基于模糊自适应的水下机器人控制系统设计论.doc

摘 要我国江河湖海水域众多，拥有大量的水下设施，这些水下设施的状况需要及时检测，这就迫切需要一种水下清刷检测机器人来完成这些任务。本文主要针对水下构筑物表面特点，对水下构筑物清刷检测机器人系统进行了设计研究。本文首先对水下机器人的发展现状及趋势进行了介绍，提出了水下构筑物清刷检测机器人整体设计方案。本文根据水下构筑物表面特点合理选择了吸附方式，按照需要进行了自由度的选择，并依据相关要求和标准对各种附件进行了选型，对清刷机构和推进系统进行了设计研究，应用三维制图软件UG设计出机器人水下部分整体结构，进行了重心和浮心的校核，并应用有限元分析软件ANSYS对框架结构进行了应力分析。本文还以所设计的水下构筑物清刷检测机器人为平台，建立了固定和运动坐标系，推导出水中一般运动方程，并根据水下构筑物清刷检测机器人的不同工况，分别对水中航行工况和水下构筑物表面作业工况进行了运动受力分析。在推进系统设计上，本文综合考虑了自由度要求和背力吸附要求，提出了一种六推进器布置方案；在推进器设计中，参照船舶推进系统设计思路，根据水下机器人总体设计要求，提出了一种设计方法：通过螺旋桨的设计理论和现有螺旋桨相关参数和特性，求得螺旋桨转速和直径，从而推算出驱动电机所需的功率，再进行具体设计参数调整校核。关键词：水下机器人；清刷机构；整体结构；推进系统；运动受力分析ABSTRACTAmong the enormous lakes,rivers and seas dotted in our territory,there are plenty of underwater facilities that require regular examinations where underwater cleaning and detection sets would be needed.In this paper,for the characteristics of underwater structures,a specific underwater cleaning and detection robotic system is designed.In the light of current tendency of underwater robots,the overall design scheme of this robot is released.Type selections of attachments in accordance with related requests and standards coupled with researches on cleaning mechanism and propulsion system are carried out after a suitable sorption pattern and its freedom of motion having been determined by virtue of the features of underwater structures.Stress analysis of the framework is given by ANSYS,prior to which centres of grativity and buoyancy are checked when having built up the overall structure of the underwater parts in UG.In addition,a common kinematic equation is deduced based on the two coordinate systems that a fixed coordinates and a moving one upon the platform which this robot has offered.The equation has carried out kinematic stress analysis for both the submergence and the cleaning-detection operations on the basis of different work conditions.An experiment result of stimulating the underwater robots movements in both horizontal and vertical directions in FLUENT proves it live up to our expectations.For the propulsion system,comprehensively integrating freedom and back force sorption,a scheme of six propellers is revealed. As regards of the propeller whose philosophy refers to the propulsion system of vessels and ships,according to the overall design request of