《水下機器人ROV》PPT課件.ppt

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1、第 3 章 水下機器人 3.1 水下機器人發(fā)展與分類,水下機器人是一種可在水下移動、具有視覺和感知系統(tǒng)、通過遙控或自主操作方式、使用機械手或其他工具代替或輔助人去完成水下作業(yè)任務(wù)的裝置。 水下機器人具有四個基本特點。 (1)可移動性 (2)能夠感知機器人的外部和內(nèi)部環(huán)境特性 (3)擁有完成使命所需的執(zhí)行機構(gòu) (4)能自主地或在人的參與下完成水下作業(yè),3.1.2 水下機器人分類及用途,3.1.1 概述,3.1.5 水下機器人關(guān)鍵技術(shù) 能源技術(shù) 精確定位技術(shù) 零可見度導(dǎo)航技術(shù) 材料技術(shù),作業(yè)技術(shù) 聲學(xué)技術(shù) 智能技術(shù) 回收技術(shù),3.2 水下機器人結(jié)構(gòu) 載體結(jié)構(gòu)特點,推進模式,動力供給

2、, 密封及耐壓, 防腐技術(shù),3.3 水下機器人控制 3.3.1 控制基本類型,遙控型水下機器人 自治型水下機器人 監(jiān)控型水下機器人,3.3.2 控制方法,底層控制,高層控制,333 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及發(fā)展 有纜水下機器人和無繩水下機器人的控制技術(shù)既有相同之處，也有不同之處，但兩者的控制機理是相同的。從控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度來看，它們的底層控制相同，只是高層控制有所不同。,有纜水下機器人 (ROV)控制系統(tǒng)的設(shè)備大體上可以分為三部分: 水上控制設(shè)備 水下控制設(shè)備 臍帶電纜,水上控制設(shè)備的功能是監(jiān)視和操作水下載體，并向水下載體提供所需的動力,水下控制設(shè)備的功能則是執(zhí)行水面的命令，產(chǎn)生需要的運動

3、以完成給定的作業(yè)使命,臍帶電纜用來傳遞信息和輸送動力,ROV控制系統(tǒng)由,航行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、作業(yè)設(shè)備控制系統(tǒng)、水面支持設(shè)備控制系統(tǒng)、電纜等構(gòu)成,目前，隨著計算機技術(shù)在ROV中的廣泛應(yīng)用，人們將采用更新型技術(shù)，如多媒體技術(shù)、臨場感技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，更形象化地實現(xiàn)對ROV的控制。,任何事物總是一分為二的，ROV的臍帶電纜是一個不利因素，它約束了ROV的活動范圍，增加了水面設(shè)備的成本，在復(fù)雜環(huán)境中尤其迸入復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)部將危害著ROV的安全，因而解脫這種束縛是各國水下機器人專家追求的目標(biāo)，這就是自治水下機器人AUV技術(shù)得以發(fā)展的理由。,AUV的控制問題涉及到許多方面,

4、如機器視覺、環(huán)境建模、決策規(guī)劃、回避障礙、路徑規(guī)劃、故障診斷、坐標(biāo)變換、動力學(xué)計算、多變量控制、導(dǎo)航、通訊、多傳感器信息融合以及包容上述內(nèi)容的計算機體系結(jié)構(gòu)等,AUV可分為預(yù) 編程型和智能型,預(yù)編程型是指AUV在完成使命的過程中完全執(zhí)行預(yù)定的程序，在機器人下水前，操作人員根據(jù)使命需求，采用專門的語言編制使命程序，并將使命程序下裝到機器人上的控制計算機中,智能型AUV則具有在未知環(huán)境申建立環(huán)境模型、根據(jù)模型重新決策和規(guī)劃的能力。這種機器人比較復(fù)雜，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的重點。,AUV可分為預(yù) 編程型和智能型,預(yù)編程型AUV控制,智能型AUV控制,ROV控制,,,3.4 有纜遙控水下機器人 3.4.1

