1、第 3 章 水下机器人3.1 水下机器人发展与分类,水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成水下作业任务的装置。水下机器人具有四个基本特点。(1)可移动性 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性(3)拥有完成使命所需的执行机构 (4)能自主地或在人的参与下完成水下作业,3.1.2 水下机器人分类及用途,3.1.1 概述,3.1.5 水下机器人关键技术 能源技术 精确定位技术 零可见度导航技术 材料技术,作业技术 声学技术 智能技术回收技术,3.2 水下机器人结构载体结构特点,推进模式,动力供给, 密封及耐压, 防腐技术,
2、3.3 水下机器人控制3.3.1 控制基本类型,遥控型水下机器人自治型水下机器人监控型水下机器人,3.3.2 控制方法,底层控制,高层控制,333 控制系统结构及发展有缆水下机器人和无绳水下机器人的控制技术既有相同之处，也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同。,有缆水下机器人 (ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分: 水上控制设备水下控制设备脐带电缆,水上控制设备的功能是监视和操作水下载体，并向水下载体提供所需的动力,水下控制设备的功能则是执行水面的命令，产生需要的运动以完成给定的作业使命,脐带电缆用来传递信息和输送动力
3、,ROV控制系统由,航行控制系统、导航定位系统、信息采集系统、观察系统、作业设备控制系统、水面支持设备控制系统、电缆等构成,目前，随着计算机技术在ROV中的广泛应用，人们将采用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术，更形象化地实现对ROV的控制。,任何事物总是一分为二的，ROV的脐带电缆是一个不利因素，它约束了ROV的活动范围，增加了水面设备的成本，在复杂环境中尤其迸入复杂结构内部将危害着ROV的安全，因而解脱这种束缚是各国水下机器人专家追求的目标，这就是自治水下机器人AUV技术得以发展的理由。,AUV的控制问题涉及到许多方面,如机器视觉、环境建模、决策规划、回避障碍、路径规划、
4、故障诊断、坐标变换、动力学计算、多变量控制、导航、通讯、多传感器信息融合以及包容上述内容的计算机体系结构等,AUV可分为预 编程型和智能型,预编程型是指AUV在完成使命的过程中完全执行预定的程序，在机器人下水前，操作人员根据使命需求，采用专门的语言编制使命程序，并将使命程序下装到机器人上的控制计算机中,智能型AUV则具有在未知环境申建立环境模型、根据模型重新决策和规划的能力。这种机器人比较复杂，是当前学术界研究的重点。,AUV可分为预 编程型和智能型,预编程型AUV控制,智能型AUV控制,ROV控制,3.4 有缆遥控水下机器人 3.4.1 系统组成,有缆遥控水下机器人通常由水下潜水器本体、 中
5、继器、零浮力脐带缆、水上吊放系统、绞车系统、 铠装脐带缆、控制系统和动力系统组成,(1)水下机器人本体潜水器是携带观察和作业工具设备的运动载体。在开式框架结构件上方的浮力块，保证潜水器全负荷时水中浮力基本为零;在水平、侧向和垂直方向都装有推进器，从而可实现三维空间的运动。框架前部或必要的地方安置云台，在其上装有电视摄像机和照明灯。 常规的传感器包括：水下电子单元包括：系统监视所需要的传感元件包括:。,成像声纳、罗盘、深度压力传感器、高度计等。,水下计算机、驱动器、控制模块，安装在常压的密封仓内。,动力、压力、温度、漏水等,a. 潜水器,为了能迅速、准确地将潜水器送到预定工作水深和较快地收回到水