the robot.we have,for an order of logic ,computing the revolving speed and diameter of the propeller in view of theroies by propeller propeller design theory and existing related parameters and features ,and then calculating moter power, ending this process with the adjustment of all the propeller parameters.Keywords: underwater robot;cleaning mechanism;overall structure;propulsion system;kinetic stress analysisIII目 录第一章 绪 论11.1引言11.2 水下机器人发展现状及趋势11.2.1水下机器人发展现状11.2.2水下机器人发展趋势51.3课题研究的来源和意义51.4本文主要研究内容6第二章 水下机器人总体系统设计72.1总体功能、系统结构及自由度选择72.1.1功能指标72.1.2水下清刷检测机器人系统结构72.1.3自由度选择82.2整体框架设计82.2.1框架结构设计82.2.2框架结构有限元分析102.3吸附方式选择122.4密封装置设计132.4.1密封舱结构设计132.4.2密封舱和电缆的密封132.4.3动密封的选择142.5清刷机构设计152.5.1清刷机构系统组成152.5.2刷子结构设计152.5.3可伸缩传动机构设计162.5.4驱动电机的选择172.6附件的选择182.6.1姿态传感器的选择182.6.2水深传感器的选择202.6.3湿度传感器的选择202.6.4水下摄像机和水下照明灯的选择212.7本章小结22第三章 水下机器人推进系统设计233.1推进方式选择233.2推进器布置设计233.2.1推进器布置注意事项233.2.2推进器布置方案设计233.3 推进器设计243.3.1推进器设计理论基础253.3.2螺旋桨选型263.3.3驱动电机选型273.3.4螺旋桨及驱动电机参数的确定273.4 本章小结34第四章 水下机器人整体结构设计354.1整体结构设计注意事项354.2整体结构设计364.2.1密封舱及浮力块的布置设计364.2.2水平布置推进器的布置设计364.2.3整体结构设计374.3 重心与浮心的计算与校核384.3.1重心的计算384.3.2浮心的计算394.3.3重心与浮心的校核404.4本章小结41第五章 水下机器人运动受力分析425.1引言425.2坐标系建立及转换425.2.1坐标系的建立425.2.2坐标系的转换435.3水下机器人6自由度运动的一般方程及简化455.3.1水下机器人6自由度运动的一般方程455.3.2 水下机器人6自由度运动一般方程的简化475.4 水下构筑物清刷检测机器人在水中航行时的运动受力分析475.4.1 在水中航行时的受力分析475.4.2 在水中航行时的运动分析505.5 水下构筑物清刷检测机器人在作业时的运动受力分析515.5.1 作业时的受力分析515.5.2 作业时的运动分析515.6 本章小结52第六章 FLUENT仿真实验及结果分析536.1 FLUENT仿真模型的简化536.2 FLUENT仿真模型的网格划分546.3 FLUENT仿真实验及结果556.3.1 FLUENT仿真实验边界条件和模型的选择556.3.2 进退运动实验结果556.3.3 升降运动实验结果576.4 实验结果分析586.5 本章小结59第七章 总结与展望607.1 总结607.2 展望60参考文献62V第一章 绪论第一章 绪 论1.1引言随着煤炭、石油等不可再生资源的不断消耗，能源危机日益临近，而水资源作为清洁可持续开发能源之一，愈来愈被人类重视，人类对水资源的开发利用也将更加深入，这对我们的开发与研究能力提出了新的挑战1。同时，随着世界经济对海洋的依赖程度不断增加和利用海洋资源的不断深化，各国对海洋资源的争夺也不断加剧。从世界上过去几十年发生的战争来看，海洋不仅成为各国海军的跳板，美国介入的战争几乎都离不开海洋；甚至更成为了直接争夺的对象，最典型的战例就是英阿马岛海战，马岛面积虽然不大，但拥有了马岛就拥有了马岛周围200公里的专属经济区。水下机器人作为人类认识、开发、利用水资源的重要工具，已经越来越被各国所重视。从20世纪70 年代起，很多国家就开始水下机器人的开发研制工作，我国从1980年开始了这项工作，在“八五”和“九五”期间，我国6000米深水水下机器人CR-01的研制成功，使我国成为世界上掌握此项高新技术的少数几个国家之一。水下机器人以其独特的优势，在水下观察、摄像、通信、救生、捕捞、施工作业和特殊军事行动中得到广泛应用。目前，各国对海洋开发的程度很大程度上取决于对水下机器人的开发研究能力。水下机器人作为一个高度集成的自动化设备，除集成有水下机器人载体的推进、控制、电源、导航、传感器等仪器设备，还可以根据应用目的不同，配备声、光、电等不同类型的探测仪器，作业型水下机器人还配备了不同功能的机械手等设备。因此，对水下机器人的开发研究也越来越受到各个国家的重视。