水下机器人控制技术 PPT课件 第二章 水下检测机器人ROV总体方案与结构设计.pptx

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第二章水下检测机器人ROV总体方案与结构设计目录1.引言2.水下检测机器人ROV总体方案设计3.水下检测机器人ROV本体结构设计4.水下检测机器人ROV关键部件选型及研制5.本章小结2.1引言水下机器人产业的发展给深海探索带来便利的同时，也为水下结构体的安全检测带来了可靠性的帮助。

本文设计的水下机器人下潜水深300米，虽不能用于深海观测，但却可以为船舶、大坝、水产养殖等浅水域安全检测工作带来保障。

2.2水下检测机器人ROV总体方案设计2.2.1设计思路水面控制箱采用工控机及摇杆、旋钮、开关按键组成，用于直接操纵控制水下机器人本体。

电源柜输出大功率电压用于ROV本体供电，增加交直流滤波器，防止由于功率过大产生的电磁干扰。

操作时将控制箱放置在电源柜顶部，既方便接线，又美观大气。

脐带缆是连接水面控制系统与水下控制系统的介质，它为控制系统提供电力传输，也用于控制系统的通信。

考虑由于电缆过长，损耗较大，因此将电缆线的横截面积加大，并采取水面升压，水下电源模块降压的方法减小电缆损耗。

通信介质选择光纤，信号稳定，传输速率快。

2.2水下检测机器人ROV总体方案设计2.2.1设计思路ROV本体设计选取主控制芯片和从控制芯片共同作为处理器进行数据处理和部件控制。

由于水下机器人摄像系统数据量大、实时性要求高，如果通过单片机数据传输可能会导致数据丢失、传输速率慢等缺点，因此摄像头图像数据和控制系统通信采用不同IP地址进行网络通信传输。

系统安装安全报警模块，时刻监视漏水、温湿度、电压电流和深度等实时参数信息。

对于大功率的推进器的驱动，采用基于MOS管的分立元件搭建，以提供足够的功率输出，信号采用光耦隔离，确保系统安全稳定运行。

惯性导航模块使用基于MEMS技术的器件，这种导航设备体积小，精度高，适用于水下机器人系统。

2.2水下检测机器人ROV总体方案设计2.2.2技术要求操控台采用按键和摇杆下发指令控制ROV本体在水下浮游检测，能够清晰的采集摄像头图像，并实现图像抓拍、录制视频的功能；能够在水中实现上浮下潜、进退、转艏、横滚等多自由度灵活运动；能够实现定深、定向航行及定横滚动作；能够实时采集舱内各个传感器的信息，时刻监测舱内温湿度及漏水情况；配备VR眼镜接口。

2.2水下检测机器人ROV总体方案设计2.2.2技术要求对象指标结构形式封闭式设计尺寸（mm）550500370最大工作水深（m）300最大航速（kn）5（约2.57m/s）空气中净重（kg）12脐带缆（m）400电源220V交流电水下推进器垂向2个、纵向2个传感器深度计、惯性导航、漏水检测、温湿度照明及观测球型高清摄像机、云台功能、自动对焦；20W水下LED灯2只ROV关键技术参数2.2水下检测机器人ROV总体方案设计2.2.3总体结构组成水下安全检测有缆遥控机器人主要由四个部分组成：

水面控制箱电源柜脐带缆及绞车ROV本体水面控制箱是控制ROV、监测水下环境的重要工具；电源柜给ROV及水面控制台提供能量，保证水下机器人具有充沛的能源；脐带缆是连接水面控制系统与水下控制系统的介质，电力及数据传输均通过脐带缆进行；ROV本体是整个控制系统的核心部分，它在水下实现结构物图像、传感器数据采集及浮游运动的功能。

2.3水下检测机器人ROV本体结构设计水下机器人本体结构设计较为繁琐，需要满足许多条件，如：

耐压、防水、静态平衡及动态平衡等，这些都要满足机器人运动控制要求。

考虑到机器人是由各个模块组装而成，并且每个模块可以根据机器人特定的任务进行更换，或者模块损坏直接更换不影响整个控制系统的正常运作。

模块化设计方法，能够使得机器人具有良好的可维护性及扩展性。

3.水下检测机器人ROV本体结构设计1.总体布局与模块化设计ROV总体结构布局，共有七个部分组成，分别为：

2.内部框架；4.配重模块；6.照明灯；1.外壳；3.耐压电子舱；5.推进系统；7.摄像云台。

2.3水下检测机器人ROV本体结构设计2.3.1总体布局与模块化设计模块名称功能尺寸（mm）重量（kg）性能参数框架模块构成ROV的基本平台364*425*152mm1.12采用ABS工程塑料和6061-t6铝合金外壳模块流线型设计减小阻力550*500*370mm1.91采用ABS工程塑料耐压电子舱模块实时拍摄分配电力和控制信号长446mm直径155mm5.15耐压水深300m推进器模块ROV的姿态运动来源每个推进器长131mm，直径100mm；1.69最大推力5.1kgf照明模块辅助照明长70mm，直径43mm；0.4亮度1200lm配重模块调节静稳态170*125*92mm2.2浮体密度0.2g/cm3配重密度7.8g/cm3ROV各模块基本参数2.3水下检测机器人ROV本体结构设计2.3.2动力推进系统方案设计水下安全检测机器人可以在水中浮游观测，它的浮力略大于重力，使得其在静态时浮于水面，若要机器人在水中浮游前进，需要借助推进器的推力。

