水下机器人ROV讲课教案
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第 3 章 水下机器人 3.1 水下机器人发展与分类
3.1.1 概述
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
常规的传感器包括：
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，
水下电子单元包括：
安装在常压的密封仓内。
动力、压力、温度、漏
系统监视所需要的传感元件包括:。
水等
b.中继器 c.吊放系统
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
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。
到吊放钢缆的作用，
e.皑装主缆
在运动载体上安装摄像机、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
g. 控制间
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。
a. 潜水器
b.中继器
水
下
c.吊放系统
机
器 人
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、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
AUV可分为预 编程型和智能型
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。
ROV控制
预编程型AUV控制
智能型AUV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、 中继器、零浮力脐带缆、水上吊放系统、绞车系统、
d. 系缆
本 体
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
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
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
脐带电缆用来传递信息 和输送动力
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
3.1.5 水下机器人关键技术 ①能源技术 ②精确定位技术 ③零可见度导航技术 ④材料技术 ⑤作业技术 ⑥声学技术 ⑦智能技术
⑧回收技术
3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 ②推进模式 ③动力供给 ④ 密封及耐压 ⑤ 防腐技术
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
时将与中继器联锁在一起。
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。
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
3.3.2 控制方法 底层控制
高层控制
3·3·3 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
铠装脐带缆、控制系统和动力系统组成
(1)水下机器人本体
a. 潜水器
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安置云台，在其上装有电
视摄像机和照明灯。
3.1.1 概述
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
常规的传感器包括：
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，
水下电子单元包括：
安装在常压的密封仓内。
动力、压力、温度、漏
系统监视所需要的传感元件包括:。
水等
b.中继器 c.吊放系统
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
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。
到吊放钢缆的作用，
e.皑装主缆
在运动载体上安装摄像机、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
g. 控制间
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。
a. 潜水器
b.中继器
水
下
c.吊放系统
机
器 人
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、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
AUV可分为预 编程型和智能型
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。
ROV控制
预编程型AUV控制
智能型AUV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、 中继器、零浮力脐带缆、水上吊放系统、绞车系统、
d. 系缆
本 体
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
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
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
脐带电缆用来传递信息 和输送动力
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
3.1.5 水下机器人关键技术 ①能源技术 ②精确定位技术 ③零可见度导航技术 ④材料技术 ⑤作业技术 ⑥声学技术 ⑦智能技术
⑧回收技术
3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 ②推进模式 ③动力供给 ④ 密封及耐压 ⑤ 防腐技术
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
时将与中继器联锁在一起。
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。
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
3.3.2 控制方法 底层控制
高层控制
3·3·3 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
铠装脐带缆、控制系统和动力系统组成
(1)水下机器人本体
a. 潜水器
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安置云台，在其上装有电
视摄像机和照明灯。