1.2 水下机器人发展现状及趋势1.2.1水下机器人发展现状从1953年第一台水下机器人下水至今，经过60年的发展，如今水下机器人的品种和数量都已经非常多。水下机器人按照用途来分大致可以分为观察型、测量型和作业型水下机器人，其中观察型和测量型水下机器人有些资料给统称为探测型或者观测型水下机器人；按照结构形式划分，可分为流线式（如图1.1）和开架式（如图1.2）两种；按照有无脐带缆划分，又可以分为有缆水下机器人（ROV）和无缆水下机器人（AUV）；按照作业深度又有深水和浅水之分；按照重量和体积还可以分为大型、中型和小型水下机器人3。图1.1 Iver2 Autonomous Underwater Vehicle 图1.2 Predator ROV 水下机器人发展初期，由于当时相应技术还不够成熟，电子设备和通信设备故障率高，并没有收到人们的重视。直到60年代，随着世界上第一台ROV“CURV1”在美国的成功研制，以及1966年“CURV”在西班牙沿海将失落在868米水深处的氢弹成功打捞，水下机器人技术才开始引起人们的广泛重视4。70年代，随着ROV在海洋开发研究和军事等方面的广泛应用，ROV产业初步形成。AUV作为后起之秀，具有活动范围大、适应能力强、不怕电缆和水草等缠绕、可进入比较复杂结构中、对水面系统要求简单等优点，成为各国研究和发展的热点。但是AUV由于受到能源和通讯问题的困扰，目前在实际应用方面受到一定的限制5。ROV主要由水面设备和水下设备两部分组成。水面设备通常包括控制台、主处理系统和脐带缆车；水下设备通常由密封舱、推进器、集成控制板、传感器、摄像头、水下照明和作业设备等组成6。ROV通过脐带缆从水面控制台获得各种操作控制指令和动力电源，脐带缆同时还担负着上传ROV水下工作状态和信息数据以及紧急情况下收回ROV的任务。所以 ROV 由于其操作、运行和控制等行为最终由水面处理能力强大的计算机与操作员通过人机交互的方式进行，能实时控制水下设备的运动状态，实时观察水下探测目标信息和图像。因而ROV总体决策水平往往远高于 AUV。但是ROV由于脐带缆长度有限，活动范围较小，并且容易造成缆线水下缠绕故障，同时在繁忙的水道作业时，脐带缆易被其它船舶碰撞挂带导致失效或断裂，给使用带来影响7 。 ROV 是最早进行研究开发和应用的水下机器人。世界上的海洋大国如美国、英国、法国、俄罗斯、瑞典、加拿大都开发研制了各种类型的 ROV 系统8，目前已经有数千种艘用于不同任务，下面列举几个典型的 ROV作为代表来说明目前的发展状况。瑞典Ocean Modules公司的V8 Sii(Search, Identification, Intervention)是一种多功能水下机器人平台，也是开放的、可模块置换的模块化平台9。如图1.3所示，V8 Sii可根据用户需要选配扫描成像声纳(用于浑浊的水域)、机械手或简单作业工具、声学定位系统、采样设备等。V8 Sii将水下机器人技术发展到一个新的高度，其独一无二的八矢量推进器配置和目前最为先进的Spot.on控制系统使得可在全空间六个自由度上精确操纵机器人进行机动。V8ii随机安装的多种传感器可随时获得机器人的状态信息，以便系统通过负反馈实现自动定深、自动定向和自动姿态控制的功能，从而获得机器人的超级稳定性，这是目前市场上其他水下机器人无法比拟的优越性能。图1.3 V8 Sii法国的ROV公司设计、制造的深水ROBIN号ROV（水下6000米），曾随法国 “IFREMERS NAUTILE”号潜艇于1987年用来寻找几十年前沉在大西洋底的“泰坦尼克”（TITANIC）残骸。而H1000 ROV（如图1.4）是法国海军用来寻找1000米海底船只及飞机残骸的特选装备10。图1.4 H1000美国JW公司的SeaLion2（如图1.5）型ROV水下机器人能进行300米深度的水下作业，支持最长线缆450米，配备有前方和后方的云台摄像机，可具有 50广角镜头和90俯仰角度。配备金属探测器时，可以搜索武器、未爆弹药、管路线路等其他金属物体11。图1.5 SeaLion2 图1.6 Seamor300T加拿大Seamor Marine公司Seamor 300T（如图1.6）是一款经济有效的侦测级水下机器人，不但便于携带，而且还配有长达355米的双绞线系绳，可承受快速运动、性能敏捷、且操作及系绳维护都很简便。同时还配有90瓦的助推器、高清的彩色摄像机、深度可达300米12。英国AC-CESS公司AC-ROV（如图1.7）配备了6个推进器，水下灵活性非常好，其中前进、后退和侧向移动的所有动力由4个横向推进器提供。其设计使用的矢量推进器，作用等同于4个前进推进器和4个侧向推进器的作用13。 图1.7 AC-ROV 图1.8 H300-ROV法国ECA Hytec公司生产的浅水型H300-ROV（如图1.8）框架采用聚丙烯材料和不锈钢制成，配有4个推进器，其中两个作水平运动控制用，另外两个分别用于垂向和侧向运动控制。为了在浑浊的水中使用，配备了双频声纳、低光导航黑白摄像机、带二维激光测量的彩色可缩放相机、超短基线跟踪系统和传感器数据链14。我国的第一艘ROV由中科院沈阳自动化研究所1986年研制成功15，2012年4月28日，由上海交通大学自行研制的3500米ROV“海龙号”（如图1.9、1.10）随我国“大洋一号”大洋考察船从三亚凤凰岛起航，执行中国大洋第26次科考任务。