水下机器人ROV学习.pptx

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1、水下机器人关键技术水下机器人关键技术能源技术能源技术精确定位技术精确定位技术零可见度导航技术零可见度导航技术 材料技术材料技术作业技术作业技术 声学技术声学技术 智能技术智能技术 回收技术回收技术第1页/共27页3.2 3.2 水下机器人结构水下机器人结构 载体结构特点载体结构特点推进模式推进模式 动力供给动力供给 密封及耐压密封及耐压 防腐技术防腐技术3.3 3.3 水下机器人控制水下机器人控制 控制基本类型控制基本类型 遥控型水下机器人遥控型水下机器人 自治型水下机器人自治型水下机器人 监控型水下机器人监控型水下机器人控制方法控制方法底层控制底层控制高层控制高层控制第2页/共27页 3 3

2、 3 3 3 3 控制系统结构及发展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。制有所不同。有缆水下机器人有缆水下机器人 (ROV)(ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分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水下控制设备水下控制设备脐带电缆脐带电缆水上控制设备的功能是监视和操作水下载

3、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脐带电缆用来传递信息和输送动力力第3页/共27页ROVROV控制系统由控制系统由航行控制系统、导航定位系统、信息采集系航行控制系统、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、电缆等构成持设备控制系统、电缆等构成 目前，随着计算机技术在目前，随着计算机技术在R

4、OVROV中的广泛应用，人们将采用更新型技术，如多中的广泛应用，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ROVROV的控制。的控制。任何事物总是一分为二的，任何事物总是一分为二的，ROVROV的脐带电缆是一个不利因素，它约束了的脐带电缆是一个不利因素，它约束了ROVROV的的活动范围，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ROVROV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，这就是自治水下的安

5、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机器人AUVAUV技术得以发展的理由。技术得以发展的理由。第4页/共27页AUVAUV的控制问题涉及到许多方面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容的计算机体系结构等 AUVAUV可分为预可分为预编程型和智能型编程型和智能型 预编程型预编程型

6、是指是指AUVAUV在完成使命的过程中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使命程序，并将使命程序下装到机器人上的控制计算机中控制计算机中第5页/共27页智能型智能型AUVAUV则具有在未知环境申建立环境模型、根据模型重新决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。点。AUVAUV可分为预可分为预编程型和智能

7、型编程型和智能型预编程型预编程型AUVAUV控制控制智能型智能型AUVAUV控制控制ROVROV控制控制第6页/共27页3.4 3.4 有缆遥控水下机器人有缆遥控水下机器人系统组成系统组成 有缆遥控水下机器人通常由水下有缆遥控水下机器人通常由水下潜水器本体潜水器本体、中继器中继器、零浮力脐带缆零浮力脐带缆、水上吊放系统水上吊放系统、绞车系统绞车系统、铠装脐带缆铠装脐带缆、控制系统控制系统和和动力系统动力系统组成组成第7页/共27页(1)(1)水下机器人本体水下机器人本体 潜水器是携带观察和作业工具设备的运动载体。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在开式框架结构

8、件上方的浮力块，保证潜水器全负荷时水中浮力基本为零块，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，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。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：常规的传感器包括：水下电子单元包括：水下电子单元包括：系统监视所需要的传感元件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、高成像声纳、罗盘、深度压力传感器、高度计等。度计等。水下计算机、驱动器、控制模块，安装在常水下计算机、

9、驱动器、控制模块，安装在常压的密封仓内。压的密封仓内。动力、压力、温度、漏水等动力、压力、温度、漏水等a.a.潜水器潜水器第8页/共27页为了能迅速、准确地将潜水器送到预定工作水深和较为了能迅速、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。和影响，一般有缆遥控水下机器人配置中继器。中继中继器内储存系缆，并装有系缆驱动收放机构，潜水器非器内储存系缆，并装有系缆驱动收放机构，潜水器非工

10、作状态时将与中继器联锁在一起。工作状态时将与中继器联锁在一起。b.b.中继器中继器 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。形结构、液压驱动，并设有消摆机构和脐带电缆的储存。c.c.吊放系统吊放系统第9页/共27页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。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.d.系缆系缆在吊放架与中继器之间

