O型圈和推进器与照明灯舱相连，照明灯罩使用有机玻璃材料通过机械加工完成，形状为半球形，可以减小水下机器人在前进过程中的阻力。

进一步，把手通过把手与电子舱连接块采用螺钉固定在电子舱上，把手前半部分成三角形，可以减小水下机器人前进过程中的阻力，把手上开有圆孔减小把手的重量而又不会减小把手的强度，前部开孔较大为了保证前后重心平衡。

进一步，脐带缆连接端口通过焊接固定在水下机器人电子舱体上，由于选择的水密连接器为端面密封连接器，而水下机器人电子舱为圆形，故需要设计一个平面安装水密连接器，连接端口先通过机械加工完成，这样保证了与水密连接器接触面的粗糙度以及精度，然后连接端口通过特殊方式焊接在水下机器人电子舱体上。

进一步，水下机器人的电子舱、电池舱以及推进器与照明灯舱选用PVC材料；水下机器人电池舱密封头采用聚甲醛材料；水下机器人的透明导流罩和照明灯罩采用有机玻璃加工制成；水下机器人电池舱与电子舱的连接块上面的孔的作用即为配重与配平所用，通过在不同部位安装不同重量的配重块实现水下机器人的配重与配平调节。

本发明提供的浅水观察水下机器人的装置，通过水下机器人的电子舱、电池舱以及推进器与照明灯舱选用PVC材料；水下机器人电池舱密封头采用聚甲醛材料；水下机器人的透明导流罩和照明灯罩采用有机玻璃加工；水下机器人电池舱与电子舱的连接块上面的孔的作用即为配重与配平所用，提高了水下机器人的强度和耐压性；本发明通过在不同部位安装不同重量的配重块实现水下机器人的配重与配平调节，提高了电子舱的强度和耐压性，通过对电子舱、照明灯罩、把手、脐带缆连接端口、推进器、推进器与照明灯舱、电池舱、电池舱密封头、透明导流罩的稳定性分析，确定本发明的水下机器人的稳定性，提高了国内的制作水平，有利于科技的进步和社会的发展。

附图说明

图1是本发明实施例提供的浅水观察水下机器人的装置的结构示意图；

图中：1、电子舱；2、照明灯罩；3、把手；4、脐带缆连接端口；5、推进器；6、推进器与照明灯舱；7、电池舱；8、电池舱密封头；9、透明导流罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明提供的浅水观察水下机器人的装置的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明相关的部分。

本发明的浅水观察水下机器人的装置，该浅水观察水下机器人的装置包括：电子舱、照明灯罩、把手、脐带缆连接端口、推进器、推进器与照明灯舱、电池舱、电池舱密封头、透明导流罩；

电子舱是水下机器人装置的主体，透明导流罩连接电子舱，安装在电子舱的两端，电池舱设置在电子舱上，电池舱密封头连接电池舱，安装在电池舱的两端，推进器与照明灯舱通设置在电子舱上，左右对称安装于电池舱上方，照明灯罩连接照明灯舱，推进器通过O型圈密封套在推进器与照明灯舱的尾端，把手固定在电子舱上，脐带缆连接端口设置在电子舱体上。

作为本发明实施例的一优化方案，电子舱安装控制板、电源板、电子罗盘、摄像机、云台、深度传感器和温度传感器。

电子舱可以提供一个耐压防水的环境使它们免遭水下环境的腐蚀与压力的破坏。通常电子舱采用金属材料，由于金属材料密度大，自身过重，需要增加专用的浮力材料，而专用浮力材料非常昂贵，所以采用PVC塑料作为电子舱的材料，这样既能减小成本又能依靠自身提供浮力。

电子舱内安装的控制板为解析甲板控制装置对水下机器人的控制指令并对水下机器人进行相应控制，另外将水下机器人采集到的水下深度、温度、方向和视频信息调制后传输到甲板控制装置；电源板主要是水下机器人的供电以及充电电路；电子罗盘为水下机器人的方向传感器，通过电子罗盘可以获得水下机器人在水下的方向信息；

摄像机包括前置彩色摄像机与后置黑白摄像机，后置摄像机用来寻找水下目标，彩色摄像机用来进行水下摄像；云台主要是用来增加前置彩色摄像机观察视角，通过安装的两个舵机可以实现彩色摄像机的旋转，在水下机器人不动的情况下可以观察到更广范围内的水下目标；深度传感器用来采集水下机器人的深度信息；温度传感器用来采集水下机器人所在水下环境的温度。

