淺水觀察級小型ROV設計與實現(xiàn)

辛光紅 馮德忠 潘若男

（三亞學院理工學院，海南 三亞 572022）

淺水觀察級小型ROV設計與實現(xiàn)

辛光紅 馮德忠 潘若男

（三亞學院理工學院，海南 三亞 572022）

本文主要闡述了淺水觀察級ROV的功能及設計方案。重點介紹了ROV的艙體設計與仿真，磁耦合防水推進器的原理及設計方案。ROV主要功能為圖像采集并傳輸?shù)降孛嬲?。本方案改變了傳統(tǒng)的模擬圖像傳輸方式，改用數(shù)字圖像采集，使用TCP/IP協(xié)議傳輸。為了提高傳輸距離，纜線采用了光纜。數(shù)字圖像采集使用了開源的openwrt系統(tǒng)實現(xiàn)。本方案有效提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，同時實現(xiàn)控制信號的同步傳輸。

ROV；openwrt；磁耦合推進器；TCP/IP；solidworks

1 引言

近年來國外水下機器人技術發(fā)展迅速，技術水平較高。其中，具有代表性的產(chǎn)品有：美國Video Ray公司開發(fā)出的Scout、Explorer、Pro等系列遙控式水下機器人，美國Seabotix公司研發(fā)的LBV-ROV系列，英國AC-CESS公司的AC-ROV系列。隨著海洋開發(fā)、探測的需求越來越強，水下機器人成為全世界研究的熱門課題。小型自治水下機器人具有低成本、小型化、操作靈活等特點成為近年來國內(nèi)外研究的熱點。

ROV，即無人遙控潛水器（Remote Operated Vehicle），系統(tǒng)組成包括：動力推進器、遙控電子通訊裝置、黑白或彩色攝像頭、攝像俯仰云臺、用戶外圍傳感器接口、實時在線顯示單元、導航定位裝置、自動舵手導航單元、輔助照明燈和凱夫拉零浮力拖纜等單元部件。功能多種多樣，不同類型的ROV用于執(zhí)行不同的任務，被廣泛應用于軍隊、海岸警衛(wèi)、海事、海關、核電、水電、海洋石油、漁業(yè)、海上救助、管線探測和海洋科學研究等各個領域。ROV分為觀察級和作業(yè)級。觀察級ROV的核心部件是水下推進器和水下攝像系統(tǒng)，有時輔以導航、深度傳感器等常規(guī)傳感器。本體尺寸和重量較小，負荷較低。成本較低。作業(yè)級ROV用于水下打撈、水下施工等應用，尺寸較大，帶有水下機械手、液壓切割器等作業(yè)工具，造價高。

2 ROV結(jié)構(gòu)設計

主要根據(jù)選用的推進器、攝像機、控制板等元件的尺寸，設計艙體形狀尺寸，需要實現(xiàn)的功能，安排艙體空間位置，并設計安裝框架及其導流罩外形。根據(jù)需要實現(xiàn)的運動形式，安排推進器的布局。在材料選擇的過程中，運用強度計算公式分析計算，完成ROV解構(gòu)設計。

（1）ROV設計技術指標

表1 ROV設計技術指標

（2）ROV 3D模型及推進器排列設計

如圖1所示，采用2020型材的骨架結(jié)構(gòu)，7075鋁合金圓筒型系統(tǒng)密封艙，包含4個推進器，分別是艉部的2個主推進器、中部2個垂向推進器。為了實現(xiàn)3個自由度運動，該ROV采用4個推進器，左右對稱于縱中剖面，推進器均為正反雙轉(zhuǎn)向推進器，通過該4個推進器實現(xiàn)運動自由度要求的控制過程[1]。

圖1 ROV 3D模型及推進器排列布局

（3）密封耐壓艙結(jié)構(gòu)設計及材料選型

耐壓艙為一個圓筒艙體，艙體內(nèi)部裝載工作元件，首部為半圓透明罩，對于耐壓艙體的設計外徑設計，由于涉及到壁厚，需進行強度分析，是耐壓設計的一個重要部分。對于此部分單獨闡述，在第5節(jié)中進行了詳細描述。耐壓艙體構(gòu)造圖如下圖2所示：

圖2 耐壓艙體構(gòu)造

1-半球罩固定法蘭，2、4-硅膠密封墊圈，3-透明半圓罩，5-前法蘭，6、7、9、10-橡膠密封O圈，8-不銹鋼艙筒，11-后法蘭蓋。

選取316L不銹鋼無縫管作為耐壓艙材料。316L不銹鋼機械性能:316L不銹鋼的密度7.98 g/cm3，用于紙漿和造紙用設備熱交換器、染色設備、膠片沖洗設備、管道、沿海區(qū)域建筑物外部用材料，以及高級手表的表鏈、表殼等。316L不銹鋼能承受海水和侵蝕性工業(yè)大氣的侵蝕。

