水下机器人ROV

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"有缆遥控水下 机器人的照片。
(2)RECON-IV-SIA
1985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。
（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。
(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。
(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。
水下机械手为了有效地进行多样的水下作业，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。
c.吊放系统 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 到吊放钢缆的作用，
(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。
(4) 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 主要特点： 等特点
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。
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、 铠装脐带缆、控制系统和动力系统组成
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 机 器 人 本 体
c.吊放系统 d. 系缆 e.皑装主缆 f.观察作业设备 g. 控制间
水下控制设备
脐带电缆
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。
（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。
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 3.3.2 控制方法 底层控制 高层控制
对吊放系统的要求是
(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
（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25·4mm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。
(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。
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 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
(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，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。 成像声纳、罗盘、深度压力 常规的传感器包括： 传感器、高度计等。 水下电子单元包括： 水下计算机、驱动器、控制模块， 安装在常压的密封仓内。
应用
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
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: 3～4kn 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）: 3.14×1.2×0.8m 重量: 700Kg
AUV的控制问Байду номын сангаас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
(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，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。
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 吊放系统组成 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。
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
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。
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
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 时将与中继器联锁在一起。