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水陆两栖机器人螺旋推进性能研究

徐鹏飞 王子鹏 林海龙 开艳

徐鹏飞, 王子鹏, 林海龙, 等. 水陆两栖机器人螺旋推进性能研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167
引用本文: 徐鹏飞, 王子鹏, 林海龙, 等. 水陆两栖机器人螺旋推进性能研究[J]. 水下无人系统学报, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167
XU Pengfei, WANG Zipeng, LIN Hailong, KAI Yan. Research on Screw Propulsion Performance of Amphibious Robot[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167
Citation: XU Pengfei, WANG Zipeng, LIN Hailong, KAI Yan. Research on Screw Propulsion Performance of Amphibious Robot[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167

水陆两栖机器人螺旋推进性能研究

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0167
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(52071131); 江苏省海洋科技创新项目(HY2018-15); 国家重点研发计划(2021YFC2801604、2022YFC2806002)资助.
详细信息
    作者简介:

    徐鹏飞(1982-), 男, 博士, 副教授/博士生导师, 主要研究方向为海洋无人系统智能探测装备技术

  • 中图分类号: U662; U674.78

Research on Screw Propulsion Performance of Amphibious Robot

  • 摘要: 传统水陆两栖运动方式多为轮式或履带式与螺旋桨结合的双系统形态。与之相比, 单系统的水陆两栖运动方式因系统复杂度低、运动效率高成为近年来的研究热点。螺旋推进作为一种单系统水陆两栖运动方式, 在沼泽、滩涂等半流体环境下具有较好的适应性, 多年来对其在陆上行驶的研究设计较多, 对其在水中行驶的研究较为缺乏。本文对螺旋推进装置的水中性能展开研究, 根据螺旋推进的原理, 提出螺旋筒的设计方法, 采用水动力仿真方法对不同浸没深度下的螺旋筒进行推力计算, 发现螺旋筒在0.9倍浸没深度时产生的推力最大。基于自主设计研发的水陆两栖机器人样机开展水中推进测试, 结果表明在水中螺旋筒推进状态稳定。进一步的, 使用响应面法从螺旋叶片高度、螺距两个方面对螺旋筒开展优化设计工作, 优化结果较原设计方案可提升18.2%的推进效率。

     

  • 图  1  福特森雪地车

    Figure  1.  Fordson snowmobile

    图  2  沼泽两栖螺旋车

    Figure  2.  Marsh screw amphibian

    图  3  雪鸟6号

    Figure  3.  Snowbird 6

    图  4  Helix Neptune

    Figure  4.  Helix Neptune

    图  5  螺旋筒受力示意图

    Figure  5.  Diagram of the force on the spiral cylinder

    图  6  前进与后退示意图

    Figure  6.  Diagram of forward and backward

    图  7  陆地转向示意图

    Figure  7.  Diagram of turning on land

    图  8  侧向移动示意图

    Figure  8.  Diagram of lateral movement

    图  9  水中原地转向示意图

    Figure  9.  Diagram of turning in water

    图  10  螺旋筒几何参数

    Figure  10.  Geometric parameters of screw cylinder

    图  11  螺旋筒设计图

    Figure  11.  The design of the screw cylinder

    图  12  螺旋筒内部结构图

    Figure  12.  Internal structure diagram of screw cylinder

    图  13  计算域及边界条件

    Figure  13.  Computational domain and boundary conditions

    图  14  螺旋筒及附近网格

    Figure  14.  Grid of screw cylinder and adjacent

    图  15  不同时间步长对比曲线图

    Figure  15.  Comparison graph of different time steps

    图  16  螺旋筒控制原理图

    Figure  16.  Diagram of control principle of screw cylinder

    图  17  螺旋推进样机

    Figure  17.  Screw-driven prototype

    图  18  湖上测试

    Figure  18.  The test on the lake

    图  19  样机水上姿态

    Figure  19.  The water attitude of the prototype

    图  20  优化流程图

    Figure  20.  Flow chart of optimization

    图  21  Fkh变化响应曲面

    Figure  21.  Response surface of F with respect to k and h

    图  22  Tkh变化响应曲面

    Figure  22.  Response surface of T with respect to k and h

    图  23  ηkh变化响应曲面

    Figure  23.  Response surface of η with respect to k and h

    图  24  不同螺距条件下螺旋筒推进效率随螺旋叶片高度变化曲线

    Figure  24.  The curve of the drive efficiency of screw cylinder with the height of screw blade under different pitch conditions

