（机械设计及理论专业论文）rov的结构设计及关键技术研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文捅姜有缆水下机器人( r o v ) 广泛应用于海洋救助与打捞、海洋石油开采、水下工程施工、军事和国防建设等诸多方面，具有广阔的应用前景。本文源自国家“8 6 3 重点项目，目的在于设计并研制出具有自主知识产权的、用于深水海底管道回接的r o v 系统。论文基于国内外水下机器人设计的成功经验，通过对r o v 结构设计因素的分析研究，设计了六推进器框架式水下机器人，并对其进行了仿真研究。首先，在深入分析了国内外大量r o v 相关技术研究的基础上，根据作业任务所限定的设计特征，规划了r o v 的原理样机系统，确定了r o v 由浮力模块、载体框架、推进部分、作业工具、密封舱以及辅助配件等六部分组成模块组成，其中浮力模块用于提供足够的浮力，载体框架用来搭载传感器、控制部分以及作业工具等，推进部分为六个螺旋桨推进器，它们之间相互配合保证水下机器人在水中可以自由地作三维空间运动，辅助配件则对整个系统进行补充和优化。然后，在给出r o v 特征参数的基础上，确定各主要功能模块的具体结构型式，利用p r o e 软件进行结构优化设计。在r o v 整体设计完成后，利用整体平衡法对r o v 系统进行了平衡计算，验证了布局的合理性，详细介绍了耐压壳、载体框架、起吊环等关键部位，并对每一部分都利a n s y s 有限元分析软件进行了强度校核，证明了选择的材料和结构满足强度要求。其次，利用p r o e 软件完成了r o v 的虚拟装配，以预测其性能，进而改进设计，提高性能。建立了r o v 系统的坐标系及相互之间的转换关系，分别从运动学和动力学角度分析了r o v 建模需要考虑的参数，同时参考了国内外的相关文献，分析了水下机器人运动学和动力学模型的推导方法。最后，对r o v 的控制系统进行了研究，确定了控制系统的形式，并根据航行控制系统的要求选择控制方式，采用以位总线集散控制系统为核心的计算机控制系统，并对其硬件和软件体系进行了方案设计。本课题研究也可为同类研究参考。关键词：水下机器人；r o v ；结构设计；运动模型；有限元分析哈尔滨工程大学硕士学位论文a b s t r a c tr o v sp o s s e s s i n gw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e s )a r ew i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha so c e a ns a l v a g e ，o c e a np e t r o l e u me x p l o i t a t i o n , u n d e r w a t e rp r o j e c tc o n s t r u c t i o na n dm i l i t a r yi n d u s t r y t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db ya n8 6 3p r o g r a mt h a ti sa i m e dt oi n v e n tar o vs y s t e m 、析t hi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yf o rs u b s e at i e - i ns y s t e m b a s e do ns u c c e s s f u le x p e r i e n c eo fr o v sa th o m ea n da b o a r d ，b ya n a l y z i n gt h ep o i n t so fr o vs t r u c t u r ed e s i g nt h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g naf r a m e - s h a p er o vw i t h6t h r u s t e r sa n dp e r f o r m sr e l a t e dr e s e a r c h e s f i r s t l y , a f t e rd e e pa n a l y s e so fr e l a t e dt e c h n o l o g yo fe x i s t i n gf r a m e - s h a p er o v s ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc h a r a c t e r sd e f m e db yo p e r a t i o nm i s s i o n , t h ep r o t o t y p eo ft h er o vi sp l a n n e d , w h i c hi sc o m p o s e do fs i xm o d u l e ss u c ha sb u o y a n c yb l o c k s ，b e a r i n gf r a m e ，p r o p