作为本发明实施例的一优化方案，透明导流罩通过O型圈和电子舱相连，透明导流罩加工成半球形，方便摄像机旋转，光线的入射方向均沿着透明导流罩的法线方向，不存在因为折射率以及波长的不同而改变方向，也不会产生因不同波长的光在不同介质交界处产生的折射所引起的畸变和色散，而且水下机器人运动过程中也可以减小水阻力。

作为本发明实施例的一优化方案，电池舱通过电池舱与电子舱连接块通过焊接固定在电子舱上，电池舱主要为水下机器人电池提供一个密封的环境，同时将电池舱安装在电子舱下部可以降低水下机器人的重心，增加水下机器人的稳定性。

作为本发明实施例的一优化方案，推进器与照明灯舱通过推进器与照明灯舱与电子舱连接块通过焊接固定在电子舱上，推进器与照明灯舱主要是为了安装水下机器人的水平推进器与前照明灯。

作为本发明实施例的一优化方案，照明灯罩通过双O型圈和推进器与照明灯舱相连，照明灯罩使用有机玻璃材料通过机械加工完成，形状为半球形，可以减小水下机器人在前进过程中的阻力，照明灯罩使用有机玻璃材料通过机械加工完成，形状为半球形，可以减小水下机器人在前进过程中的阻力。

作为本发明实施例的一优化方案，把手通过把手与电子舱连接块采用螺钉固定在电子舱上，把手前半部分成三角形，可以减小水下机器人前进过程中的阻力，把手上开有圆孔减小把手的重量而又不会减小把手的强度，前部开孔较大为了保证前后重心平衡。

作为本发明实施例的一优化方案，脐带缆连接端口通过焊接固定在水下机器人电子舱体上，由于选择的水密连接器为端面密封连接器，而水下机器人电子舱为圆形，故需要设计一个平面安装水密连接器，连接端口先通过机械加工完成，这样保证了与水密连接器接触面的粗糙度以及精度，然后连接端口通过特殊方式焊接在水下机器人电子舱体上。

作为本发明实施例的一优化方案，水下机器人的电子舱、电池舱以及推进器与照明灯舱选用PVC材料；水下机器人电池舱密封头采用聚甲醛材料；水下机器人的透明导流罩和照明灯罩采用有机玻璃加工制成；水下机器人电池舱与电子舱的连接块上面的孔的作用即为配重与配平所用，通过在不同部位安装不同重量的配重块实现水下机器人的配重与配平调节。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例的浅水观察水下机器人的装置主要由电子舱1、照明灯罩2、把手3、脐带缆连接端口4、推进器5、推进器与照明灯舱6、电池舱7、电池舱密封头8、透明导流罩9组成；电子舱1是水下机器人装置的主体，用于安装控制板、电源板、电子罗盘、摄像机、云台、深度传感器和温度传感器；

透明导流罩9通过O型圈和电子舱相连，安装在电子舱1的两端，用于为前面的彩色摄像机和后面的黑白摄像机提供观察窗口并保护电子舱1的摄像机免遭损坏；

电池舱7通过电池舱7与电子舱1连接块采用特殊焊接焊接在电子舱1上，两个电池舱7对称安装在电子舱1的斜下方，用于安装电池组给水下机器人电子设备供电；

电池舱密封头8装有双O形圈和电池舱7相连，安装在电池舱7的两端，用于密封电池舱7并保护免遭因碰撞导致的磨损；

推进器5与照明灯舱通过推进器5与照明灯舱与电子舱1连接块采用特殊焊接焊接在电子舱1上，左右对称安装于电池舱7上方，此舱体过圆心的水平面与电子舱1过圆心的水平面共面，用于安装照明LED灯和水平推进器5；