此前，2009年10月，“海龙号”跟随大洋第21航次，在东太平洋海域发现了由我国首次自主发现的巨大热液黑烟囱，并利用机械手抓取7公斤黑烟囱喷口样品，为我国在海底热液和深海生物的研究提供了大量宝贵资料和数据；2011年2月，“海龙号”在大洋22航次中，在南大西洋洋中脊区对硫化物区域进行全程观测和录像，拍摄下大量极有价值的照片和录像资料，并取得大量海底地质和生物样品，具有重要的科学研究价值16。 图1.9 “海龙号”吊放画面 图1.10“海龙号”作业监控场景1.2.2水下机器人发展趋势随着海洋认识和开发的需求的增加，以及水下机器人技术的日渐成熟，水下机器人未来发展将朝着更深、更远、更专业、模块化和协同化方向发展17。更深：地球上97%的海洋深度在6000米以上，因此，发展6000米以上深海水下机器人必然是水下机器人未来的发展趋势。更远：目前水下机器人的活动范围还有限，ROV的活动范围受到了缆线的限制，而能源、导航和通信技术则限制了AUV的活动范围，随着海洋开发的不断深入，未来的水下机器人的活动范围也急需扩大。更专业：水下机器人的专业化程度越来越高，这是市场和技术的共同需求，一种型号或者一台水下机器人不可能完成所有的任务，它们将只针对某个特殊的需求，配置专用设备，完成特定任务，水下机器人的种类会越来越多，分工会越来越细，专业化程度会越来越高。模块化：同一型号水下机器人更换模块可具有多种功能，机器人本体则是一个平台，通过搭载不同的模块，而具备不同的功能，完成不同的任务需求。协同化：单一水下机器人的功能总有局限性，面临需求时，多种功能机器人协同作业完成更加复杂任务，是机器人技术发展的又一趋势。1.3课题研究的来源和意义本文课题来源于江苏省科技计划项目，项目名称为水下构筑物探测机器人系统。我国江湖河海水域众多，据不完全统计，只各种水库大坝就有86000余座18，为世界之最，各种泵站、桥墩、船闸、水下管道等水下设施更是不计其数。然而，在86000余座水库大坝中有近三分之一由于年久失修以及自然灾害等原因已经成为危坝，其他水下设施状况也不容乐观。这些设施中很多终年都在水下，我们平常很难知道它们的具体状况，由于在水面和水下的环境不同，有些暴露在水面和在水下的状况也不一样，这些都需要进行水下检测。水下构筑物长时间在浸泡在水中有的会有泥沙的沉淀，有的还会生长一些水生物，沉淀的泥沙和生长的水生物覆盖在水下构筑物的表面对我们的检测带来了困难，很难知道被检测对象的具体状况，这就需要先除去表面附着物才能检测到水下构筑物的实际状况。通过潜水员进行水下作业和检测不仅安全系数低、效率不高，而且会消耗的大量人力、物力和财力。本文特别从中小型水利设施的检测和勘察实际出发，研究一种带有淸刷机构装置，装备水下视觉检测设备的小型有缆水下机器人，使之能够在狭窄、水质有污染、有一定危险的浅水环境中作业，主要用于水坝、大堤、闸门、桥梁、涵道、近海工程等水下设施的经常性检测。用水下机器人代替潜水员来完成清刷检测任务，不仅提高安全性和工作效率，而且投入费用少，具有广泛的应用前景。1.4本文主要研究内容论文主要对水下构筑物清刷检测机器人的清刷机构、推进系统、本体结构以及附件的选型进行设计，在此基础上对水下构筑物清刷检测机器人进行运动受力分析研究，并进行仿真实验。本文研究内容具体章节安排：第一章主要对机器人发展现状与趋势和课题的来源与意义进行简要的介绍，并阐述了本文主要研究内容；第二章针对水下构筑物清刷检测机器人的特点，提出了系统设计总体指标要求，并对整体框架、清刷机构、密封装置、检测设备、附件等进行设计和选型；第三章对推进系统选型、具体布置和设计参数进行具体的研究；第四章对水下构筑物清刷检测机器人整体结构进行设计，并校核重心和浮心；第五章主要对水下机器人一般运动方程进行研究，并针对本文所设计的机器人两种工况分别进行运动受力分析；第六章对本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人进行仿真实验，并对结果进行分析；第七章对本文所研究内容进行简要总结，并对下一步研究工作提出展望。9第二章 水下机器人总体系统设计第二章 水下机器人总体系统设计2.1总体功能、系统结构及自由度选择2.1.1功能指标通过对课题研究来源和意义的研究与分析，确定水下清刷检测机器人的总体功能和指标。水下清刷检测机器人总体功能：水下清刷检测机器人能实现对水下构筑物表面附着物的清刷并检测水下构筑物的状况。水下清刷检测机器人具体指标：尺寸：长860mm、宽560mm、高450mm（不含万向轮和刷头部分）重量：2025kg水中前进最大速度：1.21.5m/s水中升降最大速度：0.50.8m/s构筑物表面最大移动速度：0.81.2 m/s最大下潜深度：100m清刷能力：能有效清刷水下构筑物表面附着物2.1.2水下清刷检测机器人系统结构开架式水下机器人具有便于布置安装推进器、电源、密封舱、作业机构和各种探测设备等，易于调整总体重心和浮心，便于各种调试研究，因此，开架式结构广泛用于各种功能水下机器人的设计。另外ROV由于具有实时传输大量信息、能持续长久给水下设备提供能源的优点，成为水下作业型机器人的首选。因此，本课题所研究设计的水下清刷检测机器人为开架式ROV。水下构筑物清刷检测机器人由本体、清刷机构、检测系统和控制系统四个结构系统组成，分为水面设备和水下设备两个部分，通过脐带缆进行连接互通，其中水面设备包括主处理器、操控台及控制手柄；水下设备包括框架载体、推进器、密封舱（含控制电路板等）、摄像头及照明设备、清刷机构、传感器等；脐带缆含有钢缆、电源线、信号传输线等。