Büyülü Kompakt Deniz Propulsion için

Küçük ölçekli deniz robotları - otonom sualtı araçları (AUVs), uzaktan kumandalı araçlar (ROVs), ve insansız yüzey gemileri (USVs) - çevre izleme, sualtı kontrol, arama-ve-rescue ve savunma uygulamaları dahil olmak üzere giderek artan bir şekilde, bu platformların kalbindeki şarj sistemi, ve bu tür robotlar için kompakt itkiler için kompakt itkiler, büyük gemi tasarımlarından farklı olarak, bu itkiklerin ve kontrollerin aksine, yüksek basınç kontrol noktalarının ve kontrollerin yüksek düzeyde kullanılmasını sağlar.

Anahtar Tasarım Tahminleri

Küçük deniz robotları için Thruster tasarımı çok-objective optimizasyon problemidir. Mühendisler, uygulanabilir bir sistem elde etmek için çatışma koşullarını dengelemelidir. Aşağıdaki faktörler çok önemli:

Boyut ve Ağırlık Kıtları

Her bir iter kütlesi doğrudan yük kapasitesi, batarya dayanıklılık ve araç manevra kabiliyetine sahiptir. Robotun hull veya aşırı yükleme olmadan dışlanmış olmalıdır. Bu sürücüler yüksek enerji-density motorlar, bütünleşik elektronikler ve hafif malzemeler, alüminyum alaşımlar veya 1 kg'dan az) için, iter çapındaki uçaklar, hassas üretim ve dikkatli ısı yönetimi gerektiren 20 mm olarak küçük olabilir.

Güç Verimliliği ve Battery Life

Gemi enerjisi en değerli kaynaktır. Thruster verimliliği - pompa başına kadar pompalanır - görev süresini belirler. Küçük araçlar genellikle 100-500 Wh ve tipik bir iter 10-50 W sürekli olarak tüketebilir.Dörtücü verimsiz, düşük maliyetli olan manevra kabiliyetine sahiptir.[Döneticileri)

Harsh Aquatic Environments'te Durability in Harsh Aquatic Environments

Thrusters, derin-altınlık, basınç derinliğine ve mekanik şoklara dayanmalıdır.Sorunlar ve UV bozulmalarına karşı koymak gerekir.Pektif veya dudak mühürlerini kullanarak. Derin-altı operasyonu (yüzlüler binlerce metreye kadar), baskı tazminat teknikleri - bazı yağ dolumları - bakır-nickel alaşımları veya UV bozulmalarını önlemek için gerekli.

Gürültü ve Akustik Signature

Çevre izleme veya askeri çalkantı için, iter gürültü kritik. Cavitation, gürültü taşıyan ve vibrasyon, vahşileri rahatsız eden veya robotu açığa çıkaran hassas frekanslar üretebilir.

Kontrol ve Yanıt

Küçük robotlar için Thrusters, aşağıdaki sabit istasyon koruma ve yörünge için hızlı dinamik bir yanıt gerektirir.Bu talepler düşük seviyeli rotorlar, yüksek tork-to-inertia oranları ve yanıtlı elektronik hız kontrolleri (ESCs) Vector iters that can tilt or returns to drive from motor encoders or hall sensörleri kapalı hız ve yön kontrollerini sağlar.

Tasarım Yaklaşımları ve Propulsion Architectures

Bu kısıtlamalara ulaşmak için çeşitli özel ve açık kaynak tasarım stratejileri ortaya çıktı. Seçim araç büyüklüğü, derinlik derecelendirmesi ve operasyonel profiline bağlıdır.

Doğrudan Drive ile Konvansiyonel Pereller

En basit yaklaşım, sabit bir pervaneye doğrudan birkaç kez standart bir motor kullanır.Bu, düşük maliyetli yüzeyli uçaklar ve sığ su AUVs. Avantajları, düşük parçalar say ve bakım kolaylığı sağlar. Ancak, motor tamamen mühürlenmelidir; genellikle bir basınç-bin mm'de motor rüzgarları yağdırılır.

Ducted Propellers (Kort Nozzles)

Bir kanalda perrouding, it-to-power oranı düşük hızlarda artar ve dükler bıçakları enkazdan korur.Kapatlı iterler ROVs ve denetim sınıf AUVs üzerinde çok yaygındır ve hızlanan yüksek tork için yüksek çözünürlükte tasarlanabilir.

Rim-Driven Thrusters (RDT)

Bir rim-güdümlü iterde, pervane bıçakları motor rotorun bir parçası olan bir dönen ringe bağlanır. Bu, merkezi ve mil, gürültü ve sürüklenme. RDTs kompakt, çok düz olabilir (düşük profil), ve mikro-vehicles için idealdir. Ayrıca hull üzerinden dönen mil var çünkü ana meydan okuma manyetik darbe verimliliği ve ısı dağılımıdır.