u l s i o nm o d u l e ，o p e r a t i o nt o o l s ，s e a l e dc a b i na n da u x i l i a r yf i t t i n g s t h eb u o y a n c y ，b l o c k sa r eu s e dt op r o d u c es u f f i c i e n tb u o y a n c y t h eb e a r i n gf r a m ei su s e dt oc a r r ys e n s o r s ，c o n t r o ls y s t e m ，w o r k i n gt o o l sa n ds oo n p r o p u l s i o nm o d u l ei sm a d eu po fs i xc o o p e r a t i n gt h r u s t e r st oe n s u r et h ea g i l i t yo fr o vi n3 ds p a c e s e c o n d l y , a f t e rf i n d i n go u tc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fr o v s ，s t r u c t u r et y p e so fa l lm a j o rf u n c t i o nm o d u l e sa l ed e c i d e db a s e do nt h e s ep a r a m e t e r s ，、i t ht h eo p t i m i z e ds t r u c t u r ed e s i g n , b e i n gp e r f o r m e dt h r o u g hp r o es o f t w a r e f o l l o w i n gt h eg e n e r a ld e s i g no ft h er o v , t h ed i s t r i b u t i o ni sp r o v e db ye x a m i n i n gb a l a n c eo ft h er o vw i t t lt h em e t h o do fi n t e g r a lb a l a n c e m o r e o v e r , d e t a i l e ds t r u c t u r e so fk e yp a r t si n c l u d i n gp r e s s u r es h e l l ，b e a r i n gf l a m ea n dl i f t i n gr i n ga r ei n t r o d u c e d i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs t r e n g t hc h e c ko fa l lt h ek e yp a r t s 、】 r i t l la n s y ss o f t w a r e ，t h em a t e r i a l sa n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa l lm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t 哈尔滨t 程大学硕十学位论文i - 一i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i i i 宣i 宣i i i i i i i i 育i i i i i i i i i i i i i it h i r d l y , v i r t u a la s s e m b l yo f t h er o vi sf i n i s h e d 州t hp r 0 es o f t w a r ei no r d e rt op r e d i c tp e r f o r m a n c ef o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t a f t e re s t a b l i s h i n gt h ec o o r d i n a t e ss y s t e ma n dt h e i rt r a n s i t i o nr e l a t i o n s h i po fr o v , p a r a m e t e r sv i t a lt or o vm o d e l i n ga l ea n a l y z e di nt h ev i e wo fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s m e a n w h i l e ，r e f e r r i n gt or e l a t e dd o c u m e n t s ，d e r i v a t i o nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e