照明灯罩2通过双O型圈和推进器5与照明灯舱相连，安装在推进器5与照明灯舱的前面，用于保护LED灯；

推进器5通过O型圈密封套在推进器5与照明灯舱的尾端，用于给水下机器人提供动力；

把手3通过把手3与电子舱1连接块采用螺钉固定在电子舱1上，用于方便水下机器人的打捞以及水下机器人零浮力缆承重网的固定；

脐带缆连接端口4通过特殊方式焊接在水下机器人电子舱1体上，用于接收控制台的传送的电源、控制信号，同时还需要将采集到的视频信号和传感器信号传递给控制台，

水下机器人的电子舱1、电池舱7以及推进器5与照明灯舱选用PVC材料；水下机器人电池舱7密封头采用聚甲醛材料；水下机器人的透明导流罩9和照明灯罩2采用有机玻璃加工；水下机器人电池舱7与电子舱1的连接块上面的孔的作用即为配重与配平所用，通过在不同部位安装不同重量的配重块实现水下机器人的配重与配平调节；电子舱1右侧的圆孔为电子舱1与电池舱7之间的电源线的通孔，通过此孔的电线将电池组的电供给电源板、控制板、推进器5以及照明灯等，同时电源板上的充电模块将转换后的电通过此孔的电线给电池组充电；中间小孔为水平推进器5和前照明灯供电电线过孔，电子舱1内部的电子调速器和LED灯亮度调节电路将已经调制好的电信号供给推进器5和LED灯，实现推进器5调速以及LED灯亮度控制；中间最大圆形通孔为垂向推进器5安装固定孔，电子舱1与垂向推进器5之间通过特殊的焊接的方式实现连接以及密封，既能保证垂向推进器5固定的牢固性又能保证电子舱1的水密性；左侧两个小孔分别为深度传感器和温度传感器安装孔，深度传感器和温度传感器与电子舱1的密封均通过O型圈密封，将深度传感器和温度传感器安装在水下机器人电子舱1前部目的是为了减少水下机器人的运动对所测深度和温度值的影响；

水下机器人电池舱7内径设计为42毫米，为了保证一定的强度以及稳定性将水下机器人电池舱7外径设计为50毫米，电池舱7总长为440毫米，电池舱7内每节电池尺寸为Φ18×67.5mm，每五个电池串联然后三组并联组成电池组电池组总长347.5毫米，三节电池排成三角形后三节电池公切圆直径为38.91毫米；

推进器5与照明灯舱上的小孔为推进器5与照明灯舱与电子舱1走线通孔，LED灯和推进器5电源线均通过此孔给LED灯和推进器5供电；

透明导流罩9设计成半球形，半球部分厚度相同，曲率相同，透明罩的加工是先通过开模具加工然后需要密封的部分通过机加工完成，照明灯罩2的灯罩头部采用半球形而内部为平面；

水下机器人的推进器5选择科特导管式推进器5；该推进器5有三部分组成：左侧的减速电机、中间黑色的密封导流罩、右侧的螺旋桨，减速电机主要包括直流电动机、行星减速齿轮箱、精密加工电机轴，直流电动机额定电压为6V，空载转速约为10000转/分钟；行星减速齿轮箱减速比为3.7:1；精密加工电机轴为了达到密封要求，要有很高的加工精度以及表面粗糙度，推进器5加工的电机轴精度可达到0.01毫米，粗糙度为0.8微米，验证了轴密封的可靠性，密封导流罩9主要是为了安装密封O型圈以及导流，与电机轴形成动密封的O形圈安装在导流罩9内部，为了保证电机轴的稳定性，在O形圈前后各安装一个高精耐磨轴承，螺旋桨桨毂内有螺纹通过与电机轴上的螺纹配合安装在电机轴上，同时电机轴上安装有一个螺母，此螺母可以和螺旋桨配合将螺旋桨固定，防止在高速旋转过程中螺旋桨脱落，另外螺母还可以通过图中所示白色套筒压紧轴承，防止轴承脱落，密封的导流罩9上的小孔为注油孔，通过加入适量的润滑油减小O形圈的摩擦；

电子舱1内的摄像机安装在云台上，云台为电动云台，可以使摄像机在设计范围内的任意角度转动；把手3的前半部分设计成三角形并在把手3上开有圆孔；脐带缆接头4选择Subconn公司的微小圆形8芯水密连接器。

本发明的工作原理:

水下机器人通过脐带缆连接端口4接收控制台的传送的电源、控制信号，将控制信号传递给电子罗盘、摄像机、云台、深度传感器和温度传感器，通过控制推进器5来控制水下机器人的航行速度和航行方向，水下机器人内的摄像机采集的视频信号、深度传感器和温度传感器记录的传感器信号通过脐带缆连接端口4传递给控制台从而给控制台带来有用的信息并引导其下一步的指令，摄像机采集的视频信号、深度传感器和温度传感器记录的传感器信号经过控制板信号调理，将视频信号转换成差动信号，将传感器信号转换成485信号，然后经过脐带缆内的双绞线传输到控制台，通过控制台内的电路板将信号还原成调理前的信号然后通过字符叠加模块在液晶屏上显示。

本发明的耐压计算与有限元分析：

水下机器人密封舱耐压壳(以下简称耐压壳)作为水下机器人的重要组成部分，不仅是水下机器人的“皮肤”，还是水下机器人的“骨骼”，除了完成水下机器人各组件要求的安装结构和强度要求外，还要保证水下机器人产品在水压条件下的强度、刚度和密封要求，随着水下机器人的使用环境和性能的不断扩展和提高，对水下机器人耐压壳的强度设计要求越来越高，此外，随着计算机技术的不断发展，利用有限元计算壳体的强度、刚度的方法逐步替代了传统的解析方法，计算的精度也越来越高，可在保证水下机器人壳体强度的条件下，实现壳体的设计优化，以有效降低水下机器人耐压壳的质量，提高结构性能，本章节就是围绕耐压壳的强度分析而展开，同时采用了理论计算和有限元方法对本发明设计的水下机器人进行了强度校核，

考虑到加工工艺的复杂性，本发明设计的水下机器人选择了圆柱壳作为耐压壳的主要外形结构，在计算水下机器人耐压壳体时，首先要确定耐压壳体的计算载荷，在设计水下机器人的时，根据使用要求规定了它的工作深度和极限深度，在设计计算耐压壳体时，考虑了一定的强度储备，采用比极限深度更大的计算深度作为计算依据，下潜到计算深度会引起耐压壳体的破坏，相应于计算深度下的静水压力称为计算载荷，计算深度与工作深度之比称为安全系数，通常该系数取为1.25-1.5，大量资料显示中国采用的安全系数偏大，本发明选取安全系数为1.25，

水下机器人耐压壳结构一般采用薄壁结构，目的是为了增大壳体内部的容积，同时减轻耐压壳的质量，为了增加耐压壳的稳定性，内部一般设有加强肋骨，考虑到本发明设计的水下机器人工作范围在水下百米范围内以及内部空间的充分利用，本发明设计的水下机器人采用的是无肋骨圆柱耐压薄壳结构。

水密耐压舱耐压分析

（1）耐压壳体应力强度分析与稳定性分析方法

1、应力强度分析理论计算方法

耐压壳体强度的设计校核分为两方面：

a．壳体应力强度分析

b．壳体的稳定性分析

简便起见，强度和稳定性计算中主要的符号说明如下，

E—弹性模量；

μ—泊松比；

ρ—密度；

σs—材料屈服应力；

P0—工作压力；

Pj—计算压力；

Pcr—屈服压力；

L—耐压壳圆筒体长度；

D—耐压壳圆筒外径；

δ—耐压壳圆筒厚度；

l—肋骨间跨距；

σ—耐压壳应力；

r—圆柱壳在肋骨跨度内中点处的圆半径；

α—圆锥锥度；

a、b—椭圆的长短轴尺寸，

本发明研究的水下机器人工作深度极限100米，即工作压力为1MPa，类比计算深度与工作深度之间的关系，计算压力与工作压力之间满足关系：

P_j=n·P₀   （3-1）

其中n=1.25

基于以克希霍夫的直线法假设为基础的薄壳理论，于是有耐压壳的应力状态与结构力学中研究板弯曲应力状态相似，几种典型壳体理想应力计算公式：

球形壳体：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{pr}}{2\mathrm{\δ}}---(3-2)$

圆柱形壳体：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{pr}}{\mathrm{\δ}}---(3-3)$

圆锥形壳体：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{Pr}}{\mathrm{\δ}\sin \mathrm{\α}}---(3-4)$