Pump-Jet ve Water Jet Propulsion

Yüksek hızlı yüzeyli uçaklar veya araçlar için sığ, sert sularda çalışmanız gereken araçlar, pompa-jetler veya su jetleri alternatif bir alternatif sunuyor. Bir noluluk içinde bir kovalamalar su, ki bu da hiçbir maruz kalmamış parçalar. Ancak, pompa-jetler genellikle düşük hızlarda daha az verimli ve mekanik karmaşık karmaşıklıkta kullanılır. Bazı askeri USVs ve yüksek performanslı araştırma araçlarında kullanılır.

Biyomimetic ve Oscillating Propulsors

Balık, ışınları ve balinalar tarafından ilham alın, biyomimetic iterler, camlar, ya da ayak uydurma membranları itmek için çırpın. Bunlar düşük hızlarda ve daha az uyanma rahatsızlıkları ile çok verimli olabilir. Ayrıca, tahrik edici yüzeyler genellikle MIT tarafından geliştirilen robot balığı ve Virginia Üniversitesi'nden "RoboRay" geliştirilmiştir.

Ducted Electro-hidrdynamic (EHD) Thrusters

Gelişen bir konsept, su yoluyla iyonları önermek için estatik kuvvetler kullanır, hareketsiz parçaları üretmeden itir. EHD iterleri sessiz değildir, mekanik aşınma yoktur ve aşırı minitize edilebilir. Ancak, itme yoğunluğu şu anda sadece kontrol edilen ortamlarda mikro ölçekli robotlar için uygun emirlerin siparişidir.

Compact Thrusters için malzeme ve üretim

Malzeme seçimi doğrudan performans ve maliyet etkiler. Aşağıdaki malzemeler ve süreçler yaygın olarak kullanılır:

  • [FONT 6061 veya 7075: [Dönetici: 1] Korozyon direnci için bir yöntem; motor konutları, kanalları ve pervanik merkezler için kullanılır, ancak paslanmaz çelik ile temas halinde galvanic korozyondan muzdarip olabilir.
  • [FONT:0) Kozmetik Çelik (316L): [Dönlüdür: [Düzücüler, taşıyıcılar ve baskı gemileri için kullanılır. Heavier alüminyumdan daha.
  • [FONT:0)Titanium (Grade 5): [Düzücük yüksek güç ağırlık oranı, üstün korozyon direnci, ancak pahalı ve makine için kullanılan makine.
  • [FONT:0)Mühendis Plastikler (PEEK, Acetal, Faks): [Dönderler için iyi, en düşük ücretli konutlar ve düşük ücretli konutlar için enjeksiyon yapılabilir.
  • [FONT:0)Carbon-Fiber Kompozitler: Yüksek performanslı pervaner bıçaklar ve inertia ve sertlik artırmak için girişler için kullanılır.
  • [FONT:0)Magnetic Malzemeler: [Dönetici: [Dönetici:0] Neodymium-iron-boron (NFedB) yüksek verimli BLDC rotorları için mıknatıslar. korozyonu önlemek için kaplamalı veya enkaplarlı olmalıdır.

Ek üretim (3D baskı) hızla özel iter bileşenlerinin prototiplenmesi için daha fazla kullanılır, özellikle de titanyum veya alüminyum parçalar için metal lazer sintering ve FDM veya SLA plastik bileşenler için. Bu, karmaşık iç kanalların, lattice yapılarına ağırlık azaltımı sağlar ve hızlı iterasyon sağlar.

Hidrodinamik Optimizasyon ve CFD

C ⁇ sıvı dinamikleri (CFD) modern iter tasarımı için vazgeçilmezdir. Mühendisler kanal etrafında akır, pervane ve verimlilik tahmin etmek için merkezler kanallarını ve verimliliğini tahmin etmek için kanalize eder. Tipik hedefler şunlardır:

  • Belirli bir RPM ve giriş gücüne itmek.
  • Resepsiyonun kapatılması.
  • Akışı azaltmak ve turbulence uyandırmak.
  • Bıçak atışı, koordinasyon dağılımı ve skew.

OpenFOAM, ANSYS Fluent ve STAR-CCM+ gibi araçlar, düşük Reynolds sayılarında çalışan küçük ölçekli iterler için (tipik olarak 10.3 ila 10.5), laminar-turbulent geçiş ve viskous etkileri hakimdir. Standart pervane tasarım yöntemleri genellikle doğrudan uygulamaz. Tasarımcılar genellikle girişli konfigürasyonlar için uyarlanmış, doğrulanmış ve deneysel testler ile doğrulanmış. Bazı takımlar tasarım alanını keşfetmek için temel optimizasyona dayalı optimizasyon kullanır.