3 ROV耐壓艙壁厚設計及力學仿真

ROV工作于水下，系統(tǒng)控制艙是密封艙體，由于艙內(nèi)外壓差，耐壓艙需要承受一定的壓力。對于耐壓艙的壁厚設計，也是ROV結(jié)構(gòu)設計中重要的一部分。下面通過數(shù)學計算對耐壓艙的壁厚進行設計。

（1）數(shù)學模型

處于設計狀態(tài)的耐壓艙，筒體內(nèi)直徑為定值，外徑D根據(jù)壁厚的改變而變化，筒長L，筒體壁厚均勻，無尖角。整個艙體采用同一種材料316L不銹鋼制造，其參數(shù)如下：

工作壓力：P=1.03MPa，彈性模量：E=1930000MPa，泊松比：v=0.3。

設計要求：通過對壁厚的設計，使得最終在滿足給定的剛度和強度要求下使得整個耐壓艙的重量達到最小。

對外壓圓筒決定其壁厚t的主要因素是：圓筒的直徑D，圓筒的長度L，圓筒的材料的彈性模量E和圓筒所承受的外載荷P，即：

t=f(D,L,E,P)，按照破壞情況，受外力的圓柱形殼體可分為長圓筒、短圓筒，其判別公式為：

上式成立則為長圓筒，否則為短圓筒。

由于現(xiàn)成316L不銹鋼管材的外徑是固定的，壁厚有5mm、6mm、8mm、10mm、12mm、16mm。經(jīng)過耐壓模擬以及考慮到合適的加工尺寸，這里選擇壁厚6mm進行計算。

計算短圓筒的臨界壓力的公式很多，但廣泛應用的公式是米塞斯（Mises）公式：

式中：Pσ——筒壁厚為t的圓筒可以承受的臨界壓力；R——圓筒的半徑，失穩(wěn)時的波數(shù)。

工程上常用拉姆公式計算短圓筒的穩(wěn)定性，它是由簡化的米塞斯公式推導出的近似公式：

由于從拉姆公式的反推出壁厚t的計算公式較為復雜，本文采用試算的方法，在外徑的變化范圍內(nèi)，推算合理的壁厚。計算如下：當D=219mm，t=6mm，代入公式計算得，此種情況下艙體可以承受的臨界壓力：

可以得出，對于ROV耐壓倉結(jié)構(gòu)，安全系數(shù)一般選取1.25～1.5，上述安全系數(shù)為25，在安全系數(shù)以上。

（2）力學仿真

在solidworks中建立艙體的艙體的實體模型，根據(jù)設計選擇，建立外徑為219mm，內(nèi)徑207mm，長500mm的圓柱形艙體。建立好模型后，進入solidworks simulation模塊，生成算例，開始仿真分析。應力仿真結(jié)果如下圖3(a)所示，最小安全系數(shù)如圖3(b)所示。

從該仿真可以得出，在水下100m處，表面每平方厘米的壓強為1.03MP3，則從該艙體的表面積得出的最大von Mises約為22MPa，而我們采用的316L不銹鋼的屈服強度為170Mpa，則最大von Mises遠小于屈服度，及其最小的安全系數(shù)達到7.8。故采用外徑219mm*內(nèi)徑207mm，壁厚6mm，長度500mm的316L不銹鋼艙體可以滿足我們所要達到的深度[2]。

4 控制系統(tǒng)設計及圖像傳輸

小型水下觀測機器人主要由人機交互平臺、上位系統(tǒng)、下位系統(tǒng)、攝像機四部分組成，操作人員通過有線遙控，結(jié)合人機交互界面上的水下視頻圖像，只需扳動上位系統(tǒng)控制面板上相應的運動控制按鈕即可實現(xiàn)對水下機器人的運動控制，操作簡單、實用。