dt og e tk i n e m a t i c a la n dd y n a m i c a lm o d e lo fr o va tl a s t , d u r i n gt h er e s e a r c ho fi 的vc o n t r o ls y s t e mt h ec o n t r o ls y s t e mi sd e c i d e d ，i nw h i c hc o n t r o lt y p eo ft h es y s t e mi sc h o s e na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fn a v i g a t i o ns y s t e m 1 1 l ec o n t r o ls y s t e mi sc e n t e r e do nb i tb u sd i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e ma n dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e s i g n e d t h er e s e a r c hp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a nb er e f e r e db ys i m i l a rr e s e a r c h e s k e yw o r d s ：u n d e r w a t e rv e h i c l e ；r o v ；s t r u c t u r ed e s i g n ；m o t i o nm o d e l ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者( 签字) ：像缉日期：渺肄月i1 日哈尔滨工程大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 概述联合国( 2 1 世纪议程指出：海洋是全球生命支持系统的一个基本组成部分，也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富。随着工业的发展，陆地上的可利用资源日益枯竭，而海津中则蕴藏着丰富的石油、天然气、各种稀有金属等工业发展所必须的资源1 。据统计，这些资源在海洋中的储量是陆地的几倍甚至几十倍，因此，更有效地开发利用海洋资源对人类未来生存和发展具有十分重要的意义翻。水下机器人由于其机动灵活，能够在水中长时间工作而日益成为人类开发利用海洋资源的重要工具，同时军用智能水下机器人在军事上也有用武之地，如用于侦察、布雷、灭雷和援潜救生掣引。因此，水下机器人的研制和开发具有重要的战略意义和实用价值。1 2 水下机器人的分类水下机器人载人载人无人两用无人缆控( r o v )有缆无缆两用细缆无缆( u u v )图1 1 水下机器人的分类水下机器人是能在水中浮游或在海底行走的，具有观察能力和使用机械手或其他工具进行水下作业的自动化装置。它可分为载人水下机器人( h u m a no c c u p i e dv e h i c l e ，简称h o v ) ，缆控水下机器人( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e ，l黜一撇一嘶一腊一一一一一一哈尔滨工程大学硕十学位论文简称r o v ) 和自治无人水下机器人( a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ，简称a u v ) m 。载人水下机器人又称载人潜水器，其体积大，通过潜器内的驾驶员操纵潜水器的运行，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可进行海洋考察、打捞、水下作业和救生，但是它相比无人潜器要大，也不灵活。r o v 是航行器后面拖带电缆( 或光缆) 在人的控制下进行工作的，具有安全、经济、高效和作业深度大等突出特点。在民用上r o v 主要用于海上石油和天然气的开发等；在军事方面的应用前期主要用于丢失海底试验武器的打捞，后来又在灭雷具上得到了充分发展，法国在该方面处于领先地位，其在1 9 7 1 年研制成功的p a p l 0 4 已向1 5 个国家销售近4 0 0 台，英国使用p a p 1 4 0 在英阿马岛战争中清除水雷，发挥了巨大的作用p 1 。无缆自主式水下机器人( a u v ) 由于摆脱了系缆的羁绊，在海上作战和作业中更加灵活自如，正成为发达国家军事海洋技术研究的前沿，但是现阶段，它无法进行各种类型的水下作业任务。随着微电子技术、计算机技术、人工智能和软件技术的发展，人类站在更高的基点上，全面系统地对待水下机器人，并重新赋予了它许多新的使命。新型的水下机器人具有人工智能和高续航能力的动力源，配备探测、监视和环境传感用的成套声学和非声学传感器以及水下高速火箭、防御武器等，可用于潜艇战、水雷战、侦察、监视和水下攻击各方面。美国海军将它作为夺取水下优势的海上力量倍增器而列入重点研制计划，认为它将与巡航导弹一样有效，并视为一种未来的新概念武驯引。