Test ve Geçerlilik

Dağıtımdan önce, kompakt iterler titiz teste maruz kalmalıdır:

  • [FONT:0]Statik itme ölçümü:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir test standı (örneğin, bir yük hücresi) vs. RPM ve güç tüketimi ölçmek için bir su tankında, pervane alt üsttedir ve motor bilinen bir gerilim/şimdi tarafından desteklenir.
  • [FONT:0)Water tünel testi: [Dönder: 1) İleri akış koşullarındaki sabit performansı ölçmek, hızlandırmak için.Bu, bol miktarda çekme ve açık su verimliliği konusunda veri sağlar.
  • [FONT:0)Basın testi: [Döne gelen iterler için, hiperbaric oda mühürleri, yapısal bütünlüğü ve motor işlevselliğini derinlikte doğrulamak için kullanılır.
  • [FONT:0) Süreklilik ve yorgunluk: [Dönetici: [Dönetici: 0,2] Genişletilmiş run testleri (geçmişler, takmak, mühür sızıntı ve motor güvenilirliği değerlendirmek için) yapılır.
  • [FONT:0) Akustik gürültü ölçümü: [Dönetici: 0,4][/FONT=0) Bir parçada hidrofonlar kullanarak ses basınç seviyelerini frekanslarda karakterize etmek için özellikle önemlidir.

Açık kaynaklı iter tasarımları, Blue Robotics veya ROV projesi OpenROV gibi, genellikle test sonuçları ve CAD dosyaları yayınlar, topluluğun tasarımları tekrarlayıp geliştirmelerine olanak sağlar.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

İlerlemeye rağmen, bu birçok zor zorluk kalır. Bu, küçük deniz robotları için yeni yeteneklere sahip olacaktır.

Küçük Ölçlerdeki ısı Yönetimi

Kompakt iterler küçük bir hacimde ısı üretir ve su soğutması her zaman düşük akış oranlarında etkili değildir. Aşırı ısıtmalı rotor mıknatıslarını veya rüzgarlara zarar verebilir. Yüksek sıcaklık seramik mıknatısları gibi Advanced malzemeler, bakır folyo rüzgarları ve doğrudan su soğutma kanalları araştırılır.

Yüksek Hızlarda Ayırma

Küçük pervaneler yeterince sert üretmek için yüksek RPM'de döner, bu da sığ derinliklerde bile cavitasyona neden olabilir; tasarımcılar normal pervaneler için bazı performans kaybı ve planı kabul etmelidir.

Uzun süreli Misyonlarda Biyofouling

Deniz büyüme, yıllarca performans gösterir. Anti-fouling boyaları (kopper-based veya silikon tabanlı) yardım eder, ancak toksinleri veya etkinliğini kaybedebilirler. Mekanik veya ultrasonik olarak vibrating yüzeyler deneyseldir. uzun süredir, iter tasarımı kolay temizlik veya hızlı bir şekilde değiştirilmesi gerekir.

Akıllı Malzeme ve Aklımlık

Future iters, form-memory alaşımları veya pastazoelektrik hareketleyicileri dinamik olarak bıçak atış veya iyon geometrisi ayarlamak için optimize edebilir, çeşitli hızlar için verimlilik optimize eder.Bu tür "moring" itkiler üniversite laboratuarlarında geliştirilmektedir. Önemli verimlilik kazanımlara söz verir, ancak sağlam kontrol algoritmaları ve dayanıklı malzemeler gerektirir.

Enerji ve Hibrit Taht

Enerji-harvesting sistemleri ile itenler (örneğin, yüzeyli uçaklar veya okyanus ısı enerjisi dönüşümleri üzerinde güneş panelleri derin glizler için) misyonu süresini uzatabilir. Bazı kavramlar, pervane ve biomimetic modları arasındaki geçiş sırasında kendini jeneratör olarak kullanır.

Standartlaştırma ve modülerlik

Deniz robotları endüstrisi hala parçalanmış, birçok özel iter tasarımlarıyla. Standartlaştırılmış arabirimler (elektriksel, mekanik ve iletişim) gelişim süresini azaltır ve farklı araçlar arasındaki değişen itkileri etkinleştirir.Bu, AUV Standartları ve [[AUV Interoperability Initiative.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Küçük ölçekli deniz robotları için kompakt iterlerin tasarımı, hidrodinamik, malzemeler bilim ve kontrol mühendisliği konularında uzmanlık gerektiren çok disiplinli bir meydan okumadır.Daha küçük, daha yetenekli uçaklar sürekli inovasyonu iten, deniz robotları daha çevik, daha uzun süreli ve biyomimetik tasarımlara bağlıdır.