仿海蛇可分離AUV 設(shè)計(jì)

梁菲菲

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712000)

當(dāng)今社會(huì),海洋領(lǐng)土安全越發(fā)的成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由于海洋領(lǐng)土相比較于陸地領(lǐng)土更為廣闊,其區(qū)域的監(jiān)測(cè)與保護(hù)也更加復(fù)雜。為了在水下更加靈活地、隱蔽地進(jìn)行信息傳遞,執(zhí)行多個(gè)任務(wù),設(shè)想一種仿海蛇[1]的模塊化的水下航行器系統(tǒng),形成海洋信息組網(wǎng),監(jiān)聽(tīng)公共海區(qū),加強(qiáng)沿海防御,保證我方基地、港口、航道的安全性。見(jiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)

在安全海域,該航行器整體執(zhí)行工作；在危險(xiǎn)海域,該航行器關(guān)節(jié)分離,作為獨(dú)立個(gè)體工作。蛇體的關(guān)節(jié)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(guò)電流對(duì)脆斷螺栓加熱,通過(guò)其長(zhǎng)度的變化,將預(yù)先進(jìn)行削弱處理的螺栓直接通過(guò)微型爆破拉斷脫落,由于彈性力的作用關(guān)節(jié)分開(kāi)。見(jiàn)圖2 所示。

圖2 關(guān)節(jié)之間的連接圖(左)關(guān)節(jié)之間的分離圖(右)

獨(dú)立個(gè)體主要分為三部分：可變形蛇頭、誘餌關(guān)節(jié)組,偵查關(guān)節(jié)組。可變形蛇頭作為核心控制艙,相當(dāng)于指揮中心；誘餌關(guān)節(jié)組用于海戰(zhàn)時(shí)期作為誘餌使用；偵查關(guān)節(jié)組作為AUV 吸附到敵方目標(biāo)竊取信息。見(jiàn)圖3 所示。

關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)氣動(dòng)人工肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3]。氣動(dòng)人工肌肉結(jié)構(gòu)由三部分組成,分別是氣動(dòng)囊、氣動(dòng)內(nèi)外壁和氣動(dòng)控制艙。見(jiàn)圖4 所示。關(guān)節(jié)表面涂有高度耐蝕、耐溫、耐壓,高韌性,環(huán)保,長(zhǎng)效的ChemLINE 784 涂料[4],為航行器在惡劣的環(huán)境中工作提供了可能性。氣動(dòng)肌肉采用纖維加強(qiáng)的硅橡膠,氣動(dòng)內(nèi)外壁采用彈性壁和編織網(wǎng),對(duì)艙室內(nèi)部精密儀器具有減震保護(hù)作用。內(nèi)部三個(gè)氣腔閥獨(dú)立控制進(jìn)氣量來(lái)改變?nèi)齻€(gè)氣腔的壓力,最終氣動(dòng)控制艙接收到壓力信號(hào)實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的調(diào)整。

圖3 總設(shè)計(jì)框圖

圖4 氣動(dòng)肌肉外部圖(左)氣動(dòng)肌肉剖面圖(右)

1.1可變形蛇頭

蛇頭作為系統(tǒng)中樞,在安全海域中利用身體的靈活性實(shí)現(xiàn)靈活多樣的步態(tài),并且根據(jù)步態(tài)的特性以及所處的環(huán)境狀態(tài)及時(shí)調(diào)整步態(tài)。本設(shè)計(jì)中選擇層次化聯(lián)結(jié)中樞模式生成器(Hierarchical Connectionist Central Pattern Generator,HCCPG)模型[5],HCCPG 模型具有步態(tài)控制能力強(qiáng)、復(fù)雜度小、有良好的擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn), 使該仿海蛇可分離AUV 能夠輕易穿過(guò)窄裂縫或者孔洞等復(fù)雜環(huán)境,從而提高環(huán)境適應(yīng)能力。在危險(xiǎn)海域中,蛇頭時(shí)刻檢測(cè)偵查關(guān)節(jié)組的消息,在安全區(qū)域時(shí)伸展雙翼迅速上浮[6],將加密的信息反饋到海面上。見(jiàn)圖5 所示。

圖5 蛇頭變形圖

1.2 誘餌關(guān)節(jié)組

誘餌關(guān)節(jié)組作為模擬目標(biāo)誘餌,用于海戰(zhàn)時(shí)期。可變形蛇頭控制關(guān)節(jié)間分開(kāi),誘餌關(guān)節(jié)之間可以相互傳遞信息,形成覆蓋面很廣的水下通信系統(tǒng)[7],進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交換和信息交流,從而更全面的掌握整個(gè)覆蓋海域的信息,見(jiàn)圖6 所示。遇到尾流自導(dǎo)雷時(shí),四個(gè)誘餌關(guān)節(jié)組成平行四邊形陣列,成為誘餌關(guān)節(jié)組,同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部的煙火性聲納誘餌劑,有效地將尾流自導(dǎo)雷引誘到遠(yuǎn)處,到達(dá)一定距離后,后方誘餌關(guān)節(jié)和兩側(cè)的誘餌關(guān)節(jié)放出反魚(yú)雷網(wǎng)[8],引爆尾流自導(dǎo)雷。解除可變形蛇頭的威脅因素,保護(hù)蛇頭的安全。