工作原理：操作员通过水面设备输入操作控制指令，脐带缆将控制指令和能源传输到水下设备，水下设备进行响应并将水下情况实时通过脐带缆反馈传输到水面设备，操作员通过水面设备反应的水下设备工作状况及时调整操作控制指令。水下清刷检测机器人总系统结构框图如图2.1所示。操作员显示器推进装置操控台处理器主控板清刷机构摄像头各种传感器水面系统 水下系统图2.1 总系统结构框图2.1.3自由度选择水下机器人在水中运动共有6个自由度19，分别是3个平移自由度：进退、横移和升降；3个旋转自由度：摇首、横倾和俯仰。水下构筑物清刷检测机器人主要任务是在构筑物表面进行清刷和检测作业，外加在水中接近目标的航行过程，因此，实际上没有必要做6自由度运动。水下清刷检测机器人在构筑物表面清刷检测作业时可以近似为平面运动，只需要进退和摇首两个自由度；水中航行接近目标过程需要进退、摇首、升降、俯仰和控制水下清刷检测机器人水中姿态的横倾共5个自由度。综合作业过程和航行过程共需要进退、升降、摇首、俯仰和横倾5个自由度。因此，本文对水下清刷检测机器人实际选择5个自由度进行设计研究。2.2整体框架设计2.2.1框架结构设计 水下构筑物清刷检测机器人整体结构采用开架式设计，其框架结构设计包括框架材料的选择和结构设计。 在选择水下机器人框架材料时，考虑到水下构筑物清刷检测机器人在水下作业时的特殊环境要求，必须要考虑材料的耐腐蚀性、密度、强度、韧性、可加工性、经济性、可装配性等性能。因此在选材时主要通过对材料的比刚度、比强度、可设计性、可生产性、可装配性及经济性的比较来选用。图2.2列出了钢（S）、玻璃钢（GP）、玻璃（CG）、钛（Ti）、铝（Al）五种材料的定性比较20。图2.2 框架材料的定性比较从图2.2中可以看出钛合金具有良好的机械性能，另外钛合金在水中具有抗腐蚀的耐久性和无磁性，但钛合金成本高且加工工艺复杂；高强度钢具有较高的强度、较好的韧性、良好的可塑性和焊接性，但密度较大，会增加机器人额外重量；玻璃和玻璃钢有较好的比刚度，但脆性较高，可装配性差；综合材料的比强度、可设计性、可生产性、可装配性以及经济性，铝合金比重小，可以在较低的重量与排水量比值或相同的重量排水量比值下使水下机器人增大负载能力或增大作业深度，因此本文选择便于加工和装配的高强度LY12（2A12）铝合金型材作为水下机器人的框架材料。按照水下构筑物清刷检测机器人的作业要求和便于设备安装调试的原则，本文设计框架结构为长方体，尺寸为，如图2.3所示，为了便于设备安装、吊装方便和加强结构，在长方体框架上布置了起吊钩、侧支撑柱、横梁等结构。图2.3 框架结构图2.2.2框架结构有限元分析水下构筑物清刷检测机器人所有设备安装后，整备质量接近25kg，而在起吊出水时，浮力会迅速减小，重力迅速增加，此时框架会承受较大的冲击力，最大可达整备质量的24倍，所以必须对框架和起吊勾处进行应力分析，本文采用有限元软件ANSYS进行分析计算。首先，在三维软件UG中建立结构的三维模型，通过UG与ANSYS的接口将模型导入ANSYS中，整个结构采用Solid45单元来模拟，为了模型的简化，采用Mass21单元来模拟结构中其他设备的重量，施加于结构底部，有限元模型如图2.4所示。该模型中共有19197个单元，12351个节点。整个结构所用的材料为LY12（2A12）铝合金型材，材料的弹性模量为，泊松比，密度为。图2.4 框架结构有限元网格划分图本文选择出水极限状态时受力为100kgf（整备重量4倍的力）作为框架结构受力进行分析，图2.5为此时的框架结构的应力分布云图。由图中数值可以看出整个结构的吊钩的受力相比其他地方比较大，吊钩的最上端的应力达到了8.866MPa，提手与整个框架连接地方的应力也较大，其余部分的应力均很小，因此可以看出，整个结构能够满足强度要求。图2.6为框架结构的受力变形云图。从变形云图的分布可以看出吊钩的最上端的变形最大，逐渐向两侧的结构扩散，变形减小，最大变形值为0.02mm，几乎没有变形，因此整体结构设计满足设计要求。图2.5 框架结构应力分布云图（单位：MPa）图2.6 框架结构变形分布云图（单位：mm）2.3吸附方式选择机器人吸附方式一般有真空吸附、磁吸附和背压吸附三种21。真空吸附具有不受材料限制的优点，但由于吸盘要求较好的密封性，才能产生足够的吸力，如果吸附表面凹凸不平则吸盘容易脱落，承载能力大大降低。因此，真空吸附常用于表面光滑的壁面，如窗户玻璃、瓷砖等。磁吸附又分为永磁吸附和电磁吸附，永磁吸附的优点是不用担心磁力因断电而突然失去，但吸力没有电磁吸附吸力大；两者共同点是要求吸附对象工作面必须是铁磁性材料，目前多用于钢铁制造的大型船舶船底的清刷检测作业和大型钢铁设施的检测作业。哈尔冰工程大学研制的船体表面水下清刷机器人22（如图2.7）就是采用双履带式永磁吸附方式。图2.7 哈尔冰工程大学研制的船体表面水下清刷机器人背压吸附通过在机器人与接触物体的接触面背面施加一个具有法向分量的力，使机器人吸附在物体表面，通常采用螺旋桨推力方式。在空气中由于机器人本身重量远大于空气浮力，所以需要很大的吸附力才能保证机器人可靠吸附，这就给控制机器人移动增加了难度。而在水中，我们通常把水下机器人设计为零浮力或者稍稍的正浮力，不存在空气中的问题困扰，所以采用背压吸附在需要吸附水下设施表面作业的水下机器人中应用比较多，因此，本课题选用吸附方式为背压吸附。