圖4 水下機器人系統(tǒng)框圖

傳統(tǒng)的ROV圖像傳輸為CCD攝像頭采集模擬圖像，通過信號放大模塊進行傳輸。本方案采用數(shù)字圖像采集通過TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)降孛嬲?。圖像采集系統(tǒng)采用linux開源平臺openwrt搭建。OpenWRT是一個高度模塊化、高度自動化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強大的網(wǎng)絡組件和擴展性，常常被用于工控設備、電話、小型機器人、智能家居、路由器以及VOIP設備中。在本方案的Openwrt中運行的mjpg-streamer程序可以對USB攝像頭進行圖像編碼。Openwrt內(nèi)核程序很好的支持了TCP/IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。本方案采2001端口實現(xiàn)對控制指令的串口傳輸。雙絞線組建的局域網(wǎng)傳輸距離為100M，要提好傳輸距離需要加交換機中繼。ROV電纜為了提高防水性，雙絞線直接TCP/IP協(xié)議傳輸無法完成水深100M以下的通信。本方案采用光纜傳輸。在ROV端用光纖調(diào)制發(fā)射，在地面站采用光纖解調(diào)接收[3]。能源供給方式有兩種選擇：有纜方式或無纜方式，對于無纜水下機器人能源供給一般在機器人艙體安裝蓄電池或是帶燃油發(fā)電機組，這就造成水下機器人本體體積龐大、超重，此外蓄電池所儲存的能力有限，且受電池質(zhì)量、充電工藝等因素的影響。根據(jù)實際應用環(huán)境，此機器人工作所要求的行走距離不是很大，故設計時采用了有纜遠程遙控方式，這樣既可減小本體尺寸、重量，又保證了控制操作的有效性和可靠性，當設備出現(xiàn)不可預料的故障時可通過纜線撤回安全區(qū)域，不至于丟失。

5 推進器的設計

圖5 磁耦合式推進器結(jié)構(gòu)圖

1-槳，2-電機外殼頭，3-軸承，4-槳軸，5-艙外磁耦合盤，6、10、16、18-密封硅膠墊圈，7、12-強磁，8、11-滾珠，9-軟磁體，13-艙內(nèi)磁耦合盤，14-電機固定盤，15-推進器艙，17-一級防水，19-二級防水。

推力器是由電機和螺旋槳組成的，ROV用的電機需要密封。密封主要有兩種方式，一種是機械密封，另一種采用磁耦合器。機械密封相對而言比較簡單，但因密封處要承受海水的壓力，其特性因摩擦力的增加而變壞。對電機來說，則表現(xiàn)為電機的空載電流增大（有時會增大1-3倍），這樣的電機用于推力器，會使啟動電壓升高，從而加重推力器非線性。為了改善這種情況可以采用充油電機，由于電機內(nèi)部充油，因而耐水壓的性能得到極大的改善，而且電機因密封而引起的摩擦力要小得多，其空載電流的增加也很小，故可以忽略不計。采用磁耦合器就是利用電磁力傳遞扭矩，這樣減速器和螺旋槳之間沒有直接的機械聯(lián)系。依據(jù)磁場傳遞扭矩，密封問題很容易解決，只要用非導磁材料將電機、減速器包圍起來就解決了動密封難題。采用磁耦合器，推力器的效率略有下降，但性能基本上不受影響。電機的轉(zhuǎn)速與螺旋槳的轉(zhuǎn)速不一定完全匹配，為了得到較高的效率，需要采用減速器或者是大扭力的直流電機。綜上所述，本文采用磁耦合式推器。其設計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

[1]陳偉，多功能模態(tài)切換的有纜遙控水下機器人控制系統(tǒng)設計與實驗[J]．江蘇科技大學學報，2014，10(28)：467-471．

[2]張永祥，光纖通信的ROV系統(tǒng)中的應用[J]．中國石油與化工質(zhì)量技術研究，2013，6：95-96．

[3]吳丙偉，淺水視察級ROV結(jié)構(gòu)設計與仿真[D]．中國海洋大學，2013．

Design and Implementation of Shallow Observation ROV

Xin Guanghong Feng Dezhong Pan Ruonan
(Sanya Polytechnic College,Sanya 572022,Hainan)

This paper mainly expounds the function and design of shallow observation ROV.It introduces the design and simulation of ROV module,principle and design of magnetic coupling waterproof propeller.The main function of ROV is image acquisition and transmission to the ground station.This scheme has changed the traditional way of analog image transmission,using digital image acquisition and TCP/IP protocol instead.In order to improve the transmission distance,it uses the optical cable.Digital image acquisition is realized by open source openwrt system.This scheme can effectively improve the efficiency of data transmission,and realize the synchronous transmission control signal.

ROV;openwrt;magnetic coupling propeller;TCP/IP;SolidWorks

TP242

：A

：1008-66609(2015)04-0071-03

辛光紅，男，甘肅金昌人，實驗師，研究方向：單片機系統(tǒng)開發(fā)創(chuàng)新實踐教學。