5、 系統(tǒng)組成,有纜遙控水下機器人通常由水下潛水器本體、 中繼器、零浮力臍帶纜、水上吊放系統(tǒng)、絞車系統(tǒng)、 鎧裝臍帶纜、控制系統(tǒng)和動力系統(tǒng)組成,(1)水下機器人本體 潛水器是攜帶觀察和作業(yè)工具設(shè)備的運動載體。在開式框架結(jié)構(gòu)件上方的浮力塊，保證潛水器全負荷時水中浮力基本為零; 在水平、側(cè)向和垂直方向都裝有推進器，從而可實現(xiàn)三維空間的運動。框架前部或必要的地方安置云臺，在其上裝有電視攝像機和照明燈。 常規(guī)的傳感器包括： 水下電子單元包括： 系統(tǒng)監(jiān)視所需要的傳感元件包括:。,成像聲納、羅盤、深度壓力傳感器、高度計等。,水下計算機、驅(qū)動器、控制模塊，安裝在常壓的密封倉內(nèi)。,動力、壓力、溫度、漏

6、水等,a. 潛水器,為了能迅速、準(zhǔn)確地將潛水器送到預(yù)定工作水深和較快地收回到水面，同時為了減弱母船搖擺及臍纜所受海流阻力給潛水器運動和作業(yè)帶來的附加阻力、干擾和影響，一般有纜遙控水下機器人配置中繼器。中繼器內(nèi)儲存系纜，并裝有系纜驅(qū)動收放機構(gòu)，潛水器非工作狀態(tài)時將與中繼器聯(lián)鎖在一起。,b.中繼器,用以投放、回收中繼器和潛水器。吊放系統(tǒng)通常采用門形結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動，并設(shè)有消擺機構(gòu)和臍帶電纜的儲存。,c.吊放系統(tǒng),用于潛水器和中繼器之間機械軟連接及能源饋送和信息傳輸。系纜套穿浮力材料以使其在水中為零浮力，從而減小水流阻力對本體的干擾。,d. 系纜,在吊放架與中繼器之間完成機械軟連接、能源輸送、信息傳輸

7、的作用。它是鋼絲皚裝結(jié)構(gòu)，以便同時起到吊放鋼纜的作用，,e.皚裝主纜,在運動載體上安裝攝像機、成像聲納，構(gòu)成載體的基本系統(tǒng)。在需要作業(yè)時，可再加裝1--2水下機械手和多種水下作業(yè)工具。,f.觀察作業(yè)設(shè)備,內(nèi)放控制臺及供電設(shè)備，簡單維修設(shè)備等。它是水下載體的駕駛、監(jiān)視、操作、指揮中心。,g. 控制間,水下機器人本體,,a. 潛水器,b.中繼器,c.吊放系統(tǒng),d. 系纜,e.皚裝主纜,f.觀察作業(yè)設(shè)備,g. 控制間,(2) 控制系統(tǒng) 有纜遙控水下機器人的控制系統(tǒng)通常由水面控制、水下控制、信息采集、信號傳輸、執(zhí)行機構(gòu)控制等兒個部分組成。,(3) 傳感器,a監(jiān)視系統(tǒng) 主要指用于水下機器人水下搜索和

8、水下觀察的設(shè)備，一般包括有水下攝像機、云臺及照明、成像聲納、聲學(xué)和磁學(xué)定位系統(tǒng)等。,b監(jiān)控系統(tǒng) 主要指介人水下機器人運動控制和保障系統(tǒng)正常運行所需要的傳感設(shè)備，一般包括有深度計、高度計、方向羅盤、溫度、壓力、電壓電流等。,(4)動力及通訊傳輸系統(tǒng),a動力系統(tǒng) 為水下機器人水上設(shè)備 (水面控制單元、控制間、維修間、水面設(shè)備)和水下設(shè)備 (中繼器、水下機器人本體)提供動力分配及保護措施，所有電氣設(shè)備都需滿足船用電氣設(shè)備的規(guī)范要求。,b通訊系統(tǒng) 為水下機器人系統(tǒng)的各個工作站點 (控制間、水面設(shè)備、船長室)提供有線或無線的通訊聯(lián)系。,(5)中繼器系統(tǒng) 中繼器 (TMS)是有纜遙控水下機器人系統(tǒng)的重

