一種漁業(yè)水下機器人的系統(tǒng)設(shè)計及模型研究

房 熊， 林禮群， 沈熙晟， 諶志新， 徐志強， 沈佳斌

(1中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092；2海洋國家實驗室深藍漁業(yè)工程裝備技術(shù)聯(lián)合實驗室，山東 青島 266237；3中國水產(chǎn)科學研究院東海水產(chǎn)研究所，上海 200090)

中國現(xiàn)階段可供開發(fā)的漁業(yè)資源面臨過渡捕撈和漁場環(huán)境污染惡化的問題，大力發(fā)展用于近海生物資源修復(fù)的生態(tài)養(yǎng)殖漁業(yè)成為迫切需求。藍色生態(tài)養(yǎng)殖首先需要專業(yè)的漁業(yè)探查及生物采樣裝備。水下機器人因具有安全、靈活、作業(yè)時間長和市場前景廣闊等優(yōu)點而受到各海洋大國的青睞。在歐、美和日本等海洋經(jīng)濟發(fā)達國家已經(jīng)研制出用于養(yǎng)殖行業(yè)的水下機器人，并成功應(yīng)用到了實際生產(chǎn)中，少數(shù)公司已推出了水下機器人系列產(chǎn)品以滿足不同的需求[1-5]。國內(nèi)由于起步較晚，在該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)研究較少，更沒有系列化的產(chǎn)品[6-7]。

本文圍繞海洋漁業(yè)生態(tài)養(yǎng)殖發(fā)展對水下機器人的需求，針對現(xiàn)階段用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水下機器人技術(shù)門檻高、產(chǎn)品少、價格高等現(xiàn)狀，開展?jié)O業(yè)水下機器人系統(tǒng)設(shè)計與集成研究，對一些關(guān)鍵技術(shù)進行研究開發(fā)，產(chǎn)品主要用于海洋養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測、水生生物資源采集。

1 系統(tǒng)組成及形體特征

1.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，設(shè)定目標為一個小型有纜水下機器人(簡稱ROV)?？刂婆_通過攝像機等設(shè)備進行水下生物、網(wǎng)箱養(yǎng)殖情況的觀察，必要時可采集樣本。該機器人具有重量輕、價格低、維修方便等特點[8]。其主要工作方式是通過一個帶有導(dǎo)航系統(tǒng)(以超短基線作為位置傳感器，并輔以其他姿態(tài)傳感器、羅盤、深度計等)的ROV使攝像機潛到要求深度，尋找到要求的地點，把水下圖像信息傳給水面控制臺，通過回傳的圖像信息作為反饋遠程操縱ROV，從而尋找水下觀察目標并采樣。

整個系統(tǒng)分為水上、水下兩個部分，通過電纜相連(圖1)。水上部分由計算機控制軟件系統(tǒng)、水上嵌入式控制系統(tǒng)(控制箱)和電源組成；水下部分由水下控制器、密封艙、推進器、浮力模塊、照明燈、攝像機和各類傳感器等組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

1.2 形體特征

水下機器人形體的選擇一般要考慮4個特點：阻力小，航行性能好，足夠的強度，便于總體布置，良好的工藝性。在形體設(shè)計中，框架型的結(jié)構(gòu)設(shè)計是指所有搭載的設(shè)備都固定在一個框架內(nèi)，這種形體的機器人總體布置方便，便于加掛和換裝。但由于沒有考慮流體阻力的影響，其在水下運行過程中能量消耗較大，大多是應(yīng)用于有充足動力供應(yīng)的有纜式水下機器人。此類水下機器人通常航速較小，因此移動中的流體阻力因素考慮較少，且大多通過岸基或母船供能[9-11]。

考慮到漁業(yè)水下機器人的主要作用是觀察及監(jiān)測，其工作環(huán)境靠近海岸線，涉水深度較淺。因此在初始對于水下機器人的形體設(shè)計中傾向于采用框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分利用其結(jié)構(gòu)簡單、布置方便的特點，然后在框架結(jié)構(gòu)中搭載各種模塊，從而達到水下機器人的工作要求。

2 推進系統(tǒng)設(shè)計

2.1 推進器布置

推進器是漁業(yè)水下機器人非常重要的核心部件，其作用是為整個水下機器人提供前進的推動力。根據(jù)漁業(yè)水下機器人的作業(yè)需求、運動性能要求和低成本、民用化的經(jīng)濟型目標，采用如圖2所示的布置方案，水平面內(nèi)雙推進器平行布置，垂直面內(nèi)單推進器布置。這種布局方式有3個自由度，可以產(chǎn)生的推力和力矩為：

∑TX=T1+T2

∑TZ=T3

∑MZ=a(T1+T2)