ROV本体共布置了4枚推进器，其中尾部布置两枚纵向推进器，其输出推力沿X轴向，以FT1和FT2表示；中部布置两枚垂向推进器，输出推力沿Z轴向，以FT3和FT4表示。

这4枚推进器组成了ROV的动力模块，使ROV能够实现X方向进退、Z方向升沉、绕X轴翻转、绕Z轴原地回转等动作。

推进器推力分配示意如图所示。

推力分配示意2.3水下检测机器人ROV本体结构设计2.3.2动力推进系统方案设计表给出了ROV在不同自由度航行时推进器的推力分配比例。

数值表示推力大小，“1”表示满载工作，“0”表示不工作；正负号表示推力方向。

航行工况推进器FT1（后左）FT2（后右）FT3（垂左）FT4（垂右）进退0.95100升沉0011转艏1-100翻转001-1进退+升沉1111进退+转艏0.751002.4水下检测机器人ROV关键部件选型及研制2.4.1水下推进器选型推进器最重要的参数就是其所能提供的推力，若推力小，机器人在水下顶流作业时容易被水流冲走，很难达到对机器人定位作业，严重影响机器人的稳定性。

结合项目研发ROV的性能要求，采用美国BlueRobotics公司的T200型小型推进器，这款推进器具有体积小、质量轻便、推进效率高、推力大等优点。

2.4水下检测机器人ROV关键部件选型及研制2.4.2云台摄像机选型云台摄像系统直接决定ROV采集水下视频图像的清晰度，带有云台功能的摄像机可以使机器人的视野更加宽阔。

本文所研发的机器人选择球形摄像机，只要将其置于耐压电子舱中，头部使用亚克力球罩将其密封，便可适用于ROV。

传感器类型1/2.8英寸CMOS传感器有效像素19201080调整角度水平：

0355垂直：

0+90最大红外距离30米镜头焦距2.8mm12mm变焦类型自动变焦供电12VDC功耗4.3W2.4水下检测机器人ROV关键部件选型及研制2.4.3水下灯研制光照射水中后衰减快，在30m以下的清水中亮度就已经十分微弱，很难观察到水下结构物，因此水下300m的结构物需要借助照明设备进行观测。

ROV搭载两只水下灯，用于照亮周围环境，便于摄像机采集图像视频。

驱动实物图水下灯实物图输入电压调光方式功率色温亮度12V-16VDCPWM20W5500K2000LM水下灯基本参数2.4水下检测机器人ROV关键部件选型及研制2.4.4脐带缆及缆车设计脐带缆外皮是聚酯氨防磨层，中间是发泡层，中心为缆芯和单模铠甲光纤，其扯断力达到500kg，当机器人在水中出现故障时，即使有暗流的作用，通过脐带缆也可以将其拖拽上来。

脐带缆的具体参数如表所示，水下机器人下潜深度为300m，脐带缆共长400m，这样保证机器人在水面能够拥有400m的航行半径。

密度缆外径扯断力电源线材料通信材料1.0g/cm35%15mm500kg无氧铜单模光纤2.4水下检测机器人ROV关键部件选型及研制2.4.4脐带缆及缆车设计电力传输的两根电源线截面积为1.5mm2，这样可以保证线缆上的损耗小，而且线缆不能够太粗，否则拖拽机器人，机器人难以完成姿态运动。

脐带缆中电缆的损耗计算如下：

电缆采用铜芯线设计，所以电线的导体电阻为：

式中，R为铜芯线的内阻；，是铜芯线的电阻率,L为脐带缆长度;L为铜芯线的横截面积。

2.4水下检测机器人ROV关键部件选型及研制2.4.4脐带缆及缆车设计因为水下机器人最大消耗功率P小于1500W，且电源模块的输入电压Ui范围为200V至420VDC，输出电压Uo为13.8VDC，当且仅当Ui为200V时，电缆P线损耗最大，即：

线缆上的分压为：

机器人及缆线消耗的总功率为：

2.4水下检测机器人ROV关键部件选型及研制2.4.4脐带缆及缆车设计因为脐带缆较长，收放缆较为繁琐，因此采用绞车作为收放系统，绞车需要安装光电滑环。

2.5本章小结本章介绍了水下安全检测机器人的总体方案设计及其结构组成，提出了水下机器人的设计技术要求，较为全面的阐述了ROV本体各个模块的基本参数及功能，最后介绍了机器人关键部件的选型及研制。

2.5本章小结1.本文设计的水下安全检测机器人的外形是流体式的，请问这与开架式的设计有在外形和功能上有什么不同，简要说明。

2.本文的动力推进系统是由4个推进器组成的，请查阅资料找出不同的水下机器人的推进系统，并且说明推进器的分布位置及是这么配合控制水下机器人的前进，后退，上浮下潜等运动的。

3.本文云台摄像头选择的是网络摄像头，请简述一下网络摄像头和串口摄像头，综合考虑一下，你认为水下机器人应该选择什么类型的摄像头。

4.脐带缆的主要功能有哪些？

本文的水下机器人使用的脐带缆有哪些功能。

5.光电滑环是什么？