500 m作業(yè)級(jí)ROV的模塊化設(shè)計(jì)及性能分析

陳超核，曾祥斌

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引言

水下機(jī)器人(Underwater Vehicles Robots，ROV)具備如下應(yīng)用功能：在較復(fù)雜和水深較深的水下代替人從事某些作業(yè)工作，能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)，并且通過(guò)切換作業(yè)工具模塊等能夠?qū)崿F(xiàn)探傷、監(jiān)測(cè)、清洗等多元化作業(yè)任務(wù).這些優(yōu)勢(shì)使得ROV在大型海洋構(gòu)筑物等運(yùn)維領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯.

在世界范圍內(nèi)，以先令、SMD、ECA為代表的公司在水下智能作業(yè)裝備領(lǐng)域一直處于壟斷地位，其研制的ROV主要用于海底油氣田施工、維修輔助.R.D.Christ[1]關(guān)于水下機(jī)器人的專著結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景對(duì)各行業(yè)領(lǐng)域中前沿的ROV設(shè)計(jì)流程方法進(jìn)行了總結(jié)梳理，較為詳細(xì)地給出了ROV 主要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng).M.H.Lee等[2]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款針對(duì)船體水下結(jié)構(gòu)物表面的清洗作業(yè)機(jī)器人，結(jié)合水動(dòng)力性能分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及各部件合理布置，試驗(yàn)分析結(jié)果表明滿足使用指標(biāo).

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)水下作業(yè)機(jī)器人的理論研究和樣機(jī)驗(yàn)證取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但依托水下智能作業(yè)裝備獨(dú)立進(jìn)行海洋大型構(gòu)筑物智能檢測(cè)及作業(yè)，在國(guó)內(nèi)仍屬空白.于庚[3-4]介紹了一款針對(duì)海底采油巡檢以及管道閘門開(kāi)閉作業(yè)的深水ROV，通過(guò)模塊化思路進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于Fine/Marine軟件水動(dòng)力分析確定了動(dòng)力推進(jìn)模塊，并依據(jù)有限元軟件進(jìn)行ROV關(guān)鍵部件的強(qiáng)度校核.孫濤[5]為了實(shí)現(xiàn)船舶表面清洗檢測(cè)作業(yè)，研制了一款利用永磁輪吸附的爬壁機(jī)器人，通過(guò)總體設(shè)計(jì)以及基于Fluent軟件的水動(dòng)力分析驗(yàn)證了其水下運(yùn)動(dòng)作業(yè)的可行性.薛乃耀[6-7]針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的清污作業(yè)設(shè)計(jì)了一款雙抱臂結(jié)構(gòu)的水下清污機(jī)器人，并針對(duì)其推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于反饋線性化的最優(yōu)控制器.

在綜合參考國(guó)內(nèi)外同類型作業(yè)級(jí)ROV產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例后，本文通過(guò)對(duì)項(xiàng)目任務(wù)書(shū)中關(guān)于總體方案設(shè)計(jì)指標(biāo)的研讀，構(gòu)建出適合于本項(xiàng)目各系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的具體實(shí)施方案，為后續(xù)ROV的性能驗(yàn)證階段與詳細(xì)設(shè)計(jì)提供依據(jù).在此基礎(chǔ)上進(jìn)行水動(dòng)力模擬，仿真結(jié)果用于驗(yàn)證本體設(shè)計(jì)的可行性以及推進(jìn)器選型.

1 ROV總體方案指標(biāo)

針對(duì)大型海洋構(gòu)筑物主要為導(dǎo)管架平臺(tái)的實(shí)際維護(hù)檢修工程需求，本文研制的作業(yè)級(jí)ROV應(yīng)當(dāng)達(dá)到下列指標(biāo)：

(1)能夠在水深500 m以內(nèi)進(jìn)行6自由度(浮潛、進(jìn)退、轉(zhuǎn)艏、俯仰等)的運(yùn)動(dòng)勘察及作業(yè)；

(2)設(shè)計(jì)前進(jìn)速度1.5 m/s(約3 kn)；橫向與垂向速度均取1.0 m/s(約2 kn)；

(3)空氣中重量不大于900 kg；浮體材料可提供90 kg左右可變載荷；

(4)能夠通過(guò)配置的水下照明攝像機(jī)、聲吶設(shè)備等模塊實(shí)時(shí)采集水下環(huán)境的視頻圖像，進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)檢測(cè)；

(5)配有液壓式多自由度水下機(jī)械手夾持作業(yè)工具開(kāi)展特定作業(yè)(如結(jié)構(gòu)物表面清理打磨、導(dǎo)管架焊縫檢測(cè)及損傷修復(fù)).