椭圆形壳体：

$\mathrm{\σ}=\frac{\mathrm{Pr}}{\mathrm{\δ}}(1-\frac{a^2}{{2b}^2})---(3-5)$

对于环肋圆柱壳的计算中，最主要的应力（必须作为强度校核的应力）有以下三个：

a.（肋间）跨度中点处壳纵剖面上的中面应力，即最大膜应力：

${\mathrm{\σ}}_1=K_1\frac{P_{j}r}{\mathrm{\δ}}---(3-6)$

b.支座边界处壳横剖面上内表面应力，即最大合成应力：

${\mathrm{\σ}}_2=K_2\frac{P_{j}r}{\mathrm{\δ}}---(3-7)$

c.肋骨应力：

${\mathrm{\σ}}_3=K_3\frac{P_{j}r}{\mathrm{\δ}}---(3-8)$

其中K₁，K₂，K₃可查表获得，

相对应的，耐压壳体强度需要校核三方面的应力：

a.（肋间）跨度中点处壳纵剖面上的中面应力：

σ₁≤0.85σ₅   (3-9)

b.支座边界处壳横剖面上内表面应力：

σ₂≤1.15σ₅   （3-10）

c.肋骨应力：

σ₃≤0.6σ₅   (3-11)

2、稳定性分析理论计算方法

本发明并计算水下机器人的结构时，应该使计算出的水下机器人的壳体的应力小于其壳体所允许的需用应力，另外还得使水下机器人壳体的稳定性满足要求，否则耐压壳失稳将会在产生巨大的弯曲应力而使壳体破坏，

能量法是研究弹性体稳定性问题的常用方法之一，尤其是比较复杂的问题，用能量法求解往往比较简单，本发明稳定性理论计算采用的是基于能量法中的一种比较常用的方法—李茨法所推导的圆柱壳的稳定性公式，

无肋圆筒稳定性校核的理论公式运用如下：

a．首先确定圆筒属于长筒还是短筒：

圆筒临界长度公式：

$L_{\mathrm{cr}}=1.17D_0\sqrt{\frac{D_0}{\mathrm{\δ}}}---(3-12)$

圆筒长度为L，若L>Lcr则为长圆筒，若L<Lcr则为短圆筒，

b．若为短筒，使用短圆筒临界压力计算公式计算理论临界载荷：

$P_{\mathrm{cr}}=\frac{\mathrm{E\&delta;}}{R(n^2-1){[1+{\left(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{\&pi;R}}\right)}^2]}^2}+\frac{E}{12(1-{\mathrm{\&mu;}}^2)}{\left(\frac{\mathrm{\&delta;}}{R}\right)}^3[(n^2-1)+\frac{{2n}^2-1-\mathrm{\&mu;}}{1+{\left(\frac{\mathrm{nL}}{\mathrm{\&pi;R}}\right)}^2}]$

（3-13）

令

并取n²-1≈n²，μ=0.3可得与最小临界压力相应波数：

$n=\sqrt[4]{\frac{7.06}{{\left(\frac{L}{D}\right)}^2\left(\frac{\mathrm{\&delta;}}{D}\right)}}---(3-14)$

简化后的短圆筒最小临界压应力计算式：

$P_{\mathrm{cr}}=\frac{{2.59\mathrm{E\&delta;}}^2}{\mathrm{LD}\sqrt{D/\mathrm{\&delta;}}}---(3-15)$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{cr}}=\frac{p_{\mathrm{cr}}D}{2\mathrm{\&delta;}}=\frac{1.30E}{L/D}{\left(\frac{\mathrm{\&delta;}}{D}\right)}^{15}---(3-16)$

c．若为长筒，使用长圆筒临界压力计算公式计算理论临界载荷：

$p_{\mathrm{cr}}=\frac{2E}{1-{\mathrm{\&mu;}}^2}{\left(\frac{\mathrm{\&delta;}}{D}\right)}^3---(3-17)$

长圆筒的失稳波为n=2，对于钢质圆筒(μ=0.3)临界压应力计算式：

$p_{\mathrm{cr}}=2.2E{\left(\frac{\mathrm{\&delta;}}{D_0}\right)}^3---(3-18)$

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{cr}}=\frac{p_{\mathrm{cr}}{D}_0}{2\mathrm{\&delta;}}=1.1E{\left(\frac{\mathrm{\&delta;}}{D_0}\right)}^3---(3-19)$

