Проектирование компактных дронов для малых морских роботов и дронов

Долговечность в суровых водных средах

Трубы должны выдерживать коррозию, биообрастание, давление на глубине и механический удар. Тюлени и подшипники должны быть водонепроницаемыми, часто с использованием магнитных муфт или уплотнений для губ. Для глубоководной работы (сотни до тысяч метров) для предотвращения коллапса необходимы методы компенсации давления, такие как заполнение маслом. Материалы должны противостоять коррозии соленой воды и УФ-деградации. Нержавеющие стали (316L), анодированный алюминий и инженерные пластмассы, такие как PEEK или Acetal, являются общим выбором. Биопорожнение может ухудшать производительность с течением времени; некоторые двигатели используют медно-никелевые сплавы или противообрастающие покрытия.

Шум и акустическая подпись

Для мониторинга окружающей среды или военной скрытности критически важен шум двигателя. Кавитация, шум подшипника и вибрация могут производить слышимые частоты, которые нарушают дикую природу или раскрывают робота. Профили гладких лопастей, углы перекоса и тщательное управление двигателем PWM помогают уменьшить шум. Дюктированные винты также могут снизить шум вихря наконечника. Некоторые конструкции используют насосные двигатели или двигатели с ободом для устранения выступающего вала и шума стойки.

Контроль и реагирование

Трубы для небольших роботов требуют быстрого динамического отклика для точного следования станции и траектории. Это требует роторов с низкой инерцией, высоких коэффициентов крутящего момента к инерции и адаптивных электронных контроллеров скорости (ESC). Векторные двигатели, которые могут наклоняться или вращаться, обеспечивают дополнительные степени свободы, но добавляют сложность. Обратная связь от моторных кодеров или датчиков зала позволяет контролировать скорость и направление пропеллера в замкнутом цикле.

Подходы к проектированию и архитектура движения

Для решения этих проблем было разработано несколько собственных и открытых стратегий проектирования, выбор которых зависит от размера транспортного средства, его глубины и эксплуатационного профиля.

Обычный пропеллер с прямым приводом

Самый простой подход использует двигатель BLDC, непосредственно связанный с винтом с фиксированной частотой. Это характерно для недорогих надводных дронов и мелководных AUV. Преимущества включают простоту, низкое количество деталей и простоту обслуживания. Однако двигатель должен быть полностью герметичен; часто обмотки двигателя закачиваются в смолу или размещены в устойчивой к давлению банке. Эффективность двигателя ограничена загрузкой винта и невозможностью оптимизировать углы лопастей для различных скоростей. Для двигателей мощностью менее 100 Вт диаметры винта варьируются от 30 до 100 мм.

Ducted Propellers (Кортовые сопла)

Окутывая винт в протоке, соотношение тяги к мощности улучшается на низких скоростях, а проток защищает лопатку от мусора. Дюктированные двигатели очень распространены на ROV и AUV класса инспекции. Проток может быть сформирован для ускорения потока и задержки кавитации. Однако проток добавляет вес и сопротивление на более высоких скоростях. Оптимизированные профили протоков с использованием CFD могут уменьшить эти штрафы. Коммерческие примеры включают в себя двигатели Blue Robotics T200 и T500, которые используют проточные конструкции для высокого крутящего момента при низких оборотах.

Rim-Driven Thrusters (RDT)

В приводном ремне винтовые лопасти крепятся к вращающемуся кольцу, которое является частью ротора двигателя. Статор встроен в проток. Это устраняет центральный концентратор и вал, уменьшая шум и сопротивление. РДТ компактны, могут быть очень плоскими (низкий профиль), и идеально подходят для микроавтомобилей. Их также легче запечатать, потому что нет вращающегося вала через корпус. Основной проблемой является эффективность магнитной связи и рассеивание тепла. Академические исследования и несколько коммерческих продуктов (например, от Thrusters норвежской компанией Eelume) демонстрируют их потенциал.

Насосная реактивная и водяная реактивная тяга

Для высокоскоростных надводных дронов или транспортных средств, которым необходимо работать в мелководных, сорных водах, насосных установках или водных струях, предлагается альтернатива. Импеллер внутри воздуховода ускоряет воду, которая выходит через сопло. Не существует открытых движущихся частей. Однако насосные установки обычно менее эффективны, чем открытые винты на низких скоростях и добавляют механическую сложность. Они используются в некоторых военных USV и высокоэффективных исследовательских транспортных средствах.

