水下機器人液壓驅動技術研究

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168(2025)11-0008-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.002

Research on Hydraulic Drive Technology ofUnderwater Robot

WEI Rongwei (Zhonghai Huigu Geoscience Service (Shenzhen) Co.，Ltd.， Shenzhen 5183Oo， China)

Abstract:[Purposes] This study aims to analyze the working principle，control technology and performance test of the hydraulic drive system of underwater robots，and improve the operational efficiency and reliability of underwater robots in complex environments.[Methods] The eficiency and reliability of the hydraulic drive system have been verified through tests such as static performance，dynamic response， load adaptability，and environmental adaptability.[Findings] The flow rates for static performance tests reached 18 L/min and 22 L/min，respectively.In the dynamic response test， the displacement error is controlled within ±0.9 mm，and the speed stabilization time is O.4 s.During the load test，the maximum thrust reached 15 kN，and the pressure fluctuation range was only ± 0.4 MPa.Under high-load conditions，the overall efficiency of the system reaches 87.5% ，and the temperature change of hydraulic oil is controlled within $\\pm \\ 4 . 5 \\ ^ { \\circ } ( \\$ C. In a high-pressure environment with a water depth of 1 OOO m(10 MPa)， the system has good sealing and stable operation.During the low-temperature test，the fluidity of the hydraulic oil flow is normal within the range of 5～10^°( ，and there is no significant delay in the system response.[Conclusions] The hydraulic drive system has stable performance under complex underwater conditions， meets practical application requirements，and provides theoretical basis and practical support for the further development of underwater robot drive technology.

Keywords: underwater robot; hydraulic drive system; control technology; performance test

0 引言

水下機器人作為海洋勘探、深海探測、資源開采等領域的重要工具，其在復雜水下環境中的應用對技術要求極高。液壓驅動系統憑借其高功率輸出、較好的負載能力和適應性，成為水下機器人驅動技術的重要選擇[。而水下環境對液壓系統的特殊要求（如高壓、低溫、腐蝕性介質等），對液壓驅動技術提出了更高的挑戰。因此，本研究深人探討液壓驅動技術在水下機器人中的應用，圍繞水下機器人液壓驅動系統的工作原理、控制技術及性能測試展開分析，提高水下機器人在復雜環境下的作業效率和可靠性，為水下機器人驅動技術的進一步發展和優化提供理論支持和實踐指導。

1水下機器人液壓驅動系統原理與構成

1.1水下機器人液壓驅動系統的工作原理

水下機器人液壓驅動系統的工作原理如圖1所示。在該系統中，水下液壓動力源通過高壓液壓供給管路向水下設備提供動力。系統核心包括水下電磁閥和液壓波回路，負責控制液壓油的流向和壓力，以實現精確地力和速度控制[2]。當水下控制器接收到地面或母船的指令信號時，這些信號通過控制臍帶纜進行傳輸，臍帶纜集成了信號線和液壓線。隨著控制信號到達水下電磁閥，指令電磁閥打開或關閉，從而控制液壓油的流動。電磁閥的操作決定了液壓油是否通過液壓波回路傳輸到水下蓄能器或直接傳送至各執行器，如采油樹閥執行器。水下蓄能器作為能量存儲單元，負責調節和緩沖液壓系統的壓力波動，保持系統的穩定性[3]。當需要動力時，蓄能器釋放能量，增強系統的響應速度和效率。水下液壓動力源則負責維持系統壓力，確保連續供應高壓液壓油。整個系統的設計允許水下機器人在極端水下環境中進行高精度操作，并且通過低壓流體連接點，系統還能實現液壓油的回流和循環使用，優化資源利用率，減少環境影響。

