巡航式自主水下航行器‘浦岛’

ProceedingsofTheTwelfth （2002） InternationalOffshoreandPolarEngineeringConference日本北九州，May2631,2002 -版权所有 2002byTheInternationalSocietyofOffshoreandPolarEngineersISBN1 - 880653 - 58 - 3 （集），ISSN1098 - 6189 （集）巡航式自主水下航行器浦岛青木太郎，Tadahiro Hyakudome,村岛隆，冈村，Hidehiko Nakajoh日本海洋科学技术中心（海洋研究开发机构），横须贺，日本前田敏夫，广河清三菱重工业株式会社，日本神户Shoujirou Ishibashi东京大学海洋产品，东京，日本摘要现在有很多关于因全球环境的破坏造成沙漠化及全球变暖的讨论。海洋研究开发机构已开始进行海洋流动和海洋扰动 的机制研究并作出澄清。水下航行器系统已被认为是解决这些未知之数的有效手段之一.我们的水下航行器的发展计划有两个步骤。它的第一步骤（自主水下航行器-摄录一体机，代号EX1），名为浦岛，自 1998年制成。在2000年6月已经开始远洋测试，且这测试持续数年。这些年来该设备的硬件和软件将逐步改善，浦岛测 试的目标是在3500米的深度，并在300公里的自由航行能力.水下航行器通常意味着无线水下航行器，在这个类别里利 用声波遥控水下航行器.在世界上大多数的水下航行器是声波远程操控的，但并非完全自主的。浦岛的开发是一个完美 的自主。继水下航行器-EX1摄录后，水下航行器第二步EX2将有下潜深度6000米的能力，航行范围超过5000公里，它 将开始制造。关键词：自主水下航行器，无人驾驶航行，全球变暖，燃料电池，惯性导航系统引言潜水器（遥控车）已被评价为水下电视监视装置，或是工作的工具。但是，无电缆航行器（自主水下航行器）还没有 得到足够的赞赏。最近，有很多就沙漠和地球变暖的扩张已造成对全球环境的破坏进行讨论。这种反常现象应引起的热 不平衡或在大气、海洋之间的相互作用等。从这个角度，我们正在进行对流通和海洋扰动的机制的研究作出澄清。正考 虑的水下航行器系统是解决这些问题的有效手段之一，自1998年以来我们已开始建立一个大的水下航行器浦岛（如图1 所示）。我们计划建立分析海水大样本的系统，该系统包括加速器质谱（AMS）和一个收集水样本水下航行器。自1998年起，ASM 已经开始分析水样本。它分析了花环提尔采样器现已收集的样品，提供高精度碳的信息，以及每一年可以检查3000多个 样本。我们的水下航行器浦岛有一个自动水质采样系统涉及200个采样细胞，一 CTDO系统（电导率，温度，深度，和 溶解氧）进行地球物理研究。该发射水下航行器的推动力我们的海洋研究船，巡航自主三个航速（最大速度为4节）。在开发该水下航行器有一些工程问题。最重要问题是动力之源。考虑到未来，我们已开发了两个动力源，高能量密度的 可充电电池；锂离子电池（锂离子电池），高效节能电源；固体聚合物电解质燃料电池PEFC）。PEFC将是未来航行器 巡航范围超过1000公里有效的的动力源。图1浦岛在其支援舰YOKOSUKA 9.7 （长）x 1.5 （高）x 1.3 （宽）米，空气中7.5吨.浦岛结构浦岛体结构的设计是基于我们将在未来建造6000米水下航行器类的假设。2000米深度以下浅水的AUV的机构，可为相 同的海军潜艇，它不只有一个大的压力宽容船体且使用特殊的浮力材料。这大压力相当于6000米深，远离潜艇的类型。 我们选择的结构类型与我们的载人潜水SHINKAI6500相同，因此在未来建设水下航行器EX2时没有必要改变主要的设计 思想。在浦岛一般安排如图2所示。有几个大的船体是由钛的合金制成，一些小的船体是由高强度铝合金固定的钛架制 成（图3）。浮力材料是由微型泡沫玻璃璃做的，该材料被设置到其中的空间。玻璃钢罩覆盖了整个航体。图2浦岛一般配置的燃料电池和锂离子电池.图3钛架玻璃钢罩盖。动力源燃料电池没有燃烧或中间步骤，所以它不会产生噪音或振动，该燃料电池的主要优势是能源效率高。有这样的可能， 燃料电池可以直接输出，而无需像这柴油发动机或斯特林发动机的发电机发电。固体聚合物电解质燃料电池（PEFC）发 电以及水使用氢气和氧气，没有生成强酸，强碱，因此它是对地球是温和的（图4, 5）。从1991年起，我们就开始研究 水下设备的燃料电池系统。一个1.5千瓦的原型已经开发和改进，在1998年开发4千瓦系统，浦岛将能以3kt的速度航 行300公里。