2 ROV系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

作業(yè)型ROV的功能多樣，需要搭載不同的模塊加以實(shí)現(xiàn).各模塊獨(dú)立完成各自功能，且可根據(jù)不同的作業(yè)需求進(jìn)行調(diào)整替換.模塊化的設(shè)計(jì)思路加強(qiáng)了ROV應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜工況的適應(yīng)性，是當(dāng)前主流的水下機(jī)器人設(shè)計(jì)模式.本文設(shè)計(jì)的作業(yè)級(jí)ROV主要?jiǎng)澐譃?個(gè)模塊，分別為本體框架模塊、浮力材料模塊、耐壓艙模塊、機(jī)械作業(yè)模塊、水下探測(cè)模塊以及動(dòng)力推進(jìn)模塊，具體組成如圖1所示.

圖1 ROV各模塊組成

2.1 ROV主要模塊參數(shù)

本項(xiàng)目ROV各模塊部件較多，通過(guò)SolidWorks軟件完成建模與虛擬裝配，分別配置ROV各部件材料及質(zhì)量屬性，并且使用質(zhì)量特性工具獲得各模塊的參數(shù)信息，如表1所示.

表1 ROV主要模塊基本參數(shù)

2.2 ROV本體靜穩(wěn)性

本文設(shè)計(jì)的ROV所選用的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系采用右手慣性坐標(biāo)系(圖2).規(guī)定X軸正方向?yàn)镽OV長(zhǎng)度方向(縱向)，Y軸正方向?yàn)閷挾确较?橫向)，Z軸正方向?yàn)楦叨确较?垂向)，選取中垂線上、浮體上表面點(diǎn)為中心坐標(biāo)系原點(diǎn).

圖2 ROV坐標(biāo)系

ROV 各個(gè)模塊進(jìn)行虛擬裝配完畢后，需要計(jì)算ROV的重心與浮心在所選坐標(biāo)系上的位置.為能夠保證機(jī)器人在水下具有良好的工作姿態(tài)，保證其各項(xiàng)工作的穩(wěn)定性，需要保證機(jī)器人具有一定的穩(wěn)定性，裝配時(shí)遵循重心在下浮心在上的原則.為了保證ROV穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)有一定的穩(wěn)心高度，一般水下機(jī)器人穩(wěn)心高度應(yīng)大于70 mm.整體重心、浮心具體計(jì)算公式如下[8].

重心位置：

(1)

浮心位置：

(2)

結(jié)合ROV各模塊結(jié)構(gòu)布局，對(duì)水下機(jī)器人的重心和浮心進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得出所研制的ROV整體重力為5 496.72 N，在淡水中所受浮力為6 375.29 N，遵循正浮力設(shè)計(jì)原則，如表2所示.

表2 水下機(jī)器人靜穩(wěn)性參數(shù)

3 ROV水動(dòng)力性能分析

為確定動(dòng)力推進(jìn)模塊所需總推力用以推進(jìn)器選型，基于CFD數(shù)值求解軟件STAR CCM+對(duì)ROV的本體阻力性能進(jìn)行計(jì)算.

3.1 模型選取與網(wǎng)格劃分

ROV本體結(jié)構(gòu)零件較多，由于尺寸較小的零件對(duì)水動(dòng)力性能影響不大，因此在不影響主體框架的前提下，適當(dāng)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，得到水動(dòng)力計(jì)算模型，保存為.x_t文件導(dǎo)入STAR CCM+.采用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分.ROV計(jì)算模型的計(jì)算域大小為6L×2.5L×2.5L(L為ROV的特征長(zhǎng)度)的長(zhǎng)方體域.計(jì)算過(guò)程采用k-ω(SST-Menter)湍流模型，k與ω的值與雷諾數(shù)有關(guān).結(jié)果如圖3所示.