1 3r o v 国内外现状研究1 3 1 国外发展状况r o v 是远程无人有缆的遥控操作潜器，通过一根电缆和水面船连接从而获得能源，控制命令并进行通讯。5 0 年代，有几个美国人想把人的视觉延伸到神秘的海底世界。于是，把摄像机密封起来送到了海底，第一代浮游式缆控水下机器人的雏形就这样产生了嗍。世界上第一个r o v 一“c u r v ”是1 9 6 0 年由美国研制成功的。它在西2哈尔滨上群大学硕士学位论文班牙外海打捞起一颗失落在海底的氢弹，这件事在全世界引起了极大的轰动，从此r o v 技术开始引起了人们的重视”“。1 9 7 5 年，第一个商业化的r o v “r c v - 1 2 5 ”问世。“r c v 0 1 2 5 ”是一种观察型r o v ，其外形像只球，故又称作“眼球”。“眼球”首先工作在北海油田和墨西哥湾”。“r c v - 1 5 0 ”型r o v 是由h y d r op r o d u c t s 公司在“r c v - 1 2 5 ”的基础上在】9 7 8 年到1 9 8 0 年设计出来的，如图12 所示。它有四个推进器，最大下潜深度9 1 4 m ，被用于水下管道连接，还可为水下钻井提供帮助。图12r c v - 1 5 0 水下机器人世界各先进国家海军装备的军用无人潜水器大多是r o v ，它们的战斗使命主要是探测和销毁水雷”“。比较有代表性的先进的潜水器有美国的遥控探雷系统r m s ( v ) 、门本的k a i k o “海沟”号、法国的p a p l 0 4 、意大利的p l u t o p l u s 、德国的企鹅b 3 、瑞典的海鹰、加拿大的开路先锋等。这些潜水器的探测和识别设备丰要是前视声呐和水下电视，潜水器上装备有水声应答器，与舰艇上的d g p s 一起进行水下潜水器的大地定位”“。英国的天蝎级4 5 ( s c o r p i o4 5 ) 潜水器( 如图12 ) 具有三台摇控摄影机、两只机械手臂( 配各剪断工具) 、两套声纳装置和6 枚2 5 0 w 特照明灯，最多乘载1 0 0 k g 、最深可达9 1 4 m 海底、最高时速4 2 k n ”。2 0 0 5 年8 月，俄罗斯救援p r i z e a s 2 8 艇的过程中，英国皇家海军派遣“天蝎座”( s c o r p i o r o v )潜水器对援救工作提供了有效的支持”。图12p e r r y t r i t e c h 公司的s c o r p i o r o v图1 3 美国d s s i 公司的m a x r o v e rm a xr o v e r 深潜工作级r o v 是由d e e ps e as y s t e m si n t e r n a t i o n a l 公司研制的，主要i h 于管道检查、军用救援、钻探支持以及海洋测量、救援和考古等工作，如图13 所示。在它的m k 1 、m k 2 、m k 一3 三代产品中，最大下潜深度可以达到水下3 0 0 0 m ，有效载荷可以达到9 0 k g ，其尺寸为22 3 m 0 9 7 m 12 2 m ，前进速度为3k n 。四个水平推进器输出1 7 0 k g 的前向推动力，使r o v 能在2 5k n 的水流中高效工作；两个侧向推进器为m a x r o v e r 提供哈尔滨工程大学硕士学位论文4 5 k g 的动态提升和侧向推力。另外m a xr o v e r 配有一套完整的计算机控制系统，该系统通过软件升级不断改进控制性能，从而使m a xr o v e r 系统紧跟快速发展的计算机控制技术，满足用户对灵活和适用性的要求”。日本完成的k a i k o 可以到达海洋最深点1 0 9 1 1 4 1 1 1 的一马里亚纳海沟，如图i4 所示”。k a i k o 是两个潜器系统发射器通过1 2 0 0 0 m 的主光纤电缆与母船相连接，通过2 5 0 m 的二级电缆与潜器相连接。潜器可以在距发射器半径2 0 0 m 的范围内自由运动。当潜器工作时，k a l k o 发射器在海床以上1 0 0 m 的高度正常盘旋。k a i k o潜器有三个任务模式。第一个是通过拖曳系统调查6 5 0 0 m 的图l 4 日本k a o 水下机器人海床，其投放装置携带一个侧面扫描声呐和一个底部剖面测量仪，具备处理海床地势和研究海底地层的能力。自由航行的潜器可使用它的电视摄像机对海床进行精确测量。第二个任务就是将海床研究延伸到整个海洋深度。这时发射器不被母船牵引，而是悬挂在母船下面，而潜器就对海床进行精确测量。第二个任务就是为s h i n k a i6 5 0 0 载人潜器提供救援能力。1 3 2 国内发展状况我国从上世纪8 0 年代开始从事r o v 的研究与开发工作”。经过二十多年的发展，目前我国可以生产包括浮游式、爬行式和拖曳式的各种r o v 。而且，这些由我国自行研制的大中型r o v 已在海洋石油开发和海军防救部门得到了应用。2 0 0 3 年9 月中国北极科考中首次使用了自行研制的r o v ，完成了不同区域海冰厚度、海冰底部形态、温度、盐度的连续测量，并使我们哈尔滨1 程大学硕士学位论文第一次看到了北冰洋冰下的景象”。2 0 0 2 年1 2 月，中国沈阳自动化研究所研制成功我国第一台自走式海缆埋设机“c i s t a r ”，主要用于海底电缆和光缆的铺设，扩展功能后还能完成海底光缆的监测和维修作业。