    图  25  不同螺旋叶片高度条件下螺旋筒推进效率随螺距变化曲线

    Figure  25.  The curve of drive efficiency of screw cylinder with pitch under different screw blade's height conditions

    表  1  不同网格数量的计算结果

    Table  1.   The calculation results of different grid numbers

    网格数量计算结果/N
    54万1.371
    100万0.887
    207万0.883
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    表  2  不同浸没深度下螺旋筒水动力计算结果

    Table  2.   Hydrodynamic calculation results of screw cylinder under different submerged depths

    浸没深度
    (基于螺旋筒直径)
    浮力/N推力/N
    0.5倍38.4550.887
    0.6倍46.1461.034
    0.7倍53.8371.363
    0.8倍61.5281.443
    0.9倍69.2191.863
    1.0倍76.9100.781
    1.1倍76.9101.032
    1.2倍76.9101.208
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    表  3  样机相关参数

    Table  3.   Relevant parameters of the prototype

    参数
    长/mm760
    宽/mm470
    高/mm460
    总重/kg13.5
    螺距/m0.2
    螺旋筒长/mm600
    螺旋叶片厚度/mm10
    螺旋叶片高度/mm15
    螺旋筒直径/mm134
    最大螺旋筒外径/mm164
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    表  4  电子舱硬件仪器型号

    Table  4.   Type of hardware instrument in the electronics bay

    设备 型号
    电池 18650
    电机 M3508 P19 Brushless DC
    GNSS ZYSPR-F703
    无线数字数据链 DDL-MH
    交换机 LX-IS501-1
    PC104 SCM9022
    运动控制器 STM32F429
    IMU ELLIPSE2-A-G4A3-B1
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    表  5  螺旋筒优化设计计算结果

    Table  5.   The calculation result of optimal design of screw cylinder

    叶片高度/mm螺距/m推力/N速度/(m/s)扭矩/Nm推进效率
    150.2010.003 11.001 40.829 60.288 3
    150.2211.125 51.032 50.912 60.300 5
    150.2412.188 51.051 11.003 00.304 9
    150.2613.256 31.059 01.098 90.305 0
    150.2814.115 51.053 31.196 40.296 7
    150.3014.891 61.048 61.300 10.286 7
    170.2011.603 90.998 90.922 20.300 1
    170.2212.951 41.031 51.020 90.312 4
    170.2414.322 01.050 01.132 60.317 0
    170.2615.584 61.060 11.246 70.316 4
    170.2816.510 91.056 41.361 70.305 8
    170.3017.372 61.049 31.481 30.293 8
    190.2013.140 10.993 61.010 60.308 4
    190.2214.875 01.028 91.126 00.324 5
    190.2416.531 41.049 21.262 90.327 9
    190.2618.032 01.060 71.401 80.325 7
    190.2819.094 51.061 91.538 70.314 6
    190.3020.044 21.056 11.680 00.300 8
    210.2014.743 00.981 41.099 00.314 3
    210.2216.582 11.020 81.227 00.329 3
    210.2418.675 91.043 61.392 20.334 2
    210.2620.224 51.062 91.544 30.332 3
    210.2821.491 71.064 01.708 20.319 6
    210.3022.545 41.055 11.872 40.303 3
    230.2016.220 80.970 31.183 70.317 4
    230.2218.370 81.012 51.330 20.333 8
    230.2420.601 11.038 51.510 30.338 2
    230.2622.274 91.057 81.685 10.333 8
    230.2823.778 91.062 21.871 50.322 2
    230.3024.898 21.059 62.056 30.306 3
    250.2017.810 40.958 31.274 70.319 7
    250.2220.224 81.004 41.436 60.337 6
    250.2422.815 21.029 51.644 80.340 9
    250.2624.557 11.049 81.829 80.336 4
    250.2826.212 91.055 72.034 10.324 8
    250.3027.478 11.053 32.244 00.307 9
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    表  6  优化设计结果

    Table  6.   The result of optimized design

    参数 原设计值 优化设计结果 相对变化率/%
    螺旋叶片高度/mm 15 25 66.7
    螺距/m 0.20 0.24 20.0
    推进效率 0.288 3 0.340 9 18.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-28
  • 修回日期:  2024-03-13
  • 录用日期:  2024-03-25
  • 网络出版日期:  2024-05-14

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