另一方面，在油浸和压力下，在1995年，补偿锂离子充电电池（30Ah电池）已经开发，是用于常设电池。一个较大的 电池（100Ah电池）在1999年已完成。电池系统（130V 300Ah）是由3个100Ah团体并联组成，是设置为浦岛主电池直 到2002年。使用这些锂离子电池，该航行器将能航行100公里。图4由压力宽容钛合金制造的燃料电池发生器例子。图5千瓦固体聚合物的滚动试验机电解质燃料电池。混合电源,燃料电池和锂电池燃料电池系统将完成直到2002上半年。我们将继续测试浦岛锂离子电池，并在2002年完成自主功能。锂离子电池是 好的，但它不能像PEFC能满足自主水下航行器远程。因为，能力扩展比例随着巡航范围增加而增加，航行器的维度和 重量也增大。在2002年下半年，我们将改变主电源使其从300Ah锂离子电池改变成燃料电池系统。该混合动力系统将包括4千瓦燃 料电池系统和30Ah锂离子电池。扩展式光纤调试浦岛有三个操作模式，包括乌罗夫运作模式，声远程模型，和自主模型。我们将逐步推进，通过乌罗夫模式和声远程 模式，以完成它是自主的航行器。乌罗夫模式意味着小直径1毫米）光纤电缆是连接水下航行器与它支持的船舶。在乌 罗夫运作模式下，通过光纤电缆很容易收集水下航行器状态参数，发现机制、硬件或软件方面的错误和麻烦。导航系统为完善自主导航最重要的设备是ISN （惯性导航系统）.我们必须努力研发高精度惯导。ISN的基础是础是光环形激光 陀螺仪。3年前我们改善了一个用在日本航天火箭科学空间的惯导.，它的错误率为每小时0.5海里。现在浦岛的惯导是 0.2英里每小时。到2002年我们将完成每小时0.1海里，到2005年为0.01英里每小。然后，它能够在11千米航行误差 300公里。声波遥测彩色图像利用声波遥测，彩色电视图像可以每秒被发送到支援舰，航行器状态参数也可发送。当然，水下航行器是由支援舰链 接命令控制的。我们能得到链接图像半真实及时的，并选择其中一台彩电摄像头侧扫描声纳，或避障声纳。图像的质量非常好（图6）。这一新的声学遥测系统是非常有用的，不仅没有损失调试系统的安全，还可探索海底，因此它是浦岛 强大的能力之一。彩色电视图像传输系统在新一代水下航行器是不可或缺的。图6通过声波遥测从水下航行器到支援舰的彩色电视图像传输。研究全球变暖浦岛有两大任务，其中之一是用于全球气候变暖的研究。1997年，我们从高电压技术欧罗巴BV公司购买加速器质 谱（图7），这种光谱仪能够提供高精度碳信息约12C、13C、14C比率从250CC组海水。浦岛具有由200个细胞组成得 自动水质采样器（图8）。该电池的容量是250cc组。图7加速器质谱仪。图8自动水质采样器。海底探索另一项任务是海底勘探，浦岛有侧扫描声纳，一套微光电子照相机，彩色电视摄像机，音响和电视摄像机（图9）。这声电视摄像机是一种独特的成像声纳，及时获得实时的声像。从上摄像机中选出图像，通过声数字信号把图像从水下 航行器传输到支援舰。出色稳定性行驶的浦岛适合海底研究。图9彩色电视摄像机和照明，自导声纳系统，并与丙烯酸透镜声成像仪。图10浦岛海试后收回。海洋试验及计划浦岛在2000年18潜水，实现1753米的深度。在海上试验后的回收现场，如图10所示。我们可以得到清晰的电视图 像与声学遥测传输，发现许多缺陷，解决麻烦，但也收集了许多赢利数据和浦岛参数。2001年10月浦岛潜入3,518米， 并巡航70公里。2002年夏季，浦岛将尝试运行超过100公里长。在实验结束后，在秋季它将安装上燃料电池，装上燃 料电池的浦岛将开始海上试验。参考Aoki, T.et al.(1997). “Development of a Fuel Cell Power Source for Long Range AUV, ” Underwater Intervention.Aoki, T.et al.(1993). “Development of Expandable Optical FiberCable ROV System,” Proc 3th Int offshore andPolar Eng Conf.Tamura, K.et al.(2000). “The Development of The AUV -URASHIMA-, ” OCEANS MTS / IEEE.Aoki, T.et al.(2001). “Deep and Long Cruising AUV Hybrid-powered with Li-ion Battery and Fuel Cell,”Underwater Intervention.