观察型水下机器人rov系统配置极其实际应用

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1、观察型水下机器人ROV系统配置极其实际应用一、引言无人水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)，亦称无人潜水器，是一种以潜艇或水面船只为支援平台，能够在水下一定范围内航行并承担水下目标搜索、调查、识别和打捞作业任务 的特定潜水设备，又被称为水下机器人。按其与水面支持平台间的不同联系方式，一般可以分为无人遥控潜行器(remotely operated vehicle，ROV)和自主水下航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)。按使

2、用目的划分，水下机器人可以分为水下作业型和水下观察型两种。无人潜水器具有安全、高效、克服恶劣环境能力强等优点，已经广泛应用于海洋工程等诸多领域。在英国石油公司的“深水地平线”漏油事件救灾过程中，水下无人系 统再次成为世人关注的焦点。然而，ROV的系统配置将直接影响其作业性能。本文在分析水下机器人的基本结构的基础上，就观察型ROV的主要部件选配、传感 设备搭载和整体配置原则等方面展开深入探讨，以期对ROV的设计生产和应用选型有所指导。二、ROV 系统配置研究⒈ 水下机器人ROV简介典型的ROV系统由水

3、面设备部分和水下设备部分组成，两部分通过脐带缆连接。其中，水上部分主要包括甲板控制单元、绞缆车、释放回收设备、电源以及导航与数据采集系统等；水下设备部分则主要由潜水器、成像系统、水下声学定位跟踪系统以及机械臂等部分组成。⑴潜水器潜水器本体就是一个具有特定比重材料的浮力框架，并具有较好的抗撞击能力和抗腐蚀能力，是搭载各种传感器的基础平台，通过脐带缆与甲板控制单元连接。潜水器 的推力来源于数套由电动马达驱动的推进器，这些推进器可以使ROV 在水中完成各种精确的运动。每一个潜水器还有一个或者多个压力舱(也

4、称电子舱)，舱中一般封装有各种控制电路、电源分配电路等，所有的外部指令以及自身的 工作都要经过电子舱的处理。⑵甲板控制单元包括系统控制计算机、操纵控制器、电源箱以及相关的显示和数据记录设备等，并通过脐带缆与潜水器连接。操纵人员可以实时监视ROV的基本性能、状态参数，并通过甲板单元发送各种控制指令，操纵水下潜器以及搭载的传感器。⑶成像系统成像系统是观察型ROV搭载的重要设备之一。水下成像系统一般分为光学和声学两大类。光学成像设备包括黑白导航相机、彩色相机及摄像机等；声学成像系统主要有扫描声纳、避碰声纳

5、、双频识别声纳和聚焦多波束等。在水体清晰度和光照条件良好的环境下，光学系统是观察水下目标的首选。声学系统只能识别目标的整体轮廓和非同一平面内的细节特征，一般只是作为辅助手段。在 光学成像条件极差或根本就不具备条件时，就只能借助声学成像系统进行目标观察。此外，声学系统还可以作为ROV水下航行的避碰手段。⑷水下声学定位跟踪系统用于确定水下潜器与水面支持系统的相对位置，若同时装配了姿态传感器(含艏向)和GPS，则可以确定水下潜器的绝对位置，即大地坐标。由于惯性导航系统造价太高，观察型的ROV大都只装备超短

6、基线(USBL)定位系统，进行潜水器的跟踪定位。⑸机械臂ROV在完成水下目标观察的同时，一般还需要装配一到两个机械手(臂)，以便执行诸如海底取样、线缆切割等水下作业任务。机械手的主要技术指标包括自由度、物理尺寸、抓取能力以及钳口扭矩等。⒉ 潜水器与推进系统一台ROV通常有三组推进器，分别用来推动潜器在横向、纵向和垂向三个方向的运动。推进器的数量与功率需根据ROV的自身重量和作业水域环境等因素确定。目前，ROV的推进系统主要有槽道推进型和矢量推进型两大类。槽道推进型需要三组推进器，分别负责潜水器在前后

7、、左右和上下三个方向的运动，故也称三轴推 进。槽道式推进器的推力方向固定并通过潜器重心。矢量推进器通过调整推水角度和转速，从而获得额外操纵力矩，输出指定方向的推力，在垂直面分解后垂直方向 的力用于调节纵倾，水平方向的力用于保持速度，因而，也称为全方向推进。与槽道式推进器不同，矢量推进器的推力可调且不一定通过潜水器的中心。矢量推进具有航行阻力小，动力效率高，可高速低耗行驶的优点，代表了推进技术的主流发展方向。使用矢量推进器替代槽道推进，还可以使潜器更加轻量化、小型 化，改善潜器内部布置，更好地满足其操

8、纵性能的要求。从另一角度来看，由于槽道式推进的三组推进器可以独立执行前后、左右和上下三个方向的运动，在静水区 域完成高精准的动作有一定优势。如果能使用以矢量推进技术为主、槽道式侧推为辅的混合式推进系统，可能会进一步改善ROV的操控性能。⒊ 动力定位技术与定深定向动力定位系统成本较高，又考虑水下定位精度、时间延迟以及运载潜器的随动性等因素，观察型ROV一般不配备动力定位系统。但是，自动定向和自动定深功能是观察型ROV系统必须具备的性能，否则将为ROV的系统操控带来极大的