2 0 0 4 年，国家重大科研项目、我国下潜深度最大、功能最强的水下取样型机器人“海龙”号在上海交通大学水下工程研究所问世，如图1 5 所示”。并于2 0 0 4 年年初在上海东海港“大洋号”万吨轮上，成功完成了3 5 0 0 米海底水下操作测试。图1 5 “海龙”号水下机器人“海龙”号有3 m 多长，宽和高都为1 8 1 1 ，在空气中重量为32 5 t ，不到3 0 r a i n 就可以下潜到3 5 0 0 m 水深进行作业，可在直径达6 0 0 m 的范围内活动。“海龙”号配备有5 个各种性能的摄像机和台静物监视机，还装有6 个常规的水下灯和两个特制的弧光灯。可在水下照射近百米的范围，还可装备声纳在浑浊水中工作。“海龙”号还有两个机械手( 一个7 功能，一个5 功能) 。1 ! !r ；鞋哈尔滨工程大学硕士学位论文可以在水面对其进行遥控操作和协调作业，手臂可以举起上百公斤的物品。8 a 4 水下机器人是有缆无人作业型水下机器人，由中国船舶科学研究中心抓总，武汉数字信息研究所、哈尔滨工程大学和华中理工大学共同研制成功，并于1 9 9 4 年通过船总鉴定瞄1 。8 a 4 水下机器人由操作控制室、电缆绞车及机器人本体三部分组成。下表2 1 n 出了沈阳自动化研究所研制的几种i m v 的主要技术参数例。表2 1 沈阳自动化研究所研制的几种r o v项目海人号l t e c o n 二s i a金鱼三号时间1 9 7 9 1 9 8 61 9 8 6 1 9 9 11 9 8 7 1 9 8 9类型作业型作业型观察型工作深度m2 0 03 0 01 0 0速度m s 。1l1 41推进器总功率k w2 06o 2空气中质量k g2 1 9 88 0 03 4水中重力n1 8 01 0 05水下载体尺寸2 7 x 1 5 9 x 1 9 52 1 2 x 1 0 3 x 0 9 60 6 x 0 5 8 x 0 3 5m m m定向( o )2 54定深m20 1o 2定高mo 56 功能双向机械手6 5 功能主从手无反馈主从手视觉双单单触觉有无无目前r o v 的型号由于作业任务不同已经达到近百种，全世界有近3 0 0家厂商提供各种r o v 、r o v 的零部件以及r o v 服务。7哈尔滨工程大学硕士学位论文开始时浮游式遥控水下机器人仅有观察型和作业型两种类型，现在已经增加到多种类型，包括：大型、中型、轻作业型、检查和观察型、经济型、客户自造型和军用型。由于回接任务的需要，爬行式水下机器人也得到了迅速的发展。遥控式潜水器( r o v ) 的最大优点是能实时控制潜水器的运动状态。实时观察潜水器探测的目标信息和声呐、电视图像。潜水器操作员能操纵潜水器及时处理水雷目标。遥控式潜水器( i v ) 的另一个最大优点是潜水器所需的电能可由母船补充，使潜水器体积小且续航力不受电池容量的限制。缆控潜水器的不足之处是电缆长度有限，潜水器活动范围较小，并且容易造成电缆水下缠绕故障，给使用带来不便。1 4 课题来源、背景及意义1 4 1 课题来源本课题隶属于国家“8 6 3 重点项目，是中国海洋石油工程股份有限公司承接的深水海底管道铺设技术之深水海管水下回接技术及a u t 检验设备国产化技术研究的子课题。1 4 2 课题的研究目的本课题的研究目的是研制出具有自主知识产权的深水海底管道回接的r o v 系统，该系统具有框架式结构，通过自身的六个推进器相互配合，完成水下各个方向的运动，并配合其他管道回接设备进行管道回接。作为起步研究阶段，本文从设计r o v 原理样机开始。1 4 3 课题的研究意义边际油田的开发是海洋石油发展的方向。水下回接技术是将新开发的生产管道并入已建的管网，充分利用已建设施，使边际小油田开发变得经济有效。目前我国水下管道铺设及回接工具都是从国外租来的，使用一次达几十万美元，还需雇佣外方操作人员，费用高而且工期不易控制，而国外公司都是自己制作一整套回接工具。随着我国向深水领域的发展，自主知识产权的回接工具有着急切的需要。8哈尔滨工程大学硕士学位论文本课题的研究意义可归纳如下：1 、经济效益：使用自己研制的产品，施工费用和安装成本可大大降低，也为后续的安装带来了方便。2 、安装工期：使用自己研制的产品，可形成一整套设备系列，这样就不用担心设备租不到或到货期晚等问题，还能缩短施工周期。3 、操作人员：研制出设备后，可培训国内操作人员，这样既节省开支，又有效地保证了海上施工，并且也有利于设备的维护和改进。1 5 论文的主要工作通过对国内外现有r o v 外形结构的分析研究，并结合水下探测的特殊情况，设计一个具有良好运动稳定性外形结构的有缆水下机器人( r o v ) 。在本论文中，水下机器人初步设计及其关键技术研究主要涉及以下几方面的内容：1 、r o v 结构总体设计。根据深海回接作业的目的、任务和工作方式，就各部分的具体要求，以模块化的方式进行具体设计，并且注意了各模块之间的相互协调。根据设计特征，为r o v 设计中的关键技术进行了研究、分析，确定了合理的方案，并进行优化设计。2 、机械设计。对r o v 设计中的关键部位进行详细机械设计，对密封舱耐压壳体、载体框架和起吊环的材料、结构形式进行选择，并用有限元分析软件对它们的强度进行分析。3 、虚拟样机的实现。利用p r 0 e 三维设计软件对设计的r o v 进行三维建模，并进行仿真分析，预测其的性能，进而改进设计，提高性能。