圖3 ROV計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

3.2 工況選取

根據(jù)設(shè)計(jì)航速指標(biāo)，分別選取ROV在真實(shí)水下航行作業(yè)過(guò)程中不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的工況，分別是直航、升潛以及橫移運(yùn)動(dòng)[9]，具體的計(jì)算工況表如表3所示.

表3 水動(dòng)力計(jì)算工況

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1X軸方向直航阻力

由ROV直航阻力曲線圖4可以得知，ROV所受各方向阻力隨航速增大而增大.ROV在設(shè)計(jì)最大航速1.5 m/s時(shí)，受到的最大阻力為X方向分力1 070.35 N.因此，配備4個(gè)水平推進(jìn)器，單個(gè)水平方向的推進(jìn)器至少需要267.5 N的推力使ROV克服阻力穩(wěn)定直航.

通過(guò)直航狀態(tài)下其他各曲線結(jié)果分析可知，直航過(guò)程中ROV本體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)主要受到來(lái)流的縱向與垂向阻力影響，此外還受到部分繞Y軸的俯仰力矩，究其原因是本體框架與浮力材料前端存在傾斜表面，這就要求通過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反饋至水上控制端，操作推進(jìn)器產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相反的作用力實(shí)現(xiàn)位姿調(diào)整，保持ROV在500 m水深直航狀態(tài)的基本穩(wěn)定.而在其他方向的阻力與力矩均相對(duì)較小，可以忽略不計(jì).

3.3.2Z軸方向下潛阻力

在沿Z軸升潛方向的工況主要考察ROV沿著Z軸下潛狀態(tài)受到的阻力Rz、橫向阻力Ry、縱向阻力Rx以及俯仰力矩My，速度與阻力變化曲線如圖5所示.可知當(dāng)ROV在下潛航速為1.0 m/s時(shí)，最大阻力為Z軸方向1 054.54 N，因此單個(gè)垂向推進(jìn)器至少需要265 N的推力使ROV克服最大阻力完成下潛.

ROV單一下潛過(guò)程中同樣受到其他方向的阻力作用較小，除此之外還受到部分俯仰力矩，可以利用ROV自身的穩(wěn)性以及控制指令產(chǎn)生相反的力矩進(jìn)行調(diào)節(jié).而在上浮過(guò)程中，由于ROV遵循正浮力設(shè)計(jì)原則，相比于下潛過(guò)程受到的阻力影響較小.

(A)縱向阻力Rx；(B)橫向阻力Ry；(C)垂向阻力Rz；(D)俯仰力矩My

(A)縱向阻力Rx；(B)橫向阻力Ry；(C)垂向阻力Rz；(D)俯仰力矩My

3.3.3Y軸方向橫移阻力

ROV的橫移運(yùn)動(dòng)相對(duì)于縱向運(yùn)動(dòng)使用頻率較少，主要是由于側(cè)向視野所限，一般只用于本體位置的微調(diào)，因此對(duì)快速性的要求不高，相應(yīng)的阻力曲線如圖6所示，可以看出當(dāng)橫移速度達(dá)到1.0 m/s時(shí)，ROV所受最大阻力來(lái)自Y方向?yàn)?56.738 N.

(A)橫向阻力Ry；(B)縱向阻力Rz；(C)橫搖力矩Mx；(D)艏搖力矩Mz

由圖6(C)與(D)可以看出，ROV在橫移過(guò)程中還受到部分的橫搖力矩與艏搖力矩，當(dāng)速度達(dá)到1.0 m/s的時(shí)候，Mx為108.83 N·m.由于ROV本體的重量與回復(fù)力臂尺寸較大，并不會(huì)產(chǎn)生大的橫搖角，通過(guò)水面控制端指令以及ROV自身穩(wěn)定性的調(diào)整即可克服干擾.

3.4 推進(jìn)器選型

本文根據(jù)計(jì)算的航行阻力確定推進(jìn)器需要的推力.水下機(jī)器人的本體運(yùn)動(dòng)阻力計(jì)算公式為

(3)

其