基于AVR单片机控制的水下推进器设计

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基于AVR单片机控制的水下推进器设计

董　浩，赵雪梅

(扬州大学 机械工程学院，江苏　扬州　225000)

摘要：为了保证水下机器人能够快速有效地执行指定的任务，性能优良的推进系统是必不可少的。设计了一种高效率的导管螺旋桨水下推进器，采用三维造型软件SolidWorks设计推进器整体结构，运用ANSYS对推进器外壳进行静力分析，以校核推进器壳体的结构强度，利用ATmega 16单片机实现对螺旋桨推进器的运动控制，最后通过水下实验对推进器的运动和密封性能进行了验证。

关键词：推进器设计；静力分析；AVR单片机；水下机器人

0　引言

目前应用最广泛的水下机器人推进系统是螺旋桨推进器，相比于其他类型的推进器，如液压推进器、喷水推进器、磁流体推进器等，其优点在于结构简单、控制简易、动力强、效率高。在理想工作条件下，螺旋桨推进器的效率可以达到75%～85%。

导管式推进器是目前推进器 的主流形式，导管螺旋桨也称套筒螺旋桨，它是在敞式螺旋桨的外围加上一个环形的套筒构成的。导管的剖面呈机翼形，外侧平直，内部呈弧形，主要分为加速型导管(收缩管)和减速型导管(扩张管)。当水下机器人在低速状态下，导管螺旋桨可提高效率20%，因此设计一种结构合理的导管螺旋桨推进器对于提高水下机器人的工作效率具有实用意义。本文在现有螺旋浆的基础上设计了一款结构简单、控制方便的导管推进器。

1　推进器机械结构设计

1.1　推进器外形结构设计

为了减少推进器在水中的阻力，提高水下推进器工作效率，推进器外形通常采用流线型， 目前，广泛采用细长圆柱形耐压壳体，这种结构容易加工制造，内部空间利用率高，流体运动阻力小。壳体材料通常选取6061铝合金，该材料具有极佳的加工性能、优良的焊接及电镀性、良好的抗腐蚀性、高韧性及加工后不变形、材料致密无缺陷、易于抛光、上色膜容易、氧化效果极佳等优良特点。6061铝合金的极限抗拉强度为310 MPa，拉伸屈服强度280 MPa，抗压屈服强度280 MPa。

推进器的耐压壳体受海水的外压力作用，属于外压容器，在计算受外压的壳体时，可不必用薄壳理论去计算强度，而是只进行壳体的稳定性计算。推进器壳体属于短圆筒，工程上常用经验公式计算圆筒的稳定性。根据现有螺旋浆的基本参数(如表1所示)，初步确定壳体长度为103 mm，外径为Φ38 mm。

表1　螺旋桨基本参数

基本参数参数值浆面直径(mm)Φ50桨叶数量(叶)4螺距比0.9盘面比50螺旋桨材质6061铝合金旋向左旋螺旋桨处理方式阳极氧化

壳体厚度t(mm)可由下式估算：

.

(1)

其中：pc为破坏压力设计值，MPa；R为圆柱平均半径，mm；σs为材料屈服强度，MPa；β1为减缩系数(考虑肋骨尺寸和间距)。

β1一般为0.7～0.9，壳体内部不需要肋骨，故β1取0.9；水下100 m处的压力大约为1 MPa，故取pc=1 MPa。将相关参数代入式(1)，经计算得t≈0.061 mm，为了方便加工取t=2 mm。外壳部分包括上端盖、上壳体、下壳体、下端盖、电机支架，如图1所示。

1.2　推进器密封方式选择

由于推进器在深水工作，推进器内部装有电机等其他器件，因此整个推进器的密封性能要足够好，以免内部器件受到腐蚀而损坏。推进器密封形式主要分为静密封和动密封。静密封是指密封部位之间没有相对运动，动密封是指密封部位之间有相对运动，根据相对运动的方式动密封又可分为往复密封和旋转密封。

图1　外壳结构示意图

推进器上包含了这两种密封方式。下端盖与下壳体的密封以及上端盖与上壳体的密封属于静密封，选择O型圈作为静密封元件，O型圈密封是常见的密封方式，是典型的挤压型密封，一般安装在密封沟槽内起密封作用，其结构简单、密封效果好而且型号已经标准化和系列化，在静止条件下工作压力可达400 MPa；旋转轴的密封属于动密封，油封工作压力可达3 MPa，选择油封作为动密封元件。电缆与下端盖之间的密封通过防水密封接头实现，该接头工作压力可达10 MPa。