11、完成机械软连接、能源输送、信息传输的作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，用。它是钢丝皑装结构，以便同时起到吊放钢缆的作用，e.e.皑装主缆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，可再加装在需要作业时，可再加装1-21-2水下机械手和多种水下作业工具。水下机械手和多种水下作业工具。f.f.观察作业设备观察作业设备第10页/共27页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、内放控制台及供电设备，简单维修设备等。它是水下载

12、体的驾驶、监视、操作、指挥中心。监视、操作、指挥中心。g.g.控制间控制间水水下下机机器器人人本本体体a.a.潜水器潜水器b.b.中继器中继器c.c.吊放系统吊放系统d.d.系缆系缆e.e.皑装主缆皑装主缆f.f.观察作业设备观察作业设备g.g.控制间控制间第11页/共27页(2)(2)控制系统控制系统 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。传输、执行机构控制等儿个部分组成。(3)(3)传感器传感器 aa监视系统监视系统 主要指用于水下机器人水下搜索和水下观主要指

13、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。声纳、声学和磁学定位系统等。bb监控系统监控系统 主要指介人水下机器人运动控制和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、电有深度计、高度计、方向罗盘、温度、压力、电压电流等。压电流等。第12页/共27页(4)(4)动力及通讯传输动力及通讯传输系统系统 aa动力系统动力系统 为水下机器人水上设备为水下机器人水上设备 (水面控制单元、

14、控制间、维修间、水水面控制单元、控制间、维修间、水面设备面设备)和水下设备和水下设备 (中继器、水下机器中继器、水下机器人本体人本体)提供动力分配及保护措施，所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有电气设备都需满足船用电气设备的规范要求。范要求。b b通讯系统通讯系统 为水下机器人系统的各个工为水下机器人系统的各个工作站点作站点 (控制间、水面设备、船长室控制间、水面设备、船长室)提供提供有线或无线的通讯联系。有线或无线的通讯联系。第13页/共27页(5)(5)中继器系统中继器系统 中中继继器器 (TMS)(TMS)是是有有缆缆遥遥控控水水下下机机器器人人系系统统的的重

15、重要要设设备备之之一一。为为保保持持水水下下机机器器人人本本体体在在水水下下具具有有良良好好的的动动作作灵灵活活性性、运运动动平平稳稳性性和和可可操操作作控控制制性性，在在本本体体与与吊吊放放系系统统之之间间设设置置中中继继器器。中中继继器器直直接接由由皑皑装装主主缆缆吊吊放放，在在中中继继器器与与潜潜水水器器之之间间由由具具有有中中性性浮浮力力的的系系缆缆连连接接，这这样样既既消消除除皑皑装装主主缆缆、母母船船的的升升沉沉、纵纵倾倾和和横横摇摇等等对对它它的的影影响响，也也减减少少了了本本体体推推进进系系统统所所需功率，充分地发挥其本身的最大效率。需功率，充分地发挥其本身的最大效率。水水下下

16、机机器器人人开开始始下下潜潜准准备备作作业业时时，中中继继器器可可以以作作为为下下潜潜的的压压载载与与水水下下机机器器人人一一起起由由皑皑装装主主缆缆吊吊放放至至作作业业深深度度。由由于于靠靠中中继继器器的的重重量量下下潜潜，不不需需要要水水下下机机器器人人推推进进器器工工作作，既既节省了能源也提高了下潜的速度。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。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。同时可在收放过程中对水下机器人本体起到保护作用。第14页/共

17、27页(6)(6)吊放及绞车系统吊放及绞车系统 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。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对吊放系统的要求是 具有良好的工作可靠性具有良好的工作可靠性;足够的结构强度足够的结构强度;收放时皑装主缆锁紧的可靠性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。施放过程中的制动能力和缓冲能力。吊放系统组成吊放系统组成由底架、由底架、U U形门架形门

