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新型温差能驱动水下滑翔器系统设计

王延辉，张宏伟，武建国

摘 要：温差能驱动水下滑翔器使用海洋温差能作为驱动能源，只使用少部分电能用于控制和传感系统，其巡航范围和工作时间远远大于其它种类的水下航行器，与电能驱动水下滑翔器相比也具有明显优势.文章给出了温差能驱动水下滑翔器各功能模块设计和试验，并进行了总体系统的水域试验，验证了系统设计的有效性.
关键词：水下航行器；水下滑翔器；温差能；驱动
中图分类号：P715.5, TP24 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2009) 03-0051-04

Design of a new type underwater glider propelled by temperature difference energy

WANG Yan-hui, ZHANG Hong-wei, WU Jian-guo
(School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract: The underwater glider which is driven by temperature difference energy uses little electric energy to the control and communication system. Thus its cruise range is much longer than other kinds of Underwater Vehicles. And also it has many advantages than the underwater glider driven by electric energy. The main modules designs and experiments are analyzed. And the effectiveness of the whole underwater glider system is verified by the tests in the water area.
Key words: Underwater Vehicle; underwater glider; temperature difference energy; drive

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0 引言
水下滑翔器是在自持式中性浮标的基础上发展的一种海洋观测技术，以补充漂流浮标不具有自主水平运动和定向航行的功能.1978年，Woods Hole海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，简称WHOI）讨论把SOFAR浮标改进，增加水平移动的功能[1].水下滑翔器的原始概念由海洋学家Henry Stommel于1989年正式提出[2]，并由海洋科学家Doug Webb等人于1995年研制出水下滑翔器，命名为Slocum，用于海洋参数测量[3-4].
作为一种新型的海洋传感器搭载和运输平台，水下滑翔器不同于传统的水下机器人，它通过改变自身体积与重力的比例实现升沉运动，并通过尾舵摆动[4]或改变横滚姿态实现转向运动[5-6].这种工作方式使得水下滑翔器巡航范围和时间均有显著提高，增加了海洋监测的能力.目前水下滑翔器浮力驱动系统的能源供给形式分为两种，一种是使用电能驱动，另一种则利用海洋表层与深水层的温度差实现浮力改变.与电能驱动的水下滑翔器比较，温差能驱动水下滑翔器由于使用海洋环境能源作为系统的驱动能源，其巡航范围和时间又有显著提高，同时由于不使用功率较大的电机作为动力源，其水下运行平稳安静，具有极小的噪音和扰动，更适于海洋环境监测[4].表1给出了典型的水下航行器、Slocum电能驱动水下滑翔器和Slocum温差能驱动水下滑翔器的性能.
温差能驱动水下滑翔器自概念提出，受到海洋科学家普遍关注，其技术也有了快速发展.2000年10月，温差能驱动水下滑翔器第一次成功实现了水域测试.

收稿日期：2008-09-23；修回日期：2009-04-13
基金项目：国家自然科学基金重点项目（50835006）；国家自然科学基金青年基金（50705063）；天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目（09JCZDJC23400）.
作者简介：王延辉（1979-），男，博士后，主要研究方向：水下机器人和海洋装备.

此后，其技术一直进行改进 [7].我国对温差能驱动水下滑翔器的研究开始于2004年，天津大学和国家海洋技术中心合作，成功研制了温差能驱动水下滑翔器试验样机，并进行了水域试验.此滑翔器在空气中整体质量约为50 kg，工作深度可达100 m，携带温度传感器获取运动水域的温度信息.此外，滑翔器可以利用水域表面与深水层约10℃的温差产生浮力驱动，浮力调节量为±0.5 N，并通过电能控制，调整耐压壳体内部姿态控制机构的状态，使滑翔器重心与浮心产生相对位移，以控制滑翔器的姿态.
表1 三种水下潜器性能参数
潜器名称
质量
推进方式
驱动能源
工作深度
在位作业时间
巡航范围
典型水下自航行器
几十千克~几吨
螺旋桨
电池电能
几十米~几千米
几小时~几十小时
几十~几百公里
Slocum电能水下滑翔器
50kg
浮力改变
电池电能
200 m
20天

几百公里
Slocum温差能水下滑翔器
约52 kg
浮力改变
海洋温差能
2 000 m
4年~5年
几千公里

1 系统设计
温差能驱动水下滑翔器整体布局如图1所示，根据功能，其结构主要分为以下4个功能模块：主体模块，包括耐压壳体及其附件，姿态调整模块，控制与通讯模块，浮力调节模块.本文对各功能模块分别进行设计.