9、要設(shè)備之一。為保持水下機器人本體在水下具有良好的動作靈活性、運動平穩(wěn)性和可操作控制性，在本體與吊放系統(tǒng)之間設(shè)置中繼器。中繼器直接由皚裝主纜吊放，在中繼器與潛水器之間由具有中性浮力的系纜連接，這樣既消除皚裝主纜、母船的升沉、縱傾和橫搖等對它的影響，也減少了本體推進系統(tǒng)所需功率，充分地發(fā)揮其本身的最大效率。 水下機器人開始下潛準(zhǔn)備作業(yè)時，中繼器可以作為下潛的壓載與水下機器人一起由皚裝主纜吊放至作業(yè)深度。由于靠中繼器的重量下潛，不需要水下機器人推進器工作，既節(jié)省了能源也提高了下潛的速度。 中繼器一般具有系纜的收放功能、與水下機器人本體的鎖栓功能和通訊的中繼功能。同時可在收放過程中對水下機器人

10、本體起到保護作用。,(6)吊放及絞車系統(tǒng) 吊放系統(tǒng)是將中繼器與水下機器人本體安全、迅速地施放和回收的必配設(shè)備，同時承受連接母船控制臺與機器人本體之間的電力控制和數(shù)據(jù)信息的傳輸。,對吊放系統(tǒng)的要求是,具有良好的工作可靠性; 足夠的結(jié)構(gòu)強度; 收放時皚裝主纜鎖緊的可靠性; 施放過程中的制動能力和緩沖能力。,吊放系統(tǒng)組成,由底架、U形門架 (懸臂吊架)、滑輪、鎖栓機構(gòu)、皚纜絞車、導(dǎo)電滑環(huán)以及液壓動力系統(tǒng)組成,(7)作業(yè)工具系統(tǒng) ROV在救助打撈作業(yè)中可完成的具體任務(wù)為水下搜索、水下觀察、清除水下障礙、帶纜掛鉤、水下切割、水下清洗、水下打孔和水下連接等。 水下搜索和水下觀察主要由ROV所攜

11、帶的水下攝像機和聲納設(shè)備完成。具體的水下作業(yè)工具系統(tǒng)由通用水下工具和專用水下工具組成。,（1）水下機械手 水下機械手為了有效地進行多樣的水下作業(yè)，一般應(yīng)具有4或5個自由度并外加一個夾持功能。為減少水下機器人的體積和重量，水下機械手應(yīng)采取輕量化設(shè)計，大量采用鋁合金材料。機械手各關(guān)節(jié)需要可靠的密封，運轉(zhuǎn)靈活。 通常的作業(yè)型潛水器的前端一般都裝有兩個機械手:一只手較靈活，作業(yè)精度高，自由度相對多些;而另一只手較簡單，但臂力大，能可靠地實施機器人水下懸浮作業(yè)的定位功能，并可兼顧部分作業(yè)任務(wù)。,水下機械手按操作方式一般可分成主從式和開關(guān)式。主從式機械手是把水下機械手當(dāng)作從動手，另設(shè)一個與從動手自由

12、度配置相同、尺寸成一定比例關(guān)系的主動手，操作者操動主動手。,（2）剪切器 剪切器是直線運動型水下工具的代表，其工作原理是借助于動力驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生足夠大的推力，推動平行移動的剪切刀片來剪斷各種水下電纜和鋼絲繩。剪切器一般應(yīng)能剪斷直徑254mm以內(nèi)的各種電纜和鋼纜。剪切器切斷鋼纜的能力除受液壓油缸的缸徑和液壓油源的壓力限制外，還與切割刀的刃口尺寸、切割刀的材料及材料的熱處理狀態(tài)有關(guān)。 剪切器主要由液壓油缸、固定刀、切割刀、安裝座等組成 (見圖3-5)。剪切器通過安裝座安裝在水下機械手上或潛水器底架上。切割刀在油缸的活塞桿帶動下做伸出運動時，必須保證切割刀與固定刀平行，為此在剪切器上設(shè)有導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。