18、架 (悬臂吊架悬臂吊架)、滑轮、锁栓机构、滑轮、锁栓机构、皑缆绞车、导电滑环以及液压动力系统组成皑缆绞车、导电滑环以及液压动力系统组成第15页/共27页(7)(7)(7)(7)作业工具系统作业工具系统 ROVROVROVROV在在救救助助打打捞捞作作业业中中可可完完成成的的具具体体任任务务为为水水下下搜搜索索、水水下下观观察察、清清除除水水下下障障碍碍、带带缆挂钩、水下切割、水下清洗、水下打孔和水下连接等。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水下搜索和水下观察主要由ROVROV所携带的水下摄像机和声纳设备完成。具体的水下所携带的水下摄像机和声纳设备完成。具

19、体的水下作业工具系统由作业工具系统由通用水下工具通用水下工具和和专用水下工具专用水下工具组成。组成。第16页/共27页 （1 1 1 1）水下机械手）水下机械手 水水下下机机械械手手为为了了有有效效地地进进行行多多样样的的水水下下作作业业，一一般般应应具具有有4 4 4 4或或5 5 5 5个个自自由由度度并并外外加加一一个个夹夹持持功功能能。为为减减少少水水下下机机器器人人的的体体积积和和重重量量，水水下下机机械械手手应应采采取取轻轻量量化化设设计计，大大量量采采用用铝铝合合金材料。机械手各关节需要可靠的密封，运转灵活。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

20、般都装有两个机械手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，自一只手较灵活，作业精度高，自由度相对多些由度相对多些;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。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。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

21、操动主动手。成一定比例关系的主动手，操作者操动主动手。第17页/共27页（2 2 2 2）剪切器）剪切器 剪剪切切器器是是直直线线运运动动型型水水下下工工具具的的代代表表，其其工工作作原原理理是是借借助助于于动动力力驱驱动动系系统统产产生生足足够够大大的的推推力力，推推动动平平行行移移动动的的剪剪切切刀刀片片来来剪剪断断各各种种水水下下电电缆缆和和钢钢丝丝绳绳。剪剪切切器器一一般般应应能能剪剪断断直直径径25252525 4mm4mm4mm4mm以以内内的的各各种种电电缆缆和和钢钢缆缆。剪剪切切器器切切断断钢钢缆缆的的能能力力除除受受液液压压油油缸缸的的缸缸径径和和液液压压油油源的压力限制外，

22、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。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。剪剪切切器器主主要要由由液液压压油油缸缸、固固定定刀刀、切切割割刀刀、安安装装座座等等组组成成 (见见图图3-5)3-5)3-5)3-5)。剪剪切切器器通通过过安安装装座座安安装装在在水水下下机机械械手手上上或或潜潜水水器器底底架架上上。切切割割刀刀在在油油缸缸的的活活塞塞杆杆带带动动下下做做伸伸出出运运动动时时，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。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。第18页/共27页（3 3 3 3）水下

23、清洗刷）水下清洗刷 由由于于水水下下设设施施的的表表面面很很容容易易生生长长海海生生物物或或产产生生锈锈蚀蚀，所所以以在在进进行行大大部部分分水水下下施施工工作作业业之之前前，都都需需要要对对其其表表面面预预先先进进行行清清洁洁处处理理。例例如如在在进进行行水水下下喷喷漆漆、焊焊接接等等作作业业之之前前，需需要要将将作作业业部部分分的的表表面面清清洁洁干干净净;特特别别是是在在安安装装、更更换换牺牺牲牲阳阳极极的的作作业业前前，要要求求水水下下设设施施的的金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。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

24、净。第19页/共27页（2 2 2 2）砂轮锯）砂轮锯 砂砂轮轮锯锯 (见见图图3-7)3-7)3-7)3-7)属属于于旋旋转转运运动动型型水水下下工工具具，既既可可用用于于切切割割金金属属链链、金金属属棒棒，也也可可用用于于切切割割混混凝凝土土、橡橡胶胶、塑塑料料等等非非金金属属。同同时时砂砂轮轮锯锯也也可可以以对对水水下下构构件件表表面面进进行行打打磨磨。在在切切割割混混合合材材料料时时，砂砂轮轮锯锯尤尤其其具具有有很很大大的的价价值值，例例如如对对于于钢钢芯芯橡橡胶胶，它它能能一一次次完完成成对对两种材料的切割。两种材料的切割。第20页/共27页 （5 5 5 5）冲击搬手）冲击搬手 冲