水下滑翔器
整体固紧件
TCM电子罗盘
加强肋
偏心旋
转重物
偏心旋转重物
末端定位件
俯仰姿态调整
机构驱动电机
控制电路板和
电机驱动器
支架固定端
蓄能腔
工作腔
外皮囊
外压力
传感器
固定垂
直尾翼
温度传感器
电磁阀
内皮囊
内部压力
传感器
固定水平翼
支架
平移重物
耐压壳体
滚转驱动电机
电池
前耐压舱

图1 温差能驱动水下滑翔器系统布局示意图

1.1 主体模块设计
水下滑翔器的主体结构可产生内部耐压舱，以保护舱内的仪器和设备不受外部水域条件干扰.主体模块设计主要包括：耐压壳体的型体优化设计、壳体材料选择、各舱段密封形式设计、内部装配空间优化设计、加工成型制造工艺研究、外部附体设计.
水下滑翔器的耐压壳体外形及其附件决定了滑翔器的水动力特性，很大程度上影响了滑翔器的运动性能.为此，在已知排水量的情况下，兼顾内部构造与内部空间的利用情况，设计需要尽可能优化水阻力，提高滑翔器性能.水下滑翔器采用中间舱段为圆柱壳体，两端舱体为半椭球壳体设计，圆柱壳体直径200 mm，椭球截面的偏心率为3.5，壳体长度为1 860 mm，壳体壁厚6 mm.考虑到加工的工艺性和水下滑翔器的工作环境，耐压壳体材料选用硬铝合金材料.后端舱体为浸水设计，用于安装外皮囊和部分测量传感器，减少水阻力，同时用于固定垂直尾翼.外皮囊与水下滑翔器外部的环境直接接触，通过改变外皮囊的体积来改变整个滑翔器的体积，进而改变浮力.
1.2 姿态调整模块设计
姿态调整模块是水下滑翔器系统的重要组成部分，机构的合理设计是水下滑翔器能够实现预定的运动规律和良好运动性能的前提.姿态调整机构主要包括俯仰姿态调整机构以及滚转姿态调整机构，它们共同安装在一个方形导轨上.对于俯仰姿态调整机构，选取平移机构总重量5 kg，可实现在平衡位置前后20 cm的平移运动，运动最大速度可达0.011 m/s.其运动通过安装在平移重物上的齿轮和固定于导轨上的齿条之间的啮合来实现.滚转姿态调整机构的整体重量5 kg，偏心量（偏心旋转机构的重心与旋转轴的距离）0.1 m，可实现绕导轨的±40°的偏转.其运动通过安装在偏心重物上的齿轮和固定于导轨上的齿轮啮合实现.俯仰姿态调整机构和滚转姿态调整机构的设计结构如图2和图3所示.
1.3 控制与通讯模块设计
控制与通讯模块具有水下滑翔器运动状态监控功能，用于控制姿态调整机构，获得理想的航行状态，同时模块具有接收指令，规划航迹，发送存储数据等功能.根据水下滑翔器的功能要求，文章选择分布式控制系统结构，将其自上而下分为组织层、协调层和执行层.然后根据选定的结构，研究电路硬件系统的实现，并对硬件编程，进行软件设计，实现预定功能.
方形
导轨
被动锥齿轮
主动
锥齿轮
驱动
电机
齿轮支架
固定
齿条
传动对称直齿轮