2.4密封装置设计虽然密封件只是水下机器人整体构成中的附件，但是密封好坏对水下机器人能否可靠安全使用和顺利完成水下作业任务至关重要。密封根据相对结合面是静止还是运动可分为静密封和动密封，比如本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人中密封舱的密封则属于静密封，推进器转轴的密封则为动密封。2.4.1密封舱结构设计水下机器人的密封舱用于安装控制板和部分传感器等电子设备，保证这些设备正常工作，同时给水下机器人提供浮力。这就对密封舱的结构提出了要求：首先，密封舱要有良好的密封性能，保证内部设备的工作环境；其次，密封舱的构造要便于布置控制板等设备，且便于拆装；另外，密封舱工作于水下，所以还要有一定的抗压能力。通常密封舱按照结构形状划分有球形、圆柱形、椭圆形和长方形等，其中球形的密封舱具有最佳的重量排水量比，但是内部布置难度大，且流体阻力大。由于本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人的最大下潜深度为100米，此时密封舱所承受的工作压力差为10MP，因此为了便于整体结构设计和水下设备的布置，本文密封舱的结构选择圆柱体结构，材料选择为工程塑料，为了拆装方便，圆柱体端头部分设计为可拆卸式，外部直径为200mm，长度为400mm。2.4.2密封舱和电缆的密封本文所设计的密封舱的密封问题主要是密封舱可拆卸端头的静密封和电缆进出密封舱的密封问题。O型圈密封1823是密封系统中使用最为广泛的一种密封件，既可用于静密封也可用于动密封，既可单独使用也可作为密封装置的组成部分使用。本文密封舱可拆卸端头的密封方式就选择O型圈密封方式，在设计安装使用O型圈密封件时在使用中需要注意两点：一是挤压力适中，一方面需要一定的挤压力，保证足够的密封接触面，另一方面挤压力不能太大，尽量避免O型圈永久变形；二是接触面光滑，保证O型圈密封没有死点。另外在装配O型圈密封件时可以在密封圈和装配槽上均匀涂上硅脂，这样做不仅可以保护密封圈，而且安装、拆卸都更加容易。. 电缆的密封：电缆密封包括电缆进出密封舱和进出电机的密封。电缆的密封与密封舱端头的密封不同，电缆在连接时，可伸向各种方向，这就要求有更可靠的密封，且要便于拆卸。因此本文选择格兰头防水密封方式作为电缆的密封方式，并在密封舱的开口部位进行加固，保证密封舱的抗压能力，图2.8为格兰头的结构分解图24。通过实验证明，选用与电缆相匹配并符合IP68防尘防水等级25标准的格兰头可以很好的实现电缆的水下密封。图2.8 格兰头结构分解示意图2.4.3动密封的选择动密封根据相对运动形式是旋转运动还是往复运动可分为旋转密封和往复密封，本文所研究的动密封推进器电机轴的旋转密封。旋转运动的密封方式通常有填料密封、O型圈密封、机械密封、迷宫式密封3。通过对上述几种动密封方式性能（表2-1）的比较，可以发现填料密封的渗透量是最大的，而本文要求动密封渗透量要极小，最好是零渗透，因此本文选择机械动密封的方式。表2-1 几种常用动密封各项性能表密封方式耐压性耐速型耐热性耐寒性耐久性渗透量填料密封O型圈密封机械密封迷宫式密封良可优良良可优优优良优优良可优优可可优优较少少极少少 机械密封又有平衡式机械密封（图2.9）和补偿式机械密封（图2.10）等形式26，本文选用补偿式机械密封。如图2.7所示，补偿式机械密封由压盖1、辅助密封圈2、静止环3、旋转环4、弹簧5、弹簧座6、紧定螺钉7、旋转环辅助密封圈8和防转销9组成。由图2.10可以知道，防转销7固定在压盖9上以防止静止环转动，流体可能泄露的地方有A、B、C三个泄露点，其中C点的密封由于没有相对运动，属于静密封，B点的密封是旋转环4与轴之间的密封，它只有当A点磨损时才会跟随旋转环4沿轴线做微量的移动，也可以看做为静密封，而静密封比较容易实现，最简单常用的密封件就是O型圈密封件，有时也可以采用金属波纹管结构，本文选用丁晴橡胶O型圈。A点则是旋转环4与静止环3的相对滑动的动密封，它是补偿式机械密封的主密封，也是决定机械密封性能和寿命的关键。对A点的密封实现主要有两个要素，一是选择良好的摩擦副材料，二是选择弹力适当的弹簧5。摩擦副的材料要选择相对摩损小的材料组合配对，通常静止环的材料硬度要比旋转环硬度大，本文选择碳化钨作为静止环3的材料，碳-石墨作为旋转环4的材料。弹簧5的弹力过大，则A点不易形成稳定的润滑液膜，会加速端面的磨损；弹力过小，则A点的压力过小，容易泄露。图2.9 平衡式机械密封结构图 图2.10 补偿式机械密封结构图2.5清刷机构设计2.5.1清刷机构系统组成水下构筑物清刷检测机器人水下作业任务主要是清刷和检测，因此，设计合理的，工作效率高的清刷机构是机器人设计的重要组成部分。由于水下构筑物表面状况并非完全是水平和光滑的，这就要求清刷机构对水下构筑物表面具有一定的适应能力，具体要求就是刷头部分在清刷作业时既能做旋转清刷运动，同时也应有能力做一定幅度的伸缩越障运动。因此，本文所设计的清刷机构由驱动电机、可伸缩传动机构、刷子三部分组成，如图2.11所示。驱动电机可伸缩传动机构刷 子图2.11 清刷机构组成示意图 水下构筑物清刷检测机器人在进行清刷作业时，刷子旋转会对机器人本体产生旋转力矩。为了避免旋转力矩对机器人运动造成干扰，本文所设计的四个刷子，相对于机器人成对称布置，且相邻两个刷子旋转方向相反，这样既提高了清刷质量，也可以避免机器人本体因刷子旋转力矩而引起的自转问题27。