Биомиметические и колеблющиеся движители

Вдохновленные рыбой, лучами и китами, биомиметические двигатели используют колеблющиеся плавники, машущие хвосты или волнистые мембраны для генерации тяги. Они могут быть высокоэффективными на низких скоростях и производить меньше волнений. Они также по своей сути компактны, так как движительная поверхность часто удваивается как тело. Примерами являются роботизированная рыба, разработанная MIT и «RoboRay» из Университета Вирджинии. Основным недостатком является сложный механизм приведения в действие (сервоприводы, кабели, интеллектуальные материалы) и ограниченная максимальная скорость. Для небольших беспилотников этот подход остается в основном в исследовательской области, но коммерческие погружные игрушки и наборы любителей (например, OpenROV) иногда используют простые биомиметические хвосты.

Электрогидродинамические (EHD) трустеры

В новой концепции используются электростатические силы для проталкивания ионов через воду, производя тягу без движущихся частей. Двигатели EHD бесшумны, не имеют механического износа и могут быть чрезвычайно миниатюризированы. Однако плотность тяги в настоящее время на порядки ниже, чем у обычных пропеллеров, что делает их пригодными только для роботов микромасштабирования в контролируемых средах. Исследования продолжаются для повышения эффективности.

Материалы и производство для компактных друстеров

Выбор материала напрямую влияет на производительность и стоимость. Обычно используются следующие материалы и процессы:

• Алюминий 6061 или 7075: Анодированный для коррозионной стойкости; используется для корпусов двигателей, воздуховодов и винтовых концентраторов. Легкий, но может страдать от гальванической коррозии при контакте с нержавеющей сталью.
• Нержавеющая сталь (316L): Отличная коррозионная стойкость; используется для валов, крепежных элементов и сосудов под давлением.
• Титан (класс 5): Высокое соотношение прочности к весу, превосходная коррозионная стойкость, но дорого и труднее в машинном исполнении.
• Инженерные пластмассы (PEEK, Acetal, Nylon): Хороши для пропеллеров, протоков и корпусов с низким напряжением. Могут быть литые или напечатанные на 3D-принтере. Устойчивы к коррозии и легкости.
• Композиты из углеродного волокна: Используются для высокопроизводительных лопастей и протоков пропеллера для снижения инерции и повышения жесткости. Дорого, но предлагает лучшую прочность в весе.
• Магнитные материалы: Неодим-железо-боронные (NdFeB) магниты для высокоэффективных роторов BLDC. Они должны быть покрыты или инкапсулированы для предотвращения коррозии.

Аддитивное производство (3D-печать) все чаще используется для быстрого прототипирования компонентов подруливающего устройства, особенно металлического лазерного спекания для титановых или алюминиевых деталей, и FDM или SLA для пластиковых компонентов. Это позволяет использовать сложные внутренние каналы, решетчатые структуры для снижения веса и быстрой итерации гидродинамических форм.

Гидродинамическая оптимизация и CFD

Вычислительная гидродинамика (CFD) незаменима для современной конструкции двигателя. Инженеры моделируют поток вокруг воздуховода, пропеллера и концентратора для прогнозирования тяги, крутящего момента и эффективности. Типичные цели включают:

• Максимальная тяга при заданной RPM и входной мощности.
• Минимизация кавитации.
• Уменьшение разделения потока и турбулентности пробуждения.
• Оптимизация шага лопасти, распределения аккордов и перекоса.

Такие инструменты, как OpenFOAM, ANSYS Fluent и STAR-CCM+, являются общими. Для маломасштабных двигателей, работающих при низких числах Рейнольдса (обычно от 10^3 до 10^5), доминируют ламинарно-турбулентный переход и вязкие эффекты. Стандартные методы проектирования пропеллеров для больших кораблей не применяются напрямую. Дизайнеры часто используют теорию импульса лопасти, адаптированную для протоковых конфигураций, проверенную с помощью CFD и экспериментальных испытаний. Некоторые команды используют суррогатную оптимизацию для эффективного исследования пространства проектирования.

Тестирование и валидация

Перед развертыванием компактные двигатели должны пройти тщательное тестирование:

• Статическое измерение тяги: Использование испытательного стенда (например, нагрузочного элемента) в резервуаре для воды для измерения тяги против RPM и энергопотребления. Пропеллер погружен, а двигатель питается от известного напряжения/тока.
• Испытания в водотоках: Для измерения эффективности двигателя в условиях переднего потока, имитируя крейсерскую скорость. Это обеспечивает данные о тяге затвора и эффективности открытой воды.
• Испытание на давление: Для двигателей с глубокими характеристиками используется гипербарическая камера для проверки уплотнений, структурной целостности и функциональности двигателя на глубине. Испытания на цикличность давления имитируют повторяющиеся погружения.
• Долговечность и усталость: Продленные испытания на прогон (сотни часов) для оценки износа подшипников, утечки уплотнения и надежности двигателя. Ускоренное испытание на срок службы может включать в себя соль и тепловой цикл.
• Измерение акустического шума: Использование гидрофонов в анехических резервуарах для характеристики уровней звукового давления на частотах. Это особенно важно для приложений с низким уровнем шума.