3、ANSYS计算仿真方法

随着计算机科学技术与有限元理论的发展，传统的半经验的工程修正系数方法正在被有限元分析的方法代替，逐渐成为设计中常用的方法，本发明采用的仿真软件是ANSYS中的Static Structure（静态结构）分析模块，主要操作步骤如下：

a．几何模型：本发明选用的是Solidworks软件绘制三维图然后导入ANSYS，

b．材料特性：主要设置杨氏模量、泊松比和应力极限这几项材料属性，

c．划分网格：网格划分是进行静态结构分析的基础，结果分析的准确与否与网格有着直接的关系，

d．施加载荷和边界条件：本发明主要是施加静态表面压力1MPa，

e．求解与后处理：本发明主要关注水下机器人中间主筒的等效应力是否在PVC材料的许用应力范围之内，

对耐压壳体的稳定性分析一般和结构分析相耦合，稳定性分析经常利用结构分析的结果作进一步分析，本发明利用Linear Buckling模块进行稳定性分析，

（2）电子舱强度分析与稳定性分析

1、理论计算

水下机器人电子舱的几何参数如表3-2所示、材料特性参数如表3-3所示：

表3-2水下机器人电子舱主要结构几何参数

长度L（mm）	外径D（mm）	厚度δ（mm）
			360	110	5

表3-3主要材料特性参数

对于无肋耐压壳，我们主要考虑跨度中点处壳纵剖面上的中面应力即可，则把以上主要的特性参数带入式3-2进行校核，

其中，查表得K₁=1.01，代入P_j=1.25MPar=55mm，δ=5mm，计算得水下机器人电子舱的应力为σ₁=13.89MPa，

根据式3-9可得σ₁=13.89MPa<42.5MPa，即理论计算结果显示电子舱应力能够承受水下100米压力，

对于水下机器人电子舱稳定性分析，将主要尺寸代入临界长度计算公式3-12可得：

Lcr=603.66mm>L=360mm

即电子舱为短圆筒，由于电子舱垂向推进器安装固定孔的存在，可以视为总体长度为总长的一半，如此界定依旧为短筒，将尺寸参数（注意此处带入L=180mm）带入公式3-14计算最小临界压力相应波数，取整后得n=3，进而代入短筒临界压力公式3-15则有：

Pcr=1.68MPa>Pj=1.25MPa，

即水下机器人电子舱的稳定性满足要求，失稳波数为3，

2、ANSYS计算仿真

根据ANSYS计算仿真方法小节介绍的操作步骤，分析结果显示如下：

本发明采用的是PatchIndependent生长方式的Tetrahedrons网格划分方法，设置最下尺寸5mm，得到网格的Skewness（扭曲度）约为0.58；最大应力值约为20.2MPa，在PVC材料的许用应力范围之内，即仿真分析的结果与理论计算一致：电子舱1的应力强度能够满足水下100米运动极限的要求，另外需要指明的一点是，最大应变和最大应力值出现在电子舱1与垂向推进器安装固定孔交接的地方，即此处剪切应力比较大，这也是比较合理的，而这一点理论计算很难得到，特别是对于这种不规则的几何体，仿真分析的优势明显地体现出来了。

稳定性仿真主要是在应力强度分析的基础上研究载荷的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，分析所得的屈曲载荷因子λ=2.7112，载荷因子乘以施加载荷值即得出屈曲载荷约为2.7MPa，大于计算载荷值1.25MPa，即稳定性是能满足要求的；此外，展示的失稳波数为3，与理论计算结果一致，

综上分析则有，水下机器人电子舱1在理论计算和仿真分析得出了一致的结论：应力强度满足要求；稳定性满足要求且失稳波数为3，同时仿真分析结果还指出了应力强度危险点的位置在主筒与中间筒交接的地方，结合力学知识即是此处有最大的剪切应力值，总的来说，水下机器人电子舱1的强度满足设计要求，