4 、运动学模型的研究。研究水下机器人系统常用的坐标系及之间的转换关系，并针对自己设计的r o v 进行了简化，分别从运动学和动力学角度分析了r o v 建模所需的参数，并推导了r o v 运动学和动力学模型。5 、控制系统研究。根据确定的运动学模型及r o v 的作业要求，选择航行控制系统的驱动方案，并对r o v 的控制结构进行方案选择。9哈尔滨工程大学硕士学位论文第2 章r o v 系统方案研究2 1 引言r o v 是一种具有人的一部分或大部分功能，能够在海洋环境下代替人进行某种作业的自动控制装置伫町。通常是依靠电缆提供的动力驱动载体上装有的推进器在水下作三维空间运动，并可装设照明、摄像、声纳等观测设备，多种传感器及用来完成某些作业的机械手和作业工具。设计r o v 是一个复杂的过程，工作的区域、完成作业的复杂程度和受环境影响的程度都影响着r o v 系统。由于海洋开发所需从事的项目内容非常多，实施的作业也极富多样性，因此，r o v 的系统构成、形体、总体布置都不尽相同。在设计时，首先要明确设计的目的、任务和在水下需完成的作业等，然后就是内部结构布置、选用合适的控制方式，生产制作，最后是水下调试。其间每一个环节都是相互联系的，所以在设计制作r o v 的时候，需要不断改进前面的设计，直到各部分能相互协调工作。2 2 深水管道回接过程对于深海水底管道的回接，由于受到水深的制约，不可能采取潜水员水下作业形式，也不便采取水下密封仓作业形式。回接方案采用无潜水员的自动回接系统，主要通过r o v 辅助一整套对接工具自动完成管道的机械对接。这其中包括一系列的设备：接应工具( r e a c t i o nt 0 0 1 ) ，轴向对准工具( a x i a lf o r c et 0 0 1 ) ，螺母库( n u tm a g a z i n e ) ，螺栓插入与张紧工具( b o l ti n s e r t i o na n dt e n s i o n i n gt 0 0 1 ) ，接口模块( i n t e r f a c es k i d ) ，h 架( “h f l a m e ) ，密封工具( s e a li n s e r t i o nt 0 0 1 ) 等等。r o v 在回接设备中扮演的就是一个集运动、控制、检测、监视等于一体的水下机器人p 1 ，它配合接应工具和轴向对准工具用来拖拽两个管道，最终实现两个管道连接。2 3r o v 系统的组成r o v 是一个复杂的无人系统，涉及到电子、计算机、流体结构、材料、l o哈尔滨工程大学硕士学位论文液压、水声、光学、电磁、导航控制等多门学科p 1 。r o v 的组成从结构上可划分为控制系统和水下潜航体两大部分，水下潜航体又可以分为观通系统和载体两部分。l 、控制系统r o v 的控制系统是处理和分析内部和外部各种信息的综合系统，根据这些信息形成对载体的控制功能。它水下机器人的核心部分，由计算机和接口电路组成。控制系统要实时地接受并处理水面指令，同时采集r o v 自身的各种图像信息和状态信息进行处理并回送，从而实现实时遥控。控制系统的组成及所要控制的量是非常多样的，通常由r o v 的功能来确定，最简单的是由视频控制系统和用来反馈r o v 运动或决定水下机械手等装置动作指令的系统组成。水面指控系统包括主控计算机、控制系统、跟踪定位系统、显示系统与水下的通信接口和脐带( 电缆或光缆) 等。对于r o v ，则要通过脐带电缆对潜航体提供动力并对其进行实时遥控。2 、观通系统观通系统是利用摄像机、照相机、照明灯、声纳及多种传感器来收集有关外界和系统工作全面信息的装置。它借助电缆同母船控制室进行信息传输。3 、水下载体按照使用目的和控制方式的不同，水下载体可分为流线型和框架式两种，而且一般都采用了模块化结构。主要包括水密耐压壳体、动力推进、探测识别与传感器、通讯与导航、电子控制及执行机构等分系统。4 、动力推进系统包括电源和推进系统两部分。主要通过脐带由母船提供动力。5 、探测识别系统探测识别系统的配置与水下机器人的任务使命密切相关，一般情况下，水下摄像系统和探测识别声纳设备，在大范围目标搜寻探测中是必不可少的。6 、执行机构哈尔滨丁程大学硕士学位论文根据任务目的的不同要求，r o v 可配备不同的执行机构，如完成专用任务的机械手、获取海洋信息的照相设备、用于搜索打捞的捕捞定位装置、海洋调查布放搭载仪器的释放装置等。2 4r o v 的系统设计首先，明确所设计r o v 的目的、任务和工作方式，然后就各部分的具体要求，以模块化的方式进行具体设计。另外，要特别注意各模块之间的相互协调。为了保证r o v 的总体性能和使用，在总体布置方面，要考虑到以下几个因素：最大程度地发挥各种设备和仪器的技术性能，以保证r o v 具有规定的各项指标，而且便于使用、存放和维修；安全可靠；布置紧凑，充分利用r o v 各部分空间，以保证各种设备装置便于操作，又避免相互干扰和影响；要预留备用空间，以便今后根据任务不同而改装和临时加挂设备仪器。2 4 1r o v 的设计特征1 、设计目的设计一个r o v ，能通过控制来完成所要求的利用观通设备进行水下观测和作业的任务；能够配合其他设备进行深水管道回接任务。