Проекты с открытым исходным кодом, такие как Blue Robotics или проект ROV OpenROV, часто публикуют результаты тестов и файлы САПР, что позволяет сообществу копировать и улучшать проекты.

Проблемы и будущие направления

Несмотря на прогресс, остается несколько трудных задач. Решение этих проблем откроет новые возможности для небольших морских роботов.

Термическое управление на малых масштабах

Компактные двигатели вырабатывают тепло в небольшом объеме, а водяное охлаждение не всегда эффективно при низких скоростях потока. Перегрев может размагничивать магниты ротора или повредить обмотки. Исследуются передовые материалы, такие как высокотемпературные керамические магниты, обмотки из медной фольги и прямые каналы водяного охлаждения. Тепловое моделирование с использованием FEA помогает прогнозировать горячие точки.

Кавитация на высоких скоростях

Маленькие винты вращаются при высокой RPM, чтобы генерировать достаточную тягу, что может вызвать кавитацию даже на небольших глубинах. Кавитация разрушает лезвия, создает шум и снижает эффективность. Стратегии смягчения включают использование профилей сверхкавитирующих лезвий, протоков и увеличение площади лезвия. Для микро-трустеров кавитация может быть неизбежной; дизайнеры должны принять некоторые потери производительности и план для регулярной замены винта.

Биообрастание в долгосрочных миссиях

Рост морской среды на двигателях ухудшает производительность в течение недель до месяцев. Противообрастающие краски (на основе меди или силикона) помогают, но они могут выщелачивать токсины или терять эффективность. Механические стеклоочистители или ультразвуковые вибрирующие поверхности являются экспериментальными. Для AUV с большой выносливостью конструкция двигателя должна способствовать легкой очистке или быстрой замене.

Достижения в области умных материалов и актуации

Будущие двигатели могут интегрировать сплавы с памятью формы или пьезоэлектрические приводы для динамической настройки геометрии лезвия или протока, оптимизируя эффективность для различных скоростей. Такие «морфинговые» двигатели разрабатываются в университетских лабораториях. Они обещают значительный прирост эффективности, но требуют надежных алгоритмов управления и прочных материалов.

Уборка энергии и гибридное движение

Комбинирование двигателей с энергосберегающими системами (например, солнечные батареи на надводных беспилотниках или преобразование тепловой энергии океана для глубоких планеров) может продлить продолжительность миссии. Некоторые концепции используют сам двигатель в качестве генератора во время фаз планерирования. Гибридные системы, которые переключаются между пропеллером и биомиметическими режимами, могут предложить лучшее из обоих миров.

Стандартизация и модульность

Промышленность морской робототехники по-прежнему фрагментирована, со многими пользовательскими конструкциями двигателей. Стандартизированные интерфейсы (электрические, механические и коммуникационные) сократят время разработки и позволят обмениваться двигателями между различными транспортными средствами. Это цель стандартов FLT:0 WHOI AUV и инициативы по совместимости AUV .

Заключение

Проектирование компактных двигателей для малых морских роботов является многодисциплинарной задачей, требующей опыта в области проектирования электрических машин, гидродинамики, материаловедения и инженерии управления. Тенденция к более компактным, более способным дронам стимулирует непрерывные инновации в архитектуре двигателей - от обычных пропеллеров до обода и биомиметических конструкций. Используя передовые модели, новые методы производства и более интеллектуальные материалы, инженеры неуклонно преодолевают компромиссы размера, эффективности и долговечности. По мере того, как эти технологии созревают, морские роботы станут более гибкими, долговечными и способными работать в самых чувствительных и экстремальных подводных средах. Для тех, кто входит в поле, изучая существующие проекты с открытым исходным кодом, такие как руководство по проектированию двигателей Blue Robotics и взаимодействие с сообществом подводной робототехники обеспечивает прочную основу для инноваций. Будущее исследования океана и вмешательства зависит от этих миниатюрных двигательных систем, и следующие прорывы находятся за углом.