(1)

式中：TX—X方向上的推力，N；T1—第一推進器的推力，N；T2—第二推進器的推力，N；TZ—Z方向上的推力，N；MZ—扭矩，N·m;T3—垂直推進器的推力;a—推進器推力到水下機器人中心位置的距離，m。

圖2 推進器布置方式

2.2 推進器設(shè)定

根據(jù)ROV本體受到的總阻力可計算推進器功率，再根據(jù)布置方式確定推進器選型[12]。其阻力計算公式為:

(2)

式中：Rt—推進器總阻力，N;Ct—本體總阻力系數(shù)，其值一般在3.5×103～4.9×103；ρ—流體質(zhì)量密度，kg/ m3；v—航行速度， m/s，S—機器人本體的濕表面面積，m2;Rf、Rw、Re—分別表示摩擦阻力，興波阻力，粘壓阻力，單位都為N。

總阻力主要與本體的形狀、表面粗糙度以及附體的情況有關(guān)，包括摩擦阻力Rf、興波阻力Rw和粘壓阻力Re。

當下潛深度大于1/3潛體長度時，可以不計興波阻力。本設(shè)計中，由于水下機器人的下潛深度遠遠大于機器人本體長度，所以在阻力計算中興波阻力均不需要考慮。查閱相關(guān)資料確定阻力系數(shù)。根據(jù)水下機器人總體尺寸，其濕表面面積約為1.5 m2，假設(shè)航速v=0.4 m/s，為保證順利驅(qū)動，留有一定余量。取余量系數(shù)1.2，得總阻力Rt=118 N， 推進器所需最小功率P=47.2 W。

3 水下機器人數(shù)學模型

3.1 坐標系建立

為了描述ROV的運動，首先必須建立適合描述運動的坐標系和運動參數(shù)。ROV的操縱運動相當于剛體在流體中受重力和水動力作用的一般運動，因此在坐標系和運動參數(shù)的選取中，必須考慮到剛體力學和流體力學的特點。根據(jù)國際水池協(xié)會推薦的造船與輪機工程學會術(shù)語公報的體系，建立兩種坐標系：固定坐標系和運動坐標系。如圖3所示，ROV的運動可由運動坐標系表示成沿三根軸的移動和繞各軸的轉(zhuǎn)動，即6個自由度的運動。

運動坐標系原點相對于固定坐標系的速度U在運動坐標系上的3個投影分量稱為縱向速度u、橫向速度v和垂向速度w；機器人繞原點的角速度口在運動坐標系上的3個投影分量稱為橫搖角速度p、縱搖角速度q和搖舷角速度r；作用在機器人上的外力在運動坐標系上的3個分量稱為縱向力X、橫向力Y和垂向力Z；作用力對于原點的力矩在運動坐標系上的3個分量稱為橫搖力矩K、縱傾力矩M和搖舶力矩N。運動坐標分量參數(shù)和運動分量見表1。

圖3 固定坐標系和運動坐標系示意圖

項目X軸Y軸Z軸速度vuvw角度Ωpqr力FXYZ力矩MKMN

3.2 ROV運動方程

根據(jù)剛體動力學理論可知，ROV的空間6個自由度運動方程見式(3)。當運動坐標系的原點0與機器人重心重合時，平動方程和旋轉(zhuǎn)方程可以簡化成式(4)。

(3)

(4)

解方程關(guān)鍵要素為運動分析簡化及受力分析，包括靜力、推進力、水動力計算。ROV在水中運動時受到多個力或力矩的作用，主要可分為：

(1)水動力，即流體動力。在ROV上安裝的推進器推動周圍的水運動的時候，水會產(chǎn)生一個對ROV 本體的反作用力。假定流暢特性是不變的，則水動力為運動狀態(tài)和操縱特性的函數(shù)[14-15]。水下機器人在空間運動中的水動力和力矩用廣義水動力G表述為:

G=(X′Y′Z′K′M′N′)T

(5)

(2)推力。推進器產(chǎn)生的推力是推動ROV運動的主要動力，同時也是ROV運動控制的控制量[16-18]。計算時把每個推進器的推力分別投影到3個坐標軸上，然后每個方向上的總推力等于各個投影推力的總和。且根據(jù)水平推進器到坐標軸的垂直距離，可以計算出推力的合力在3個坐標上的力矩大小。

(3)靜力。ROV所受的靜力包括重力和浮力。

(4)干擾力。由風、浪、流以及其他潛水器運動產(chǎn)生的干擾力也是一種流體動力，會干擾ROV的正常運動[19-21]，為簡化計算，不考慮風、浪、流引起干擾力。