25、冲击击扳扳手手也也称称为为液液压压套套筒筒扳扳手手，属属于于旋旋转转运运动动型型水水下下工工具具。冲冲击击扳扳手手的的工工作作原原理理是是采采用用小小而而稳稳定定的的转转矩矩或或反反作作用用力力，并并在在短短距距离离的的冲冲击击中中把把它它们们施施加加到到输输出出轴轴上上。在在冲冲击击扳扳手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。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 6 6 6）破碎锤）破碎锤 破破碎碎锤锤属属于于旋旋转转运运动动型型水水下下工工具具，具具有有直直线线冲冲击击的的性性能能。破破碎碎锤锤通通过过装装在在旋旋转转马马达达上上的的凸凸轮轮去去

26、顶顶起起带带有有负负载载锤锤头头的的弹弹簧簧，然然后后再再放放松松，这这样样能能量量就就集集中中在在每每一一次次冲冲击击之之中中。因因破破碎碎机机构构靠靠一一凸凸轮轮操操纵纵，液液压压马马达达只只能能顺顺时时针针转转动动，为为防防止止液液压压马马达达反反转转，液液压压回回路路申申装装有止回阀。驱动破碎锤的动力执行元件与冲击扳手使用的相同。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。第21页/共27页典型有缆遥控水下机器人介绍典型有缆遥控水下机器人介绍(1)(1)海人一号海人一号“海海人人一一号号”是是我我国国自自主主研研究究的的第第一一台台水水下下机机器器人人，由由中中科科院院沈沈

27、阳阳自自动动化化所所与与上上海海交交通通大大学学等等单单位位于于19801980年年开开始始研研制制，为为我我国国水水下下机机器器人人的的起起步步和和发发展展奠奠定定了了基基础础。图图3-83-8是是 海海人一号人一号 有缆遥控水下机器人的照片。有缆遥控水下机器人的照片。第22页/共27页(2)RECON-IV-SIA(2)RECON-IV-SIA 1985 1985年沈阳自动化研究所与美国年沈阳自动化研究所与美国PERRYPERRY公司合作并引迸生产技术，生产了公司合作并引迸生产技术，生产了RECON-RECON-IV-SIAIV-SIA中型水下机器人。中型水下机器人。RECON-TV-SI

28、ARECON-TV-SIA是一个典型的有缆遥控水下机器人实用化产品，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。它已在我国多项海洋石油、水下工程等项目中应用。第23页/共27页(3)(3)金鱼号金鱼号 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。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。第24页/共27页(4)(4)HDHD系列水下机器人系列水下机器人系列水下机器人系列水下机器人 H

29、DHD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、多种配有近、中距离声纳和电视、高精度水下大地定位系统、多种配有近、中距离声纳和电视、高精度水下大地定位系统、多种配有近、

30、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。水下作业机械手。水下作业机械手。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便、自动航向及深度保持等特点水下搜索、探测、大坝勘测、水下搜索、探测、大坝勘测、考古、工程作业、打捞救助、考古、工程作业、打捞救助、海底地质地貌勘测等领域海底地质地貌勘测等领域主要特点：主要特点：应用应用第25页/共27页HD1HD1型技术性能指标：型技术性能指标：最大工作水深最大工作水深:300m:300m最大水平速度最大水平速度:7.5kn:7.5kn抗流工作能力抗流工作能力:3:34kn4kn机动性机动性:三维三维 续航性续航性:4h(:4h(自供电自供电)探测距离探测距离:100m:100m识别距离识别距离:50m:50m外形尺寸（长外形尺寸（长宽宽高）高）:3.141.20.8m:3.141.20.8m重量重量:700Kg:700Kg第26页/共27页感谢您的观看！第27页/共27页