13、,（3）水下清洗刷 由于水下設(shè)施的表面很容易生長海生物或產(chǎn)生銹蝕，所以在進行大部分水下施工作業(yè)之前，都需要對其表面預(yù)先進行清潔處理。例如在進行水下噴漆、焊接等作業(yè)之前，需要將作業(yè)部分的表面清潔干凈;特別是在安裝、更換犧牲陽極的作業(yè)前，要求水下設(shè)施的金屬結(jié)構(gòu)與犧牲陽極間接觸良好，這就需要將該處金屬結(jié)構(gòu)的表面徹底清刷干凈。,（2）砂輪鋸 砂輪鋸 (見圖3-7)屬于旋轉(zhuǎn)運動型水下工具，既可用于切割金屬鏈、金屬棒，也可用于切割混凝土、橡膠、塑料等非金屬。同時砂輪鋸也可以對水下構(gòu)件表面進行打磨。在切割混合材料時，砂輪鋸尤其具有很大的價值，例如對于鋼芯橡膠，它能一次完成對兩種材料的切割。,（5）沖擊搬

14、手 沖擊扳手也稱為液壓套筒扳手，屬于旋轉(zhuǎn)運動型水下工具。沖擊扳手的工作原理是采用小而穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩或反作用力，并在短距離的沖擊中把它們施加到輸出軸上。在沖擊扳手上裝有可快速更換的卡盤，以適應(yīng)不同外形尺寸的螺栓和螺母。 （6）破碎錘 破碎錘屬于旋轉(zhuǎn)運動型水下工具，具有直線沖擊的性能。破碎錘通過裝在旋轉(zhuǎn)馬達上的凸輪去頂起帶有負載錘頭的彈簧，然后再放松，這樣能量就集中在每一次沖擊之中。因破碎機構(gòu)靠一凸輪操縱，液壓馬達只能順時針轉(zhuǎn)動，為防止液壓馬達反轉(zhuǎn)，液壓回路申裝有止回閥。驅(qū)動破碎錘的動力執(zhí)行元件與沖擊扳手使用的相同。,3.4.2 典型有纜遙控水下機器人介紹 (1) 海人一號 “海人一號”是我國自主

15、研究的第一臺水下機器人，由中科院沈陽自動化所與上海交通大學(xué)等單位于1980年開始研制，為我國水下機器人的起步和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。圖3-8是 海人一號有纜遙控水下機器人的照片。,(2)RECON-IV-SIA 1985年沈陽自動化研究所與美國PERRY公司合作并引迸生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)了RECON-IV-SIA中型水下機器人。RECON-TV-SIA是一個典型的有纜遙控水下機器人實用化產(chǎn)品，它已在我國多項海洋石油、水下工程等項目中應(yīng)用。,(3)金魚號 金魚號輕型水下機器人是由中科院沈陽自動化所開發(fā)的一個低成本的小型觀察型有纜遙控水下機器人，可廣泛應(yīng)用在內(nèi)湖地區(qū)的水下觀測和檢查。,HD系列水下機器人

16、 HD系列水下機器人是一種適合在各種水域，尤其是在大深度高海流環(huán)境中使用的水下機器人。它能進行多方向自由運動，可配有近、中距離聲納和電視、高精度水下大地定位系統(tǒng)、多種水下作業(yè)機械手。,速度快、潛水大、抗流工作能力強、操縱控制方便、自動航向及深度保持等特點,水下搜索、探測、大壩勘測、考古、工程作業(yè)、打撈救助、海底地質(zhì)地貌勘測等領(lǐng)域,主要特點：,應(yīng)用,HD1型技術(shù)性能指標(biāo)： 最大工作水深:300m 最大水平速度:7.5kn 抗流工作能力: 34kn 機動性: 三維 續(xù)航性: 4h(自供電) 探測距離: 100m 識別距離: 50m 外形尺寸（長寬高）: 3.141.20.8m 重量: 700Kg,