1.2水下環境對液壓驅動系統的特殊要求

首先，系統的材料必須能夠承受高壓和腐蝕性海水環境，避免長時間的水下操作導致設備腐蝕和性能下降。如系統的密封件、管路及閥門都需要使用耐腐蝕材料制造，并且設計時需確保能承受幾百甚至上千米水深產生的壓力4。其次，水下液壓系統必須具備高度的防水和防塵性能，確保內部組件不受海水侵蝕。再次，系統設計時需考慮到溫度對液壓油黏度的影響，選擇適宜的液壓油以保證在低溫環境下依然具有良好的流動性和潤滑性。從次，液壓系統的設計還需要考慮到可能的壓力損失和流體動力效率問題，通過優化管路設計和泵的效率來減少能量損耗。最后，為了提高水下作業的安全性和便捷性，液壓驅動系統還應具備一定的自我診斷和遠程控制能力，能夠在關鍵時刻進行快速故障定位和響應。

2水下機器人液壓驅動系統的控制技術

2.1水下機器人液壓驅動系統的控制難點與挑戰

水下機器人液壓驅動系統的控制在深海環境下面臨諸多難點與挑戰，主要體現在外部環境復雜性、系統非線性特征及高精度控制要求等方面。首先，水下環境存在高壓、低溫及腐蝕性介質，這對液壓系統的密封性、材料選擇和穩定性提出了極高要求。其次，液壓系統具有固有的非線性特征，包括閥門流量特性、液壓缸摩擦特性及液壓油的黏性變化，這些非線性因素導致系統難以通過簡單的控制算法實現高精度控制。再次，水下機器人工作環境復雜，任務過程中可能遇到瞬時負載變化，導致控制精度和穩定性下降。最后，傳感器信號的采集與反饋也是一大挑戰。深海環境對傳感器的防水性和可靠性提出了更高要求，故障或數據丟失會導致系統無法實時反饋執行器狀態，影響整個液壓系統的控制效果。

2.2水下機器人液壓驅動系統的控制方法

開環控制與閉環控制。在水下機器人液壓驅動系統中，開環控制和閉環控制是最基本的控制方法，各有適用場景和特點。開環控制通過控制信號直接驅動執行器，不依賴反饋信息調整輸出，結構簡單且響應速度較快，但無法自動修正誤差。在水下機器人的應用中，開環控制通常用于執行簡單的作業任務，包括定量驅動液壓泵或執行器，實現恒定的力或位移輸出。開環系統的輸出可通過數學模型進行表示，具體見式（1）。

Y(s)=G(s)X(s)

式中： Y(s) 為系統輸出； G(s) 為系統傳遞函數；X(s) 為輸入信號。由于缺乏反饋，外部干擾和系統參數變化容易引起控制誤差，實際輸出將會偏離設定值[5]。

閉環控制通過反饋信號對系統進行實時修正，能有效提高控制精度和系統穩定性。在液壓驅動系統中，閉環控制通常由傳感器實時監測輸出位移、速度或壓力，并與設定值進行比較，通過控制器調整電磁閥的開度或液壓流量，動態修正系統輸出。閉環控制的數學模型見式（2)。

式中： R(s) 為設定值； E(s) 為誤差信號； K(s) 為控制器函數； U(s) 為控制信號； G(s) 為系統傳遞函數。通過負反饋調節，系統能夠實現對誤差的自動補償。閉環控制適用于復雜操作，包括精確定位、力反饋控制等任務場景，確保系統在外界干擾下依然保持穩定和高精度的輸出。

先進控制方法。隨著技術的不斷發展，水下機器人液壓驅動系統逐漸引入PID控制、自適應控制及模糊控制等，這些方法在復雜環境下能有效提升系統的響應性能和穩定性。其中，PID控制是最常用的先進控制方法，通過比例、積分和微分三部分對誤差信號進行調節，實現系統的精確控制。PID控制的表達見式（3）。

式中： K_p 為比例系數； K_i 為積分系數； K_d 為微分系數； e(t) 為系統誤差。PID控制在水下液壓驅動系統中的應用，能夠快速修正液壓系統的壓力或位移輸出，尤其適用于精確的速度和位移控制。

水下環境的不確定性和負載變化使液壓系統容易出現性能波動，而自適應控制可以通過實時估計系統參數并動態調整控制策略，克服傳統控制方法的局限性。其數學模型的表示見式（4)。