2 、工作方式通过一个带有传感器、摄像头和机械手的r o v 把管道回接设备运送到工作地点，用传感器把信息回传给水面支持平台，并通过这些信息远程操纵r o v ，来满足各种定位和航行要求，并通过控制机械手来完成各种水下作业。这个系统可描述成一个远程有入系统操作者从工作点转移到水面平台，人的智能保留在水下。3 、设计技术指标( 1 ) 水平航行速度：结合在作业过程中的实际需要，选择航行速度为1 哈尔滨丁稃大学硕士学何论文2 k n ，即大约o 5 l m s 。( 2 ) 工作深度和极限深度瞄1 ：根据使用要求规定了r o v 的工作深度和最大下潜深度( 又称极限深度) 。工作深度是指水下机器人在正常使用过程中所能达到的最大深度，在此深度内，水下机器人下潜次数不受限制，长期停留而不引起耐压壳体产生永久变形，任何密封都不会出现一点问题。极限深度是指水下机器人下潜的最大深度，在此深度水下机器人只能作有限次的、短时间的停留。极限深度不是破坏深度。由于是原理样机的设计，很多因素没有确定，所以设计其最大下潜深度为1 0 0 0 m ，工作深度为6 0 0 m 。( 3 ) 有效载荷：由于r o v 在海底管道回接中，要负责携带多种作业装备，所以应该选择较大的承载能力，初步设计为5 0 k g 。( 4 ) 整体尺寸：采用的结构是框架式结构，初步设计尺寸为1 5 m 1 1 m x1 1 m 。( 5 ) 最大续航能力：1 5 h 。( 6 ) 空气中重量：此重量包括载体框架、推进器、密封舱、作业工具等，重量为6 0 0 k g 。按照以上要素确定r o v 各项技术指标如下表2 1 所示：表2 1r o v 技术参数表水平自航速度l m1 - 2工作深度m6 0 0最大下潜深度m1 0 0 0搭载载荷k g5 0整体尺寸m1 5 x 1 1 1 1最大续航能力h1 5空气中重量k g6 0 01 3哈尔滨工程大学硕士学位论文i li|ll i i 置| i i i i i 葺i i i |4 、系统示意图( 如图2 1 )图2 1r o v 的系统示意图2 4 2 形体的选择r o v 根据使用目的和技术要求的不同，其外形尺寸、结构形式都有很大差异。大多数r o v 具有长方体外形，开式金属框架。形体的选择要考虑以下原则和要求2 6 1 ：阻力小、航行性能好；足够的强度；便于总体布置；良好的工艺性。r o v 由于是电缆供电，所以有较充足的动力，载体多用框架式，虽然运行阻力较大，但总体布置比较方便，加挂和换装载体上的设备仪器容易，而且框架可以起到围护、支承和保护其部件( 推进器、电子舱、水下电视、照明灯以及机电设备等) 的作用伫7 1 。综合框架式的优点和实际工作的需要，决定选用框架式结构载体。图2 2 所示的t r i t o nx lr o v 和s u p e rm o h a w kr o v为框架式结构。1 4哈尔滨工程大学硕士学位论文图2 2 框架式结构2 43 密封舱壳体方案选择1 、密封舱耐压壳体的形状r o v 的密封舱耐压壳体用来装置电子元器件及检测设备，以保证它们不会因海水压力和腐蚀而损坏，因此耐压壳体要有足够的强度和可靠的密封。同时，耐压壳体也是浮力的提供者，它的重量也很大。所以耐压壳体的结构形式、强度和密封，对r o v 是至关重要的。耐压壳体的结构形式是多种多样的，对十r o v ，耐压壳体的形状及所采用的结构材料主要取决于其最大设计深度。球形壳体的稳定性高、密度小，如果从应力和获得最小的重量排水量比值( w ，v ) 角度考虑，球形壳体最佳，所以工作深度大于8 0 0 m 的水下机器人，凼为它的薄膜应力只有圆柱形壳体的半，耐压壳体大多采用球形。对于工作深度小于8 0 0 m 的水下机器人来说，依据应力确定的球形壳体的厚度最小，虽强度可以满足要求，而稳定性往往不足。为此，要加大球壳壁厚，这样壳体的优点就不明显了。此外，在球形壳体上便于切割和制造杯形管节，但球壳内部空间不便于仪器装置的布置，空间利用率差。对于半球形封头的圆柱形壳体，其圆柱形部分的直径和长度不大，外压比较小时，可用壳板厚度来保证强度和稳定性；当圆柱体直径较大，外压高时通常要用肋骨来保证壳体的稳定性。圆柱形壳体能有效利用内部空间，但重量一排水量比值( w 厂v ) 比球形壳体大，尤其用肋骨加强后，会使重量增大，w 厂v 比值提高。各种潜水器耐压壳体形式的优缺点如表2 2 所示。15表22 各种潜水器耐压壳体形式的优缺点耐压壳体形状优点缺点1 、具有最佳的重量一排水量比1 、不便于内部布置球形2 、容易制造壳体杯型管节2 、流体运动阻力大3 、容易进行应力分析而且较正确1 、容易制造加工l 、重量排水量比值最高圆筒型2 、内部空间利用率最高2 、内部需要肋骨加强3 、流体运动阻力小2 、耐压壳体材料”一gph 勰nll _ l哈尔滨t 程大学硕十学位论文列出了钢、铝、钦、玻璃钢、玻璃五种材料的定性比较。3 、耐压壳体的稳定性【明r o v 的耐压质变，其变形的对称性将被破坏，外压力与变形之间的线性关系也被破坏，在外压力作用下被压扁或褶皱。r o v 耐压壳体受海水压力的外压作用，属外压容器，它往往不是因强度不足被破坏，而是当外压增大到一定值时，壳体的变形从量变转为压应力变为主要受弯曲应力，壳体丧失其稳定性，从而造成耐压壳体的破坏。我们设计的r o v 采用的是圆柱形耐压壳结构，其稳定性计算常采用如下公式。按照破坏情况，受外压的圆柱形壳体可分为长圆筒、短圆筒。