圓水下機器人的“芭蕾”夢_風聞

大家好，我是一名水下機器人“萌新”，我來自中國科學院瀋陽自動化研究所，我有很多有名的哥哥姐姐，像是“海鬥一號”、“潛龍一號”、“小黃魚”等，他們的身影在各大媒體頻繁出鏡，讓我心生Respect！

（圖片來自網絡）

作為萌新，我在大佬們面前就是空氣，但我志（ying）不（gang）在（bu）此（guo）。他們體態龐大，功能複雜，但在水下不夠靈活。我的志向在於能像芭蕾舞演員一樣，有着窈窕的身姿，可以在水下翩翩起舞。

（圖片來自網絡）

於是乎，在中國科學院瀋陽自動化研究所海洋信息技術裝備中心的研究團隊幫助下，我的“芭蕾夢”有了希望。

研究團隊發現，制約水下機器人機動性有兩個方面。第一個是水下機器人為了潛入水下，都要帶個“大肚腩”，也就是浮力調節系統，而且工作深度越大，“肚腩”就越大。第二個是水下機器人的“小短腿”，也就是螺旋槳等水下推進器。現有水下機器人為了搭載更多載荷，多采用效率較高的螺旋槳推進器、泵噴推進器、輪緣推進器等，但是這些推進器在提高水下機器人機動性，尤其是高速下的機動性方面表現一般。

傳統水下機器人的“大肚腩”和“小短腿”

為了解決上述問題，研究團隊借鑑空用扇翼推進器，在學界首次提出了“水下扇翼推進器”的概念，併成功將其用於水下機器人，為水下機器人裝上“大長腿”，部分替代了浮力調節裝置，提高了水下機器人的機動性。

水下扇翼推進器可以定義為：“工作在水介質環境中，在固定機翼中嵌入可主動旋轉的橫流風扇的推進器。”通過橫流風扇的旋轉，該推進器可以產生顯著的前向力和垂向力。利用前向力推動機器人前進，利用向下的垂向力推動機器人潛入水下，進而替代浮力調節裝置。

水下扇翼推進器構型

基於水下扇翼推進器，研究人員研製了水下扇翼航行器（也就是我），小短腿改成了兩個“大長腿”，可以實現前進、下潛、變向、俯仰、橫搖等5自由度的運動，還成功減掉了“浮力調節”這個大肚腩。

水下扇翼航行器（忘記開美顏了/害羞/）

直線航行

下沉航行

轉彎航行

研究人員還對水下扇翼推進器的動力學特性等展開了深入研究，相關研究成果多次發表於國際學術期刊Ocean Engineering。

首先，研究人員選取了典型的水下扇翼推進器截面，對不同橫流風扇轉速、航速下的水下扇翼推進器展開仿真和實驗研究。

計算流體力學仿真（類似於“手繪X光照片”）

研究結果表明，水下扇翼推進器具有如下一般性特性：

隨着轉速的增大，推進器前向力、垂向力、轉矩和功率不斷增大。

隨着航速的增大，前向力先增大後減小，垂向力增大，轉矩和功率不斷增大。

除了一般性規律，水下扇翼推進器具有如下典型特徵：

在低航速、高轉速的工況下，前向力和垂向力的波動增大，轉矩增大，所消耗的功率提高。

航速越高，功率和轉矩越大。

存在最大效率點，且在最大效率點航速附近前向力取得最大值。

接着，研究人員選取了前開角、後開角、機翼上平面長度和迎流角等四個典型參數對水下扇翼推進器的固定機翼對於其水動力學特性的影響展開了研究。

固定機翼的四個典型參數

研究結果表明：固定機翼可以控制流入和流出橫流風扇流量和方向，也會影響到一些特殊流體現象的形成，如偏心渦的位置和大小，駐留渦、尾渦以及機翼上表面的邊界層分離等。

近期，研究人員還研究了橫流風扇內外徑比、葉片數量、葉片內角和葉片外角等參數對於水下扇翼推進器的水動力學和水聲學特性的影響。

橫流風扇幾何參數的選取

研究結果表明：橫流風扇葉片內角和葉片外角對流體的流入和流出橫流風扇起到主要作用，其做功充分與否主要受橫流風扇內外徑比的影響，葉片數量是對水下扇翼推進器水聲學特性影響最大的因素。

水下扇翼推進器的研究，得到了中國科學院戰略高技術創新基金、國家留學基金委、新加坡學術研究基金、機器人學國家重點實驗室等的大力支持。

未來，研究人員將對水下扇翼推進器展開更加深入的研究工作，包括水下扇翼推進器的理論機理，模塊化、實用化的水下扇翼推進器開發，幫助更多的水下機器人實現“芭蕾”夢。

來源：中國科學院瀋陽自動化研究所