圖6 誘餌關(guān)節(jié)組圖

1.3 偵查關(guān)節(jié)組

偵查關(guān)節(jié)組作為“情報(bào)采集員”獲取敵方目標(biāo)信息。母體在游至敵方艦船航道處,可變形蛇頭控制關(guān)節(jié)間分開(kāi),偵查關(guān)節(jié)組作為AUV 等待敵方艦船航行至目標(biāo)地點(diǎn),在監(jiān)測(cè)到目標(biāo)在可吸附范圍內(nèi)時(shí),伸出“手掌”吸附在目標(biāo)艦船上,并將信息發(fā)送至蛇頭。見(jiàn)圖7 所示。

圖7 偵查關(guān)節(jié)竊取信息圖

2 創(chuàng)新點(diǎn)

2.1 基于氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)裝置

關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)氣動(dòng)人工肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn)的。靈活性好,可大維度多自由度運(yùn)動(dòng)；摩擦小,能源利用率高,無(wú)污染；運(yùn)動(dòng)平滑而輕柔,噪聲小,利于隱身。纖維加強(qiáng)的硅橡膠構(gòu)成氣動(dòng)肌肉用彈性壁和編織網(wǎng)作為內(nèi)外壁,對(duì)艙室內(nèi)部精密儀器具有減震保護(hù)作用。

表面涂有高度耐蝕、耐溫、耐壓、高韌性、環(huán)保、長(zhǎng)效的ChemLINE 784 涂料,為航行器在惡劣的環(huán)境中工作提供了可能性。

2.2 仿生海蛇結(jié)構(gòu)

仿海蛇可分離水下航行器仿海蛇結(jié)構(gòu)[9],冗余度大,可以復(fù)雜海域的自由行進(jìn)；此外,必要時(shí)候可分層次多模塊可脫節(jié)式載荷,可以在必要時(shí)獨(dú)立執(zhí)行工作；關(guān)節(jié)間通過(guò)形狀記憶合金[10]制成的脆斷螺栓連接,使得關(guān)節(jié)脫落時(shí)產(chǎn)生噪聲小,能量利用率高,利于隱身。

2.3 誘餌關(guān)節(jié)組編隊(duì)

二維平行四邊形陣列相對(duì)一維編隊(duì),亮點(diǎn)利用率更高,更經(jīng)濟(jì),模擬的聲磁場(chǎng)范圍更大、更強(qiáng)、更具有引誘性,機(jī)動(dòng)性更好；非拖曳式誘餌,通過(guò)與母體之間的信息組網(wǎng)來(lái)通信,相對(duì)現(xiàn)有的拖曳式誘餌,機(jī)動(dòng)性更好,能夠?qū)Ⅳ~(yú)雷引誘到更遠(yuǎn)處,解決了拖曳式誘餌不能完全將魚(yú)雷引開(kāi)的缺陷,有效模擬大目標(biāo),為蛇頭創(chuàng)造安全環(huán)境。

2.4 有層次化的結(jié)構(gòu)的HCCPG 模型

HCCPG 模型能夠生成相位協(xié)調(diào)的多自由度運(yùn)動(dòng)控制信號(hào),從而解決了傳統(tǒng)CCPG 模型的步態(tài)生成問(wèn)題,具有步態(tài)控制能力強(qiáng)、復(fù)雜度小、有良好的擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn), 從而適合用于該蛇形航行器進(jìn)行三維步態(tài)的控制。

3 結(jié)論

仿海蛇可脫節(jié)水下航行器可以長(zhǎng)時(shí)間、大深度、自主地進(jìn)行多任務(wù)工作。該水下航行器仿生蛇結(jié)構(gòu),能夠輕易穿過(guò)窄裂縫或者孔洞等復(fù)雜環(huán)境,冗余度大,靈活度高,搜素范圍廣,不管在和平時(shí)期還是戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期都能發(fā)揮重要作用,具有良好的前景和深遠(yuǎn)的影響。和平時(shí)期：仿海蛇可脫節(jié)水下航行器可以進(jìn)行水下環(huán)境監(jiān)測(cè),地質(zhì)勘探,考古等作業(yè)。戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期：仿海蛇可脫節(jié)水下航行器氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng),行進(jìn)時(shí)噪音等可探測(cè)特征低,隱蔽性強(qiáng),戰(zhàn)場(chǎng)生存能力提高：帶有吸附盤觸手群的偵查關(guān)節(jié)組可以吸附在敵艦上,大范圍收集敵方信息,并發(fā)送至蛇頭,伺機(jī)將信息發(fā)送出去；遇到危險(xiǎn)時(shí),誘餌關(guān)節(jié)組編隊(duì)并點(diǎn)燃煙火性聲納誘餌劑,模擬目標(biāo)引誘并引爆來(lái)襲武器,解除可變形蛇頭的威脅因素,保護(hù)蛇頭的安全。可脫節(jié)特征使其可攜帶大量功能不同的設(shè)備,能同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)同時(shí)也使航行器的使用和維護(hù)更加靈活多樣。