（3）电池舱强度分析与稳定性分析

1、理论计算

水下机器人电池舱材料也为PVC，材料特性参见表3-3，几何参数如表3-4所示：

表3-4水下机器人电池舱主要结构几何参数

长度L（mm）	外径D（mm）	厚度δ（mm）
			440	50	4

对于无肋耐压壳，我们主要考虑跨度中点处壳纵剖面上的中面应力即可，则把以上主要的特性参数带入式3-2进行校核，计算得水下机器人电池舱的应力为：

σ1=7.8125MPa<50×0.85=42.5MPa

即理论计算结果显示电池舱应力能够承受水下100米压力，

对于水下机器人电池舱稳定性分析，将主要尺寸代入临界长度计算公式3-12可得：

Lcr=206.83mm＜L=440mm

即电池舱为长圆筒，长圆筒的失稳波为n=2，将各参数代入长筒临界压力公式3-17则有：

Pcr=2.89MPa>1.25MPa，

即水下机器人电池舱的稳定性满足要求，失稳波数为2，

2、ANSYS计算仿真

根据ANSYS计算仿真方法小节介绍的操作步骤，分析结果显示如下：

本发明网格划分采用的是Patch Independent生长方式的Tetrahedrons，设置最下尺寸0.3mm，得到网格的Skewness（扭曲度）约为0.57；最大应力值约为5.98MPa，满足强度要求，危险区域位于筒内壁，分析所得的屈曲载荷因子λ=3.9922，载荷因子乘以施加载荷值即得出屈曲载荷约为4MPa，大于计算载荷值1.25MPa，即稳定性是能满足要求的；此外，图中展示的失稳波数为2，与理论计算结果一致，

（4）推进器与照明灯舱强度分析与稳定性分析

1、理论计算

水下机器人推进器与照明灯舱材料也为PVC，材料特性参见表3-3，几何参数如表3-5所示：

表3-5水下机器人推进器与照明灯舱主要结构几何参数

长度L（mm）	外径D（mm）	厚度δ（mm）
			140	34	3

对于无肋耐压壳，我们主要考虑跨度中点处壳纵剖面上的中面应力即可，则把以上主要的特性参数带入式3-2进行校核，计算得水下机器人推进器与照明灯舱的应力为：

σ1=7.083MPa<50×0.85=42.5MPa

即理论计算结果显示推进器与照明灯舱应力能够承受水下100米压力，

对于水下机器人推进器与照明灯舱稳定性分析，将主要尺寸代入临界长度计算公式3-12可得：

Lcr=133.92mm＜L=140mm

即推进器与照明灯舱为长圆筒，长圆筒的失稳波为n=2，将各参数代入长筒临界压力公式3-17则有：

Pcr=3.85MPa>1.25MPa，

即水下机器人推进器与照明灯舱的稳定性满足要求，失稳波数为2；

2、ANSYS计算仿真

根据ANSYS计算仿真方法小节介绍的操作步骤，分析结果显示如下：

本发明网格划分采用的是Patch Independent生长方式的Tetrahedrons，设置最下尺寸0.4mm，得到网格的Skewness（扭曲度）约为0.66，可见网格划分质量良好，最大应力值约为5.6MPa，满足强度要求，危险区域位于筒内壁，分析所得的屈曲载荷因子λ=6.42，载荷因子乘以施加载荷值即得出屈曲载荷约为6.42MPa，大于计算载荷值1.25MPa，即稳定性是能满足要求的；此外，图中展示的失稳波数为2，与理论计算结果一致，

摄像机透明导流罩耐压分析

摄像机透明导流罩9耐压壳是PMMA（有机玻璃）制成的半球型壳体结构，对其进行结构分析时，理论计算采用圆球封头的强度和稳定性计算公式，仿真分析基本步骤与水下机器人电子舱1基本一致，理论计算和仿真分析时用到的主要几何（表3-6）和材料特性参数（表3-7）：

表3-6摄像机透明导流罩9耐压壳结构几何参数

球壳半径R（mm）	厚度δ（mm）
		53	4

表3-7摄像机透明导流罩耐压壳结构材料特性参数

1、理论计算

参照承受外压球形壳体的应力与屈曲压力的分析则有：

将摄像机透明导流罩几何参数带入半球形封头的应力计算公式3-2，以及公式3-9可得：

σ=8.3MPa≤0.85×45=36MPa

即理论计算结果显示摄像机透明导流罩满足强度应力要求；

半球形封头的屈曲压力计算公式为：

P_cr=C_sC_zC_e   （3-20）

所得的屈曲应力应满足公式：P_cr＞P_j   (3-21)

