AUV探測段的模塊化設計

章遠香

(中船重工715所,浙江杭州 310012)

AUV探測段的模塊化設計

章遠香

(中船重工715所,浙江杭州 310012)

本文介紹了AUV探測段的結(jié)構(gòu)組成,為了實現(xiàn)各項探測功能,對探測段的進行了功能分解,對各部分進行了模塊化設計,各模塊和平臺間采用相同的標準接口,可根據(jù)探測任務的需求,對各種模塊進行加載,這樣既能保證完成探測任務,又能滿足平臺的加載能力。

AUV 探測段 模塊化

1 引言

近年來，由于海洋工程和近海石油開發(fā)的需要，代表水下機器人發(fā)展方向的AUV得到了快速發(fā)展，AUV廣泛應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、軍事國防建設等諸多方面，已產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，具有潛在的應用前景。從長遠目光看，AUV向著智能化、遠程化邁進，作為海洋開發(fā)的重要工具，要保證能夠在復雜的海洋環(huán)境中高效、安全的工作，設計開放式AUV平臺，各種功能模塊化加載，就能使AUV平臺能實現(xiàn)不同的探測任務，從而有效地降低了成本，本文應用模塊化設計理念，實現(xiàn)了AUV探測段的模塊化設計。

2 模塊化設計理念

產(chǎn)品模塊化設計就是將產(chǎn)品分成幾個模塊，每個模塊具有獨立的功能，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，可以使整個產(chǎn)品生命周期中的采購、物流、制造和服務資源簡化。

圖1 AUV探測段模型集成圖

圖2 AUV探測段組成示意圖

圖3 AUV探測段模型示意圖

表1 AUV模塊重力、浮力、重心、浮心表

AUV探測段是加載到AUV平臺上的，平臺為其提供功率，由于探測任務的多樣化，探測段加載的模塊就具有多樣性，全部集成在一起，會導致探測的尺寸和功率都比較大，而導致整個AUV的尺寸和所需功率的增大，因此對AUV探測段提出模塊化設計，將AUV探測段模型分成多個模塊，而根據(jù)探測任務的需要，加裝相關(guān)的模塊。

如圖1所示，假設AUV探測段模型1有4個模塊(A、B、C、D)，可以通過對這4個模塊的操作重新構(gòu)成另一個具有不同任務要求的AUV探測段模型2，圖1顯示了每個操作對模塊化系統(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；由于探測任務的不同，模型1中模塊B被去除；3個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個作為AUV探測段模型2的一部分，考慮到探測任務的不同，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 探測段的模塊化設計

3.1 探測段的組成

探測段是AUV的負載段，實現(xiàn)探測功能，平臺總體技術(shù)主要研究微小空間總體結(jié)構(gòu)布局及設計、小型航行體流體動力外形設計、大深度承壓密封設計等內(nèi)容。重點解決平臺模塊化、接口標準化設計，以構(gòu)建開放式AUV平臺，實現(xiàn)平臺功能擴展性和執(zhí)行多樣性探測任務。

探測段采用干式結(jié)構(gòu)，殼體為耐壓殼體，用來裝置電子元器件及探測設備，以保證它們不會因為海水的壓力和腐蝕而損壞，因此耐壓殼體要有足夠的強度和可靠的密封，同時，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，強度和密封，對AUV是至關(guān)重要的。探測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。拆卸簡單、快捷。

如圖2所示，探測段按功能分成4個模塊，各個模塊相對獨立，具有標準的接口，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 探測段的模塊化設計

探測段與平臺實現(xiàn)模塊化接口，探測段本身需加載多波束、側(cè)掃，避碰等負載，考慮到整個AUV的性能，將各個負載分成不同的模塊，根據(jù)探測任務的需要，將不同的模塊進行加裝。如圖3所示，AUV探測段模型1加裝了模塊A、B、C；模型2加裝了模塊A、B、D，模型1能實現(xiàn)避碰、側(cè)掃等功能，模型2能實現(xiàn)避碰、多波束等功能。

為了保證AUV穩(wěn)定運行，應保證有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機器人穩(wěn)心高度應大于7厘米，在模塊化設計中，要計算出各個模塊的重心、浮心，設計中使各個模塊的重浮心基本上都能滿足要求，并在合適的位置預留配重空間，將各個模塊的重浮心列成表格，以方便配置模型時與平臺總體進行核算。

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

模型的重心、浮心按下列公式計算：

重心位置：

浮心位置：

需要注意的是，計算模型重浮心時，須將坐標系合成統(tǒng)一的坐標系。

4 結(jié)語

本文將產(chǎn)品模塊化設計理念運用到AUV探測段的設計中，對AUV探測段實現(xiàn)了模塊化設計，使AUV平臺成為了一個開放式平臺，探測段模塊化設計，使平臺的負載能力得到了充分的利用，也為平臺的負載能力擴展提供了空間。

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