式中： 為自適應參數； γ 為調節因子； e(t) 為系統誤差。

2.3控制系統的穩定性與響應特性分析

水下機器人液壓驅動系統的穩定性與響應特性直接決定了其執行任務的精度與可靠性。穩定性是指系統在受到擾動后能夠回到平衡狀態的能力。而響應特性則是衡量系統輸出對輸入信號的時間動態特征，包括上升時間、超調量和穩定時間等。為了分析液壓驅動系統的穩定性，可以采用傳遞函數模型進行描述。系統的傳遞函數見式(5)。

式中： K 為系統增益； T 為慣性時間常數； B 為阻尼系數。當輸入信號 R(s) 作用于系統時，系統的輸出 Y(s) 見式(6)。

Y(s)=G(s)R(s)

系統的穩定性可通過極點分析法進行評估，系統極點的實部必須為負值(即所有極點位于復平面左半平面)才能保證系統的穩定性。此外，阻尼比ζ與自然頻率 ω_n 對系統響應特性影響顯著。系統的特征方程見式（7)。

s²+2ζω_ns+ω_n²=0

式中： ζ 為阻尼比。 ζ 越大，系統超調量越小，響應更加平穩； ζ 過小，則容易導致系統振蕩，影響液壓系統的精度。

為了提高響應特性，液壓系統需優化控制參數，

通過采用PID控制，調整比例系數、積分系數、微分系數來提升系統的動態性能。系統上升時間 t_r. 超調量M_p 及穩定時間 t_s 的計算見(8)至(10)。

這種方法通過實時調整控制參數，使系統能夠在外界干擾下保持高動態響應與穩定性，確保水下機器人執行任務時的精確控制與可靠性。

3水下機器人液壓驅動系統的性能測試

3.1水下機器人液壓驅動系統的試驗方法

首先，在靜態性能測試中，通過壓力傳感器和流量計測量系統在不同工況下的輸出壓力和流量，分析液壓泵和執行器的穩態工作特性。如在25MPa 和 30MPa 壓力下，記錄流量穩定性和輸出推力，并檢查系統的泄漏情況。其次，動態響應測試是評估系統響應速度和控制精度的關鍵環節。通過施加階躍輸入信號，使用高速數據采集系統記錄液壓執行器的位移、速度和壓力的變化過程。試驗數據表明，在 0.3s 內，液壓執行器的位移誤差需控制在 ±1mm ，速度穩定時間需小于 0.5s ，以滿足水下機器人快速響應的需求。再次，在負載測試中，通過設置 10kN，12kN 和 15kN 的推力輸出，驗證液壓系統的承載能力和穩定性。從次，在高負載工況下，重點評估液壓泵和電磁閥的穩定工作狀態，以及壓力波動幅度和系統效率變化。試驗結果通常要求壓力波動小于 ±0.5MPa ，整體效率保持在87% 以上，液壓油溫度變化需要控制在 ±5^°C 。最后，環境適應性測試包括水下高壓試驗和低溫試驗。在高壓試驗中，將液壓系統置于水深 1000m （ 10MPa 環境下運行，檢測系統的密封性和穩定性。低溫試驗則在 5～10^°C 環境下，測試液壓油的流動性和系統響應能力，確保液壓系統在極端環境下依然保持高性能。

3.2性能測試結果分析

通過對水下機器人液壓驅動系統進行多項測試，結果顯示系統在靜態性能、動態響應、負載適應性及環境適應性方面均表現出良好的性能。具體的測試結果見表1。

4結論

本研究圍繞水下機器人液壓驅動技術展開了深入分析與探討，研究結果表明，液壓驅動系統具有高功率輸出、快速響應及良好的負載適應性，在高壓、低溫等極端工況下依然表現出穩定性和可靠性。未來，隨著水下作業需求的增加，液壓驅動技術將在精確控制、能效提升及智能化監測方面進一步發展。

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