长圆筒( l 4 0 d 罢) 可以忽略两端边界对稳定性的影响，压扁时的波数一= 2 ，临界压力办仅与t d 有关，与l d 无关，其稳定性计算公式为：办2 号( t d ) 3( 2 - 1 )式中：f 弹性模量，m p a矿运动速度，m st 圆筒壁厚，md 圆筒外圆直径，m容器的椭圆度和板材的平度会影响临界压力的数值。因此，设计时应考虑一个稳定系数朋，则实际允许操作压力为：p = 丝( 2 2 )，拧短圆筒( l 4 0 d 罢) 必须考虑两端边界对稳定性的影响，失稳时的波数为疗 2 的正整数，临界压力与t d 、l d 有关。短圆筒的变形比较复杂，失稳破坏时，不同的临界压力在壳体上出现不同的波数，计算时应力求其中最小的临界压力。计算短圆筒的临界压力的公式很多，工程上常用拉姆公式计算短圆筒的稳定性，它是由简化的米塞斯公式推导出的近似公式：p = 婴(23)c,= 而。2 。3 1 7哈尔滨工程大学硕十学位论文圆柱形耐压壳体两端的封头，对圆柱壳起着径向支撑的作用，可使圆柱壳的稳定性有所提高。但由于耐压壳体封头之间总有一段距离( 大尺寸壳体距离更大) ，所以对封头之间部分的支撑作用不明显，由此，对圆柱形耐压壳体( 尤其是大尺度的耐压壳体) 通常要在圆柱壳中设置抗弯刚度足够大的环形肋骨，以提高整体的稳定性。4 、密封舱耐压壳体的密封耐压壳体内装有电子部件、检测仪器等，在r o v 完成水下作业后，常常需要加以检修；因此，耐压壳体必须有一个可拆卸的封头，以便装拆壳体内的电子器件和仪器。可拆卸封头同壳体间要保证良好的密封，使r o v 在工作期间不产生任何泄漏，以保证耐压壳体内的部件和仪器不受损坏。壳体的密封采用的是，在彼此相接的两表面间，夹一个具有很高机械强度和弹性、有相当大的恢复变形能力材质的辅助元件，阻止有压力的海水通过间隙进入体内。为了可拆卸封头装拆方便，又能密封可靠，常用的密封元件为橡胶d 形密封圈。2 4 4 推进系统方案设计r o v 的运动是靠推进器来实现的，水下机器人几乎都采用螺旋桨推进器，8 0 以上使用电机推进器，其余使用油马达推进器。r o v 要求实现水下空间6 自由度运动，即三个平移运动( 推进、升沉、横移) 和三个回转运动( 转艏、纵倾、横倾) 。1 、推进器的数量及布置要求( 1 ) 推进器的数量r o v 安装推进器的数量取决于对r o v 提出的运动要求。如果要求实现沿动坐标系的三个坐标轴作直线运动，只要沿三个坐标轴布置三个推进器就可以。如果还要实现沿动坐标系的三个坐标轴作旋转运动，由于每对推进器可以取相同或相反的推力方向，那么安装三对推进器就可以实现。如图2 4所示，粗箭头表示推进器，t l 、t 2 位于x o y 平面内，t 3 、t 4 位于x o z 平面内，t 5 、t 6 则位于y o z 之平面内。哈尔滨工程大学硕士学位论文t i图2 4 自由度运动推进器布置图( 2 ) 推进器布置要求推进器的布置遵循以下两点基本原则：尽可能地使三轴的合力交汇于一点，这一点应尽可能地接近载体的重心，这样可以防止产生有害的附加运动，给系统的控制带来麻烦。推进器布置应当使其轴线平行于动坐标系，这样可以取得最大的效率。由于r o v 空间有限，推进器的入流有时会受到设备遮挡的影响，使推进器效率降低。使推力器轴线与坐标轴成5 。1 0 。可以改善这种情况，而c o s ( 5 。1 0 。) 接近于1 ，对轴向推力损失不大，但由于改善了入流情况，反而会提高推进器的效率，如图2 5 所示。图2 5 推进器轴线与r o v 摆放形式2 、推进器布置及推力计算，推进器的布置大体上有五种基本形式，即单推进器布置、双推进器平行布置、双推进器交叉布置、四推进器环形布置和圆锥形布置。由于选用的是6 个推进器的形式，在水平面上有4 个推进器，另外两个推进器主要起到潜1 9哈尔滨丁程大学硕士学位论文浮作用，所以可以只对水平面四推进器环形布置方式进行分析。够鳃人，缪熙j、j( g m 2 )( m 口a )( 口a )( j e m 2 )( 田a )( g p a )指标5 5 02 6 06 8 1 61 0 11 4 8 0 3 7 33 浮力模块的设计思想包括以下几点：( 1 ) 浮力模块和载体框架相结合，构成r o v 的上表面。( 2 ) 简单形状和复杂形状相结合。为了减少浮力块的加工难度和降低加工成本，布置在载体框架上部的浮力模块尽量加工成较简单的块状，如图3 3所示。( 3 ) 浮力模块用螺栓或双头螺柱与框架结构连接，并在浮力模块本体上预埋钢连接件，在载体框架上加装浮力模块安装板和支架，使得浮力块安装简单、可靠，拆卸方便。( 4 ) 为了减小起吊状态下载体框架结构变形对浮力块的影响，除了在浮力块之间留有一定的间隙外，还采取了适当加大浮力模块安装螺栓孔的直径和增加橡胶垫圈等措施。( 5 ) 为了防止浮力块与其它物体发生碰撞而损坏，布置在载体框架外部的浮力块外表面喷涂有聚亚安醋保护层，能够有效地保护浮力材料不受损坏。i 垒：i 三垒：i 茎坚圭茎譬鎏圣i562图3 3 浮力模块图图3 4r o v 推进器的布置2 、推进装置为了满足进行水下作业的基本要求，可以在水中自由运动是r o v 所必需的。r o v 可以实现水下空间6 自由度运动，即三个平移运动：进退、潜浮、横移，三个旋转运动：横摇、纵摇( 俯仰) 、摇艏( 偏航) 。r o v 螺旋桨