式中：P_e=0.84EC²，C、C_s以及C_z查理论曲线图确定，

将各参数代入式3-20与式3-21可得：

P_cr=8.5MPa≥1.25MPa

通过理论计算可知摄像机透明导流罩满足屈曲应力要求；

2、ANSYS计算仿真

根据ANSYS计算仿真方法小节介绍的操作步骤，分析结果显示如下：本发明网格划分采用的是Patch Independent生长方式的Tetrahedrons，设置最下尺寸0.5mm，得到网格的Skewness（扭曲度）约为0.61，可见网格划分质量良好，

由结果可知，最大应力值约为9.4MPa，在PMMA材料的许用应力范围之内，即仿真分析的结果与理论计算一致：摄像机透明导流罩的应力强度能够满足水下100米运动极限的要求；同时最大应力位置出现在半球根部与下面支座交接的区域，该区域剪切应力相对较大，但依旧远远小于许用应力45MPa，

分析所得的屈曲载荷因子λ=23.379，载荷因子乘以施加载荷值即得出屈曲载荷约为23MPa，远远大于计算载荷值1.25MPa，即稳定性是能满足要求的。

本发明结构简单，操作方便，稳定性好，有着很好的实际应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，该浅水观察水下机器人的装置包括：电子舱、照明灯罩、把手、脐带缆连接端口、推进器、推进器与照明灯舱、电池舱、电池舱密封头、透明导流罩；

电子舱是水下机器人装置的主体，透明导流罩连接电子舱，安装在电子舱的两端，电池舱设置在电子舱上，电池舱密封头连接电池舱，安装在电池舱的两端，推进器与照明灯舱通设置在电子舱上，左右对称安装于电池舱上方，照明灯罩连接照明灯舱，推进器通过O型圈密封套在推进器与照明灯舱的尾端，把手固定在电子舱上，脐带缆连接端口设置在电子舱体上。

2.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，电子舱安装控制板、电源板、电子罗盘、摄像机、云台、深度传感器和温度传感器；

电子舱内安装的控制板为解析甲板控制装置对水下机器人的控制指令并对水下机器人进行相应控制，另外将水下机器人采集到的水下深度、温度、方向和视频信息调制后传输到甲板控制装置；电源板主要是水下机器人的供电以及充电电路；电子罗盘为水下机器人的方向传感器，通过电子罗盘可以获得水下机器人在水下的方向信息；

摄像机包括前置彩色摄像机与后置黑白摄像机，后置摄像机用来寻找水下目标，彩色摄像机用来进行水下摄像；云台主要是用来增加前置彩色摄像机观察视角，通过安装的两个舵机可以实现彩色摄像机的旋转，在水下机器人不动的情况下可以观察到更广范围内的水下目标；深度传感器用来采集水下机器人的深度信息；温度传感器用来采集水下机器人所在水下环境的温度。

3.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，透明导流罩通过O型圈和电子舱相连，透明导流罩加工成半球形，方便摄像机旋转。

4.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，电池舱通过电池舱与电子舱连接块通过焊接固定在电子舱上。

5.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，推进器与照明灯舱通过推进器与照明灯舱与电子舱连接块通过焊接固定在电子舱上。

6.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，照明灯罩通过双O型圈和推进器与照明灯舱相连，照明灯罩使用有机玻璃材料通过机械加工完成，形状为半球形，可以减小水下机器人在前进过程中的阻力。

7.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，把手通过把手与电子舱连接块采用螺钉固定在电子舱上，把手前半部分成三角形，可以减小水下机器人前进过程中的阻力，把手上开有圆孔减小把手的重量而又不会减小把手的强度，前部开孔较大为了保证前后重心平衡。

8.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，脐带缆连接端口通过焊接固定在水下机器人电子舱体上，由于选择的水密连接器为端面密封连接器，而水下机器人电子舱为圆形，故需要设计一个平面安装水密连接器，连接端口先通过机械加工完成，这样保证了与水密连接器接触面的粗糙度以及精度，然后连接端口通过特殊方式焊接在水下机器人电子舱体上。

9.如权利要求1所述的浅水观察水下机器人的装置，其特征在于，水下机器人的电子舱、电池舱以及推进器与照明灯舱选用PVC材料；水下机器人电池舱密封头采用聚甲醛材料；水下机器人的透明导流罩和照明灯罩采用有机玻璃加工制成；水下机器人电池舱与电子舱的连接块上面的孔的作用即为配重与配平所用，通过在不同部位安装不同重量的配重块实现水下机器人的配重与配平调节。

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