仿海蛇可分離AUV 設計

梁菲菲

(陜西工業職業技術學院信息工程學院,陜西 咸陽 712000)

當今社會,海洋領土安全越發的成為人們關注的焦點。由于海洋領土相比較于陸地領土更為廣闊,其區域的監測與保護也更加復雜。為了在水下更加靈活地、隱蔽地進行信息傳遞,執行多個任務,設想一種仿海蛇[1]的模塊化的水下航行器系統,形成海洋信息組網,監聽公共海區,加強沿海防御,保證我方基地、港口、航道的安全性。見圖1 所示,右邊為頭部,左邊為尾部。

圖1 仿海蛇可分離AUV 示意圖

1 系統設計

在安全海域,該航行器整體執行工作；在危險海域,該航行器關節分離,作為獨立個體工作。蛇體的關節之間采用形狀記憶合金制成的脆斷螺栓連接[2],在分離通過電流對脆斷螺栓加熱,通過其長度的變化,將預先進行削弱處理的螺栓直接通過微型爆破拉斷脫落,由于彈性力的作用關節分開。見圖2 所示。

圖2 關節之間的連接圖(左)關節之間的分離圖(右)

獨立個體主要分為三部分：可變形蛇頭、誘餌關節組,偵查關節組。可變形蛇頭作為核心控制艙,相當于指揮中心；誘餌關節組用于海戰時期作為誘餌使用；偵查關節組作為AUV 吸附到敵方目標竊取信息。見圖3 所示。

關節的三個自由度的驅動是通過氣動人工肌肉來實現的[3]。氣動人工肌肉結構由三部分組成,分別是氣動囊、氣動內外壁和氣動控制艙。見圖4 所示。關節表面涂有高度耐蝕、耐溫、耐壓,高韌性,環保,長效的ChemLINE 784 涂料[4],為航行器在惡劣的環境中工作提供了可能性。氣動肌肉采用纖維加強的硅橡膠,氣動內外壁采用彈性壁和編織網,對艙室內部精密儀器具有減震保護作用。內部三個氣腔閥獨立控制進氣量來改變三個氣腔的壓力,最終氣動控制艙接收到壓力信號實現整體運動姿態的調整。

圖3 總設計框圖

圖4 氣動肌肉外部圖(左)氣動肌肉剖面圖(右)

1.1可變形蛇頭

蛇頭作為系統中樞,在安全海域中利用身體的靈活性實現靈活多樣的步態,并且根據步態的特性以及所處的環境狀態及時調整步態。本設計中選擇層次化聯結中樞模式生成器(Hierarchical Connectionist Central Pattern Generator,HCCPG)模型[5],HCCPG 模型具有步態控制能力強、復雜度小、有良好的擴展性等優點, 使該仿海蛇可分離AUV 能夠輕易穿過窄裂縫或者孔洞等復雜環境,從而提高環境適應能力。在危險海域中,蛇頭時刻檢測偵查關節組的消息,在安全區域時伸展雙翼迅速上浮[6],將加密的信息反饋到海面上。見圖5 所示。

圖5 蛇頭變形圖

1.2 誘餌關節組

誘餌關節組作為模擬目標誘餌,用于海戰時期。可變形蛇頭控制關節間分開,誘餌關節之間可以相互傳遞信息,形成覆蓋面很廣的水下通信系統[7],進行實時的信息交換和信息交流,從而更全面的掌握整個覆蓋海域的信息,見圖6 所示。遇到尾流自導雷時,四個誘餌關節組成平行四邊形陣列,成為誘餌關節組,同時啟動內部的煙火性聲納誘餌劑,有效地將尾流自導雷引誘到遠處,到達一定距離后,后方誘餌關節和兩側的誘餌關節放出反魚雷網[8],引爆尾流自導雷。解除可變形蛇頭的威脅因素,保護蛇頭的安全。

圖6 誘餌關節組圖

1.3 偵查關節組

偵查關節組作為“情報采集員”獲取敵方目標信息。母體在游至敵方艦船航道處,可變形蛇頭控制關節間分開,偵查關節組作為AUV 等待敵方艦船航行至目標地點,在監測到目標在可吸附范圍內時,伸出“手掌”吸附在目標艦船上,并將信息發送至蛇頭。見圖7 所示。

圖7 偵查關節竊取信息圖

2 創新點

2.1 基于氣動肌肉的驅動裝置

關節的三個自由度的驅動是通過氣動人工肌肉來實現的。靈活性好,可大維度多自由度運動；摩擦小,能源利用率高,無污染；運動平滑而輕柔,噪聲小,利于隱身。纖維加強的硅橡膠構成氣動肌肉用彈性壁和編織網作為內外壁,對艙室內部精密儀器具有減震保護作用。

表面涂有高度耐蝕、耐溫、耐壓、高韌性、環保、長效的ChemLINE 784 涂料,為航行器在惡劣的環境中工作提供了可能性。

2.2 仿生海蛇結構

仿海蛇可分離水下航行器仿海蛇結構[9],冗余度大,可以復雜海域的自由行進；此外,必要時候可分層次多模塊可脫節式載荷,可以在必要時獨立執行工作；關節間通過形狀記憶合金[10]制成的脆斷螺栓連接,使得關節脫落時產生噪聲小,能量利用率高,利于隱身。

2.3 誘餌關節組編隊

二維平行四邊形陣列相對一維編隊,亮點利用率更高,更經濟,模擬的聲磁場范圍更大、更強、更具有引誘性,機動性更好；非拖曳式誘餌,通過與母體之間的信息組網來通信,相對現有的拖曳式誘餌,機動性更好,能夠將魚雷引誘到更遠處,解決了拖曳式誘餌不能完全將魚雷引開的缺陷,有效模擬大目標,為蛇頭創造安全環境。

2.4 有層次化的結構的HCCPG 模型

HCCPG 模型能夠生成相位協調的多自由度運動控制信號,從而解決了傳統CCPG 模型的步態生成問題,具有步態控制能力強、復雜度小、有良好的擴展性等優點, 從而適合用于該蛇形航行器進行三維步態的控制。

3 結論

仿海蛇可脫節水下航行器可以長時間、大深度、自主地進行多任務工作。該水下航行器仿生蛇結構,能夠輕易穿過窄裂縫或者孔洞等復雜環境,冗余度大,靈活度高,搜素范圍廣,不管在和平時期還是戰爭時期都能發揮重要作用,具有良好的前景和深遠的影響。和平時期：仿海蛇可脫節水下航行器可以進行水下環境監測,地質勘探,考古等作業。戰爭時期：仿海蛇可脫節水下航行器氣動肌肉驅動,行進時噪音等可探測特征低,隱蔽性強,戰場生存能力提高：帶有吸附盤觸手群的偵查關節組可以吸附在敵艦上,大范圍收集敵方信息,并發送至蛇頭,伺機將信息發送出去；遇到危險時,誘餌關節組編隊并點燃煙火性聲納誘餌劑,模擬目標引誘并引爆來襲武器,解除可變形蛇頭的威脅因素,保護蛇頭的安全。可脫節特征使其可攜帶大量功能不同的設備,能同時執行多項任務同時也使航行器的使用和維護更加靈活多樣。