1.3　推进器其他部件选择

大多数中小型推进器使用直流电机作为动力元件，主要为普通有刷直流电机和无刷直流电机。无刷直流电机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电机，相比有刷直流电机，其最大特点在于没有换向器和电刷组成的机械接触结构，通常采用永磁体作为转子，没有激磁损耗，没有换向火花，运行可靠，动力强，维护方便，因此选择三相无刷直流电机作为动力元件，该电机空载情况下最大转速可达20 000 r/min，工作电压为直流12 V，最大工作电流30 A。轴承采用带法兰的深沟球轴承，采用对称布置的形式。为了减少能量传递过程中的损耗，用刚性联轴器将电机输出轴和螺旋桨浆轴连接起来。

1.4　推进器的装配

推进器主要由9部分构成。本文使用SolidWorks对水下推进器结构进行设计并完成装配，装配图如图2和图3所示。

1-导管；2-螺旋浆；3-油封；4-轴承；5-联轴器；

6-电机；7-壳体；8-防水密封接头；9-电缆

图2　推进器装配图

1.5　推进器壳体有限元分析

对设计好的推进器壳体进行强度分析，验证结构是否满足强度要求。本文利用ANSYS Workbench进行有限元分析。将三维模型导入后，设定一些基本参数，例如材料特性、单位等，然后对实体进行网格划分，网格划分情况如图4所示。划分好网格之后施加约束和载荷，最后进行求解，求解结果如图5所示。壳体所受最大应力为9.669 3 MPa，小于6061铝合金的屈服强度280 MPa，说明推进器外壳体满足强度要求。

图3　推进器装配体轴测图

2　推进器控制系统设计

推进器动力装置采用的是三相无刷直流电机，目前一般采用PWM(脉宽调制技术)控制电机的运转。ATmega 16单片机拥有3个通用定时/计数器，两个8位的定时/计数器T/C0和T/C2，1个十六位的定时/计数器T/C1。本文利用T/C1定时器资源模拟产生PWM波，通过单片机上的I/O口(PB0)输出，根据选用电机的特性，输出的PWM波周期为20 ms，高电平时间为1.5 ms，高电平时间调节范围1 ms～2 ms，因此T/C1高8位TCNT1H赋值0XFF，低8位TCNT1L赋值0XF2，每次定时0.1 ms进入中断，中断15次，PWM波产生程序框图如图6所示。其中T1_num为中断次数变量。通过改变高电平时间来改变占空比，通过无刷电子调速器与单片机配合，从而实现电机正反转和速度的调节。

图4　壳体的网格划分图

图5　壳体应力分布云图

3　推进器水下实验

由于条件有限，只进行了浅水实验，将装配好的推进器(如图7所示)放在水池里，进行运转和密封性能测试。无刷电子调速器工作电压为直流12 V，采用12 V锂电池供电。给单片机提供5 V电源，推进器水下测试情况如图8所示。

图6　PWM波产生程序框图

先将推进器放在水中静置一段时间，测试推进器的静密封性能，静置1 h后取出推进器，观察内部可变色干燥剂没有变色，说明静密封性能可靠。然后进行动密封测试，在运行期间内，通过单片机上的独立按键调节电机的转速和转向，运转情况一切正常。运行1 h后将推进器从水中取出，检查密封情况，发现事先放在内部的可变色干燥剂没有变色，壳体内部无渗漏现象。说明推进器的动密封性能可靠。

图7　推进器实物图

图8　推进器水下测试图

4　总结

本文在现有螺旋浆的基础上设计了一种高效率的导管螺旋桨水下推进器，设计过程中采用三维造型软件SolidWorks设计推进器整体结构，运用ANSYS对推进器外壳进行强度校核，利用ATmega 16单片机实现对螺旋桨推进器的运动控制，最后通过水下实验对推进器的运动和密封性能进行验证。实验表明该推进器密封性能良好，为深水实验提供了基础。

参考文献：

[1]蒋新松，封锡盛，王棣棠.水下机器人.沈阳：辽宁科学技术出版社，2000.

[2]胥德孝.液压和气动设备的密封.北京：中国标准出版社，1979:16-42.

文章编号：1672-6413(2016)04-0176-03

收稿日期：2015-10-08；

修订日期：2016-05-17

作者简介：董浩(1989-)，男，江苏盐城人，在读硕士研究生，研究方向：水下机器人设计与控制。

中图分类号：TP368.1∶TP391.7

文献标识码：A

Design of Underwater Propeller Controlled by AVR Single-chip Microcomputer

DONG Hao, ZHAO Xue-mei

(College of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225000, China)

Abstract： In order to guarantee the underwater robot can perform specified tasks quickly and efficiently, the good performance of propulsion system is indispensable, general underwater robot propulsion system is the propeller. The purpose of this paper is to design a high efficiency of underwater propeller. The structrue of a duct propeller is designed using three-dimensional modeling software SolidWorks, the static analysis is carried out on the propeller shell to check the structural strength of the propeller shell by ANSYS, using ATmega 16 single-chip microcomputer to realize the motion control of the propeller. Finally, the movement and sealing performance of the propeller are validated through the underwater experiments.

Key words： propeller design; static analysis; AVR microcontroller; underwater robot