4 三維模型建立

根據(jù)水下機器人的螺旋槳電機集成模塊、電子艙內(nèi)的電路板攝像頭及照明集成模塊的選型及尺寸要求，通過運用三維設(shè)計軟件Pro-E建立3種水下機器人潛器模型。

4.1 模型I

模型I：主要由3個管式螺旋推進器、電子艙、電池艙、把手等組成(圖4)。

電池艙除了提供系統(tǒng)電源外，還有改變系統(tǒng)配重以調(diào)整潛器平衡的作用，形式簡單，但集成要求及工藝較高。

圖4 模型I

4.2 模型II

模型II：既具有推進功能又兼具行走功能(圖5)。底部安裝的兩個螺旋推進器可以快速推進潛器運動，當需要緩慢移動時可以利用底部的履帶進行行走，這樣在復(fù)雜的水下環(huán)境中該型的潛器也能順利運動。與此同時,該型潛器采用純框架式結(jié)構(gòu)，內(nèi)含電池艙，通過浮力模塊調(diào)整重心，其最大特點是便于搭載傳感器和作業(yè)設(shè)備，通過模塊化的設(shè)計可以搭載多種高清攝像頭，方便使用者多角度觀察水下情況，并且采用通用化的接口設(shè)計，使用者在需要時可以換裝機械手臂，從而在水下可以進行機械運動，大大提高了潛器的實用性。基本能夠滿足漁業(yè)水下機器人的使用要求，因此，在設(shè)計中選擇該型水下機器人作為樣機生產(chǎn)的原型。通過使用新型復(fù)合高分子材料既保證了模型的整體強度要求又大大減輕了潛器的整體重量。

圖5 模型II

4.3 模型III

模型III為流線型水下機器人(圖6)。除了包含水下可視系統(tǒng)和各類環(huán)境監(jiān)測傳感器外，其主要特點是腔體兩側(cè)翼內(nèi)設(shè)置高度集成的垂向推進器，腔體內(nèi)兩側(cè)設(shè)置有前進方向推進器。腔體內(nèi)推進器在推進過程中，由于在腔體內(nèi)外產(chǎn)生壓強差，進而產(chǎn)生吸力。因此這種水下機器人兼具漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測及吸取網(wǎng)箱死魚的作用，預(yù)期在網(wǎng)箱養(yǎng)殖領(lǐng)域應(yīng)用前景可觀[22-23]。但在實際生產(chǎn)加工中會遇到許多困難。

圖6 模型III

5 漁業(yè)水下機器人樣機試制

根據(jù)以上分析和論證，通過對幾種水下機器人外部結(jié)構(gòu)的分析并結(jié)合實際情況，設(shè)計及優(yōu)化了漁業(yè)水下機器人，并且試制了樣機(圖7)。

圖7 漁業(yè)水下機器人樣機

該機器人采用框架結(jié)構(gòu)，尾部采用雙螺槳推進器作為動力裝置，前段集成了溫度傳感器、壓力傳感器、2組高清攝像頭(圖8)、LED燈等設(shè)備。中間部分LAN板上集成了通訊系統(tǒng)模塊，在CPU主板上集成了主控CPU、LDE驅(qū)動、電壓傳感器、電子羅盤等。在電源板上安裝了各個模塊的電源集成板。在驅(qū)動電源板上安裝了主電源、電池充放電模塊等?？紤]到實際需要，可以換裝水下操作手臂，該手臂可以完成夾取、伸縮、旋轉(zhuǎn)等動作(圖9)。

圖8 漁業(yè)水下機器人攝像頭

圖9 漁業(yè)水下機器人手臂

漁業(yè)水下機器人完成樣機試制后，進行了水下耐壓測試，以檢測機器人各個零件是否滿足水下工作條件，并進行運行檢測。試驗表明，水下機器人能較好滿足水下工作要求，水下運行時沒有出現(xiàn)腐蝕、失效等問題，通過高清攝像頭可以方便、清晰地觀察到水下環(huán)境。通過各個傳感器的反饋可以掌握水下環(huán)境數(shù)據(jù)資料。

6 結(jié)論

通過運用三維設(shè)計軟件Pro-E建立了3種漁業(yè)水下機器人模型，并完成了樣機試制。試驗結(jié)果表明，該機器人滿足壓力測試及水池模擬要求，通過攝像頭及機械手臂模塊的嵌入，可以方便地觀察和處理水下事務(wù)。通過對漁業(yè)水下機器人的推進系統(tǒng)和ROV模型的研究，給出了相關(guān)力學方程和力學參數(shù)，建立了多種機器人實體模型，為漁業(yè)水下機器人的設(shè)計與制造提供參考。

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