图2 俯仰姿态调整机构结构示意图
末端定位件
固定大齿轮
小齿轮
驱动电机
方形导轨

图3 滚转姿态调整机构结构示意图

1.4 浮力调节模块设计
温差能驱动浮力调节模块利用一套类似于热机的液压系统，通过和水域环境的热量交换，获得驱动能量，使水下滑翔器浮力改变，进而实现系统整体水中的升沉运动.浮力调节模块中含有两种介质：工作介质和传递介质.工作介质用于感受外界环境变化，常温下即可发生固－液两态的相变，并产生相应的体积变化.传递介质用于把工作介质的体积变化通过液压系统传递给外皮囊，使外皮囊体积发生相应改变.
其工作原理如图4所示[8-9]，工作腔（1）感受环境温度变化.工作腔（2）为蓄能器，预充压力略高于滑翔器的设定工作深度压力，本文给定1.2MPa.滑翔器下沉过程中，环境温度的降低使得工作介质体积缩小，内皮囊内的传递介质流入工作腔（1）.上升过程中，工作介质体积膨胀，传递介质从工作腔（1）流入蓄能器（2）中，为滑翔器系统储能，以用于下一次外皮囊体积涨大做功.工作腔设计承压为1.2 MPa，采用夹层圆柱壳体，工作介质放于圆柱夹层中，其中夹层的外壁作为中后端耐压壳体，与外部环境直接接触，夹层的内壁用来固定安装水下滑翔器内部器件，此设计使得滑翔器的结构更加紧凑，工作介质与环境的热量交换效率更高.蓄能腔和内、外皮囊均选隔膜蓄能器和蓄能器专用皮囊，并通过电磁阀和液压管路连接，完成设计.
工作介质（1）
传递介质
外皮囊
真空阀门
两位两通
电磁阀
（4）
流量控制装置
内皮囊
单向阀
蓄能器
（2）
（3）

图4 热机系统工作原理[8,9]

2 主要功能模块单元试验
2.1 姿态调整模块试验
姿态调整模块的联调试验主要根据水下滑翔器的工作特点，选取典型角度0°、±15°、±20°、±30°作为滑翔器滚转姿态角的参考值，观察姿态调整系统的调整误差.
试验装置如图5所示，具体过程为：设定水下滑翔器需要保持的一组横滚角度，分别为0°、±15°、±20°、±30°，在此基础上根据姿态调整模块的实际姿态角驱动伺服电机，进而调节偏心旋转重物的角度，以使模块达到预设偏转角度.

图5 姿态调整模块联调试验装置图

根据试验结果，可以得到横滚角的误差与初始角、目标角的关系，如图6所示.图中曲线代表各不同的初始角状态.由试验结果可以看到，姿态调整模块的横滚角度在-30°~30°的工作范围内，其角度误差基本在1°左右，满足设计要求.
1.50
1.00
0.50
0.00
-0.50
-1.00
-1.50
-2.00
-40
-30
-20
-10
0
10
20
-30°
40
-20°
-15°
0°
15°
20°
30°
目标角度/(°)
误差角度/(°)
30

图6 姿态调整模块试验曲线

2.2 浮力调节模块单元试验
试验主要用于验证温差能浮力调节模块的做功能力，在海洋环境小温差下，其浮力改变的实现情况.通过模拟海洋环境温度，实现获得外皮囊体积变化率与时间和环境温度的关系.图7为皮囊体积膨胀率与温度和时间的关系.由试验结果可以看出，此模块能够利用温度差产生系统的浮力改变，达到了预期的设计目标.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
2
4
6
8
10
12
24.1℃
25.8℃
22.5℃
时间/min

体积膨胀变化率/%

图7 外皮囊体积变化试验结果

3 系统水域试验
为验证新型温差能驱动水下滑翔器的总体性能，将上述各功能模块在单元试验的基础上进行集成，并选择我国千岛湖水域进行了样机的宽水域试验.试验过程中获取了多组千岛湖水域夏季垂直剖面温度数据，图8为其中的8组数据.
5
10
15
20
25
30
35
-35
-30
-25
-20
-15
-10
-5
0
温度/℃
深度/m

图8 千岛湖温度剖面试验数据
分析数据可以看出，夏季千岛湖水域在水深5 m~15 m之间存在明显温度跃变，由表层的约30℃温度变化为深水层的10℃左右，这为新型温差能驱动的水下滑翔器提供了理想的工作环境.试验过程和结果验证了温差能驱动水下滑翔器的设计目标，样机能够利用千岛湖的水域温差实现动力驱动.

4 结论
温差能驱动水下滑翔器作为一种新型的水下自航行器，使用海洋表层与一定的深水层温度差产生动力驱动，而只使用一小部分电能用于控制和通讯，因而其航程和航行时间均大大增加.同时由于温差能驱动水下滑翔器噪音和振动小，使其成为海洋长期监测的理想平台.
本文给出了一种新型的温差能驱动水下滑翔器的整体设计，并分别讨论了各主要模块的设计过程和功能试验.通过整机的水域试验验证了设计的有效性，为温差能驱动水下滑翔器进一步技术发展提供了经验.

参考文献：
[1] Webb D. SOFAR floats for POLYMODE [C]//Proc. Oceans’77 Conf., Los Angeles, CA., U.S.A., 1977, 2: 44B- 1-44-B-5.
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