2.5.2刷子结构设计 刷子结构由刷盘和刷丝组成。为了减小刷子的转动惯量和水下机器人重量，刷盘部分采用LY11型铝合金材料，直径为200mm。刷盘一周均匀铣孔，刷丝固定于孔中，并用粘合胶加固。为了保证清刷效果，刷丝必须有一定的硬度和弹性，所以刷丝采用淬火不锈钢丝，其裸露长度为30mm，外圆厚度约为10mm。刷头具体结构如图2.12。图2.12 刷头结构示意图2.5.3可伸缩传动机构设计 可伸缩传动机构既需要实现转矩的传递，又需要实现伸缩功能。本文所采用的可伸缩传动机构结构如图2.13，水下构筑物清刷检测机器人在清刷作业时，输出轴6通过传动键4从输入轴1接受电机输出轴所传递的转矩，清刷过程中遇到障碍物时，输出轴6上的槽道可以沿着输入轴1上传动键4滑行，从而实现刷子的伸缩运动，保证机器人的越障能力。为了保证清刷机构的清刷效果，刷子与构筑物表面要有一定的压力，而压力过大由会增加吸附困难，给吸附机构提出更高的要求。因此，所选用的压缩弹簧3的弹性系数不宜过大，可以给压缩弹簧3施加一定预紧力，从而保证了清刷效果，又减轻了吸附机构的负担。本文所选用弹簧的弹性系数为0.25N/mm，安装时弹簧预紧力为5N。1、输入轴；2、滚动轴承；3、压缩弹簧；4、传动键；5、紧固螺钉；6、输出轴；7、外壳；8、滑动轴承；9、端头压盖图2.13 可伸缩传动机构结构图2.5.4驱动电机的选择清刷机构工作时，刷子旋转需要克服水的粘性阻力矩、与构筑物表面接触产生的摩擦阻力矩和刷子旋转产生的惯性阻力矩的作用21。其中，水的粘性阻力矩 （2-1）式中：水的密度，取； 刷盘半径，单位； 水的运动粘性系数，取（水温为20摄氏度时）； 刷子旋转角速度，单位。摩擦阻力矩 （2-2）式中：刷子对水下构筑物表面的正压力，单位； 刷丝与水下构筑物表面之间的摩擦系数，取0.8； 刷丝外圈半径，单位； 刷丝内圈半径，单位。惯性阻力矩 （2-3）式中：刷盘转动惯量，单位； 刷盘角加速度，单位； 刷子的质量，单位； 刷子旋转角速度，单位； 刷子旋转加速时间，单位。 本文所设计清刷机构刷盘半径为0.1m；刷子转速为；刷子对水下构筑物表面的正压力为20；刷丝外圈半径为0.125m；刷丝内圈半径为0.115m；刷子质量为0.5kg；刷子旋转加速时间为3s；将上述参数代入式（2-1）、（2-2）、（2-3）可求得刷子旋转需克服的总阻力矩；需要驱动电机提供的有效功率为：式中：总阻力矩；单位； 刷子转速，即驱动电机输出转速，单位； 驱动电机克服刷子旋转阻力矩需要的有效功率，单位；则：由于清刷机构只有两种工作状态，即工作与不工作，且水下设备使用的24DCV电源，刷子转速较低，因而本文选用带减速器的直流减速电机为清刷机构驱动电机，电机效率约为0.8。所以需要电机功率考虑到给电机预留部分储备功率，防止电机过载，本文选择电压24DCV、转速300rpm、功率100W的直流减速电机作为清刷机构驱动电机。2.6附件的选择 水下构筑物清刷检测机器人在水中航行和构筑物表面作业时，需要将水下信息实时反馈给操作员，这些信息包含：下潜深度、航速、航向、工作检测图像以及密封舱内湿度状况。因此，就需要姿态传感器、深度传感器、湿度传感器、水下摄像头和水下照明设备等设备。2.6.1姿态传感器的选择 由于水中水流状况复杂，对水下机器人的姿态影响较大，而我们不可能将水中水流状况都分析清楚，因此，只能从机器人的实时反馈出来的姿态着手进行姿态控制研究，这就需要一个能实时输出机器人水下姿态的姿态传感器。姿态传感器的核心部件是陀螺仪，陀螺仪是利用高速旋转体的动量矩敏感壳体在相对惯性空间内绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置，是人们利用陀螺的力学性质所制成的各种功能的陀螺装置，有指示陀螺仪和传感陀螺仪等。在一定的初始条件下，陀螺不停自转，同时还绕着另一个固定的转轴旋转，这就是陀螺的旋进（precession），又称为回转效应（gyroscopic effect）29。陀螺仪的原理是：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般最快可达到每分钟几十万转，可以工作很长时间，然后用多种方法读取旋转轴所指示的方向，并自动将所测得的数据信号传给控制系统。 图2.14 陀螺仪的结构 图2.14所示为三自由度陀螺仪结构示意图。三自由度陀螺仪具有进动性和定轴性的特点。进动性是指当三自由度陀螺仪绕内框架轴作用外力矩时，将使高速旋转的转子自转轴产生绕外框架轴的进动，而绕外框架轴作用外力矩时，将使转子轴产生绕内框架轴的进动。进动角速度的大小取决于转子动量矩H的大小和外力矩M的大小,其计算式为进动角速度=M/H。 进动性的大小也有三个影响的因素： 1.外界作用力越大，进动角速度越大； 2.转子的转动惯量越大，进动角速度越小； 3.转子的角速度越大，进动角速度越小。定轴性是指三自由度陀螺仪无论外壳绕陀螺仪自转轴转动，还是绕内框架轴或外框架轴方向转动，都不会直接带动陀螺转子自传以外的任何转动。由内框架和外框架组成的框架装置，将外壳的转动与陀螺转子分隔开来30。因此，如果陀螺仪自转轴稳定在惯性空间的某个方向上，当外壳运动时，它仍然会稳定在原来的方向上。本文所选择姿态传感器为E.T-ahrs31，如图2.15所示，E.T-ahrs是基于MEMS技术的高性能三维运动姿态测量系统。