6、面，同时为了减弱母船摇摆及脐缆所受海流阻力给潜水器运动和作业带来的附加阻力、干扰和影响，一般有缆遥控水下机器人配置中继器。中继器内储存系缆，并装有系缆驱动收放机构，潜水器非工作状态时将与中继器联锁在一起。,b.中继器,用以投放、回收中继器和潜水器。吊放系统通常采用门形结构、液压驱动，并设有消摆机构和脐带电缆的储存。,c.吊放系统,用于潜水器和中继器之间机械软连接及能源馈送和信息传输。系缆套穿浮力材料以使其在水中为零浮力，从而减小水流阻力对本体的干扰。,d. 系缆,在吊放架与中继器之间完成机械软连接、能源输送、信息传输的作用。它是钢丝皑装结构，以便同时起到吊放钢缆的作用，,e.皑装主缆,在运动载
7、体上安装摄像机、成像声纳，构成载体的基本系统。在需要作业时，可再加装1-2水下机械手和多种水下作业工具。,f.观察作业设备,内放控制台及供电设备，简单维修设备等。它是水下载体的驾驶、监视、操作、指挥中心。,g. 控制间,水下机器人本体,a. 潜水器,b.中继器,c.吊放系统,d. 系缆,e.皑装主缆,f.观察作业设备,g. 控制间,(2) 控制系统有缆遥控水下机器人的控制系统通常由水面控制、水下控制、信息采集、信号传输、执行机构控制等儿个部分组成。,(3) 传感器,a监视系统 主要指用于水下机器人水下搜索和水下观察的设备，一般包括有水下摄像机、云台及照明、成像声纳、声学和磁学定位系统等。,b监
8、控系统 主要指介人水下机器人运动控制和保障系统正常运行所需要的传感设备，一般包括有深度计、高度计、方向罗盘、温度、压力、电压电流等。,(4)动力及通讯传输系统,a动力系统 为水下机器人水上设备 (水面控制单元、控制间、维修间、水面设备)和水下设备 (中继器、水下机器人本体)提供动力分配及保护措施，所有电气设备都需满足船用电气设备的规范要求。,b通讯系统 为水下机器人系统的各个工作站点 (控制间、水面设备、船长室)提供有线或无线的通讯联系。,(5)中继器系统中继器 (TMS)是有缆遥控水下机器人系统的重要设备之一。为保持水下机器人本体在水下具有良好的动作灵活性、运动平稳性和可操作控制性，在本体与
9、吊放系统之间设置中继器。中继器直接由皑装主缆吊放，在中继器与潜水器之间由具有中性浮力的系缆连接，这样既消除皑装主缆、母船的升沉、纵倾和横摇等对它的影响，也减少了本体推进系统所需功率，充分地发挥其本身的最大效率。水下机器人开始下潜准备作业时，中继器可以作为下潜的压载与水下机器人一起由皑装主缆吊放至作业深度。由于靠中继器的重量下潜，不需要水下机器人推进器工作，既节省了能源也提高了下潜的速度。中继器一般具有系缆的收放功能、与水下机器人本体的锁栓功能和通讯的中继功能。同时可在收放过程中对水下机器人本体起到保护作用。,(6)吊放及绞车系统吊放系统是将中继器与水下机器人本体安全、迅速地施放和回收的必配设备
10、，同时承受连接母船控制台与机器人本体之间的电力控制和数据信息的传输。,对吊放系统的要求是,具有良好的工作可靠性;足够的结构强度; 收放时皑装主缆锁紧的可靠性; 施放过程中的制动能力和缓冲能力。,吊放系统组成,由底架、U形门架 (悬臂吊架)、滑轮、锁栓机构、皑缆绞车、导电滑环以及液压动力系统组成,(7)作业工具系统ROV在救助打捞作业中可完成的具体任务为水下搜索、水下观察、清除水下障碍、带缆挂钩、水下切割、水下清洗、水下打孔和水下连接等。水下搜索和水下观察主要由ROV所携带的水下摄像机和声纳设备完成。具体的水下作业工具系统由通用水下工具和专用水下工具组成。,（1）水下机械手水下机械手为了有效地进