它包含了三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘等辅助运动传感器，通过内嵌的低功耗ARM处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，实时输出以四元数、欧拉角等表示的零漂移三维姿态数据。E.T-ahrs姿态传感器具有360度全方位姿态输出、采用800Hz高速数据积分足够应付瞬间姿态、输出绝对方向、快速动态响应、稳定性强、多种输出模式等优点。 图2.15 E.T-ahrs姿态传感器 图2.16 PTH601水深传感器2.6.2水深传感器的选择由于水下机器人在设计过程中都必须考虑其最大工作深度，为了使水下机器人准确到达指定位置，并保证水下机器人在工作过程中不超过极限状态，必须配置水深传感器。又因为水的深度与压力成正比，则水深可以通过压力来表示和求得，因此，水深传感器实际上是压力传感器，由压力敏感元件和转换元件组成，本文选用水深传感器型号为PTH60132（图2.16）。PTH601水深传感器采用硅压桥感压器件将水深（水压）信号转换为电信号，并采用RS-485信号输出，输出精度可达0.25%，供电电压24DCV，最大工作水深300m。2.6.3湿度传感器的选择由于水下机器人密封舱内安装有主控板等电子设备，一旦密封失效进水，而操作员并不知情，将会造成比较严重的后果，因此，必须在密封舱内布置安装湿度传感器。湿度传感器是测量空气中水蒸气含量，并将测量值转换成可输出电信号的传感器。湿度传感器根据湿敏元件的不同主要分为电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器两大类。电阻式湿度传感器是通过空气中湿度变化时，湿敏电阻的阻率变化，从而阻值发生变化的特性来测量湿度；电容式湿度传感器通过空气中湿度变化时，湿敏电容的介电常数变化，从而电容量也发生变化的特性来测量湿度。本文选用Humirel公司生产的HM1500（图2.17）电容式湿度传感器33。HM1500电容式湿度传感器采用的HS1101LF（图2.18）湿敏电容具有精度高、量程款、稳定性好、响应快、互换性好、在标准环境下不需校正等特点，因此，HM1500可靠性和长期稳定性较好，对温度的依赖非常低，可在摄氏度环境中稳定工作，量程为0100%RH，精度RH。 图2.17 HM1500电容式湿度传感器 图2.18 HS1101LF湿敏电容2.6.4水下摄像机和水下照明灯的选择水下机器人检测设备一般有摄像机和声纳，摄像机检测通过对被检测物进行图像采集，将采集图像经过处理程序通过显示屏显示出来，也可以直接将所拍摄画面传播显示出来，比较直观。因此，本文选用水下摄像机作为检测设备。由于水下构筑物清刷检测机器人工作水域一般比较浑浊，一般水深1米以下基本不可见，给机器人对目标的检测增加了难度，为了能够在浑浊的水下拍摄出比较清晰的画面，必选采用特殊的照明设备和摄像机。考虑到水下机器人的特殊要求，为了保证被检测目标有足够的光照度，应选择发光率高、体积小、抗干扰能力强的水下照明灯。目前被广泛用于水下照明的有卤素灯、LED灯和HID高强灯3。卤素灯与白炽灯的最大差别在于卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体（比如碘或者溴），当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃灯壁方向移动，接近玻璃灯壁时，被冷却到800并与卤素原子结合形成卤化钨。卤化钨因跟随热流继续向玻璃灯中央移动，重新回到被氧化的灯丝上，由于卤化钨很不稳定，遇热又重新分解成卤素原子和钨，这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分钨原子。通过这种反复循环过程，灯丝的寿命可以延长为普通白炽灯的四倍，又由于灯丝工作在更高的温度下，从而卤素灯相比白炽灯具有更高的发光效率，更高的色温和更高的亮度。LED灯是由发光二极管制成，具有寿命长、启动时间短、色彩饱满，低压安全等特点。但是较大功率的LED灯需要附加电子和散热设备，因而体积较大。HID灯即高压气体放气灯，俗称疝气灯。其工作原理是将12V电压增压至23000V超高电压，激穿填充在石英管内的疝气，从而发光，然后再将电压转成85V左右稳定持续供应疝气灯泡发光，其发光效率和亮度较高，但是需配备特殊的整流器，增加HID灯的成本和体积重量。综合分析卤素灯、LED灯和HID高强灯的优缺点，本文选用PG50SX型水下卤素灯34（图2.19）。PG50SX型水下卤素灯工作电压为24DCV，功率50W，最大工作深度600米，具有较强的穿透力和可以根据工作环境需要进行大面积照明和远距离照明之间相互转换的优点。实际配置时，采用两只PG50SX型水下卤素灯配合水下摄像机使用，消除照明死角，可以最大限度保证摄像机拍摄画面质量，通过可进行大面积照明和远距离照明之间相互转换的特性，在水下构筑物清刷检测机器人航行过程中可以选择远距离照明，而清刷检测作业时则可以转换为大面积照明。 图2.19 PG50SX型水下卤素灯 图2.20 HYTIC500可旋转水下摄像机水下摄像机主要选择指标有清晰度、低感光度、体积小、重量轻、镜头可旋转（便于航行和作业的转换）。本文选择的HYTIC500可旋转水下摄像机（图2.20）配备镜头为360可旋转镜头，并可10倍变焦，在航行过程和作业过程中可根据需要实时调