11、行多样的水下作业，一般应具有4或5个自由度并外加一个夹持功能。为减少水下机器人的体积和重量，水下机械手应采取轻量化设计，大量采用铝合金材料。机械手各关节需要可靠的密封，运转灵活。通常的作业型潜水器的前端一般都装有两个机械手:一只手较灵活，作业精度高，自由度相对多些;而另一只手较简单，但臂力大，能可靠地实施机器人水下悬浮作业的定位功能，并可兼顾部分作业任务。,水下机械手按操作方式一般可分成主从式和开关式。主从式机械手是把水下机械手当作从动手，另设一个与从动手自由度配置相同、尺寸成一定比例关系的主动手，操作者操动主动手。,（2）剪切器 剪切器是直线运动型水下工具的代表，其工作原理是借助于动力驱动系
12、统产生足够大的推力，推动平行移动的剪切刀片来剪断各种水下电缆和钢丝绳。剪切器一般应能剪断直径254mm以内的各种电缆和钢缆。剪切器切断钢缆的能力除受液压油缸的缸径和液压油源的压力限制外，还与切割刀的刃口尺寸、切割刀的材料及材料的热处理状态有关。剪切器主要由液压油缸、固定刀、切割刀、安装座等组成 (见图3-5)。剪切器通过安装座安装在水下机械手上或潜水器底架上。切割刀在油缸的活塞杆带动下做伸出运动时，必须保证切割刀与固定刀平行，为此在剪切器上设有导轨结构。,（3）水下清洗刷 由于水下设施的表面很容易生长海生物或产生锈蚀，所以在进行大部分水下施工作业之前，都需要对其表面预先进行清洁处理。例如在进行
13、水下喷漆、焊接等作业之前，需要将作业部分的表面清洁干净;特别是在安装、更换牺牲阳极的作业前，要求水下设施的金属结构与牺牲阳极间接触良好，这就需要将该处金属结构的表面彻底清刷干净。,（2）砂轮锯 砂轮锯 (见图3-7)属于旋转运动型水下工具，既可用于切割金属链、金属棒，也可用于切割混凝土、橡胶、塑料等非金属。同时砂轮锯也可以对水下构件表面进行打磨。在切割混合材料时，砂轮锯尤其具有很大的价值，例如对于钢芯橡胶，它能一次完成对两种材料的切割。,（5）冲击搬手冲击扳手也称为液压套筒扳手，属于旋转运动型水下工具。冲击扳手的工作原理是采用小而稳定的转矩或反作用力，并在短距离的冲击中把它们施加到输出轴上。在
14、冲击扳手上装有可快速更换的卡盘，以适应不同外形尺寸的螺栓和螺母。（6）破碎锤破碎锤属于旋转运动型水下工具，具有直线冲击的性能。破碎锤通过装在旋转马达上的凸轮去顶起带有负载锤头的弹簧，然后再放松，这样能量就集中在每一次冲击之中。因破碎机构靠一凸轮操纵，液压马达只能顺时针转动，为防止液压马达反转，液压回路申装有止回阀。驱动破碎锤的动力执行元件与冲击扳手使用的相同。,3.4.2 典型有缆遥控水下机器人介绍 (1) 海人一号 “海人一号”是我国自主研究的第一台水下机器人，由中科院沈阳自动化所与上海交通大学等单位于1980年开始研制，为我国水下机器人的起步和发展奠定了基础。图3-8是 “海人一号“有缆遥
15、控水下机器人的照片。,(2)RECON-IV-SIA1985年沈阳自动化研究所与美国PERRY公司合作并引迸生产技术，生产了RECON-IV-SIA中型水下机器人。RECON-TV-SIA是一个典型的有缆遥控水下机器人实用化产品，它已在我国多项海洋石油、水下工程等项目中应用。,(3)金鱼号金鱼号轻型水下机器人是由中科院沈阳自动化所开发的一个低成本的小型观察型有缆遥控水下机器人，可广泛应用在内湖地区的水下观测和检查。,HD系列水下机器人HD系列水下机器人是一种适合在各种水域，尤其是在大深度高海流环境中使用的水下机器人。它能进行多方向自由运动，可配有近、中距离声纳和电视、高精度水下大地定位系统、多种水下作业机械手。,速度快、潜水大、抗流工作能力强、操纵控制方便、自动航向及深度保持等特点,水下搜索、探测、大坝勘测、考古、工程作业、打捞救助、海底地质地貌勘测等领域,主要特点：,应用,HD1型技术性能指标： 最大工作水深:300m 最大水平速度:7.5kn 抗流工作能力: 34kn 机动性: 三维 续航性: 4h(自供电) 探测距离: 100m 识别距离: 50m 外形尺寸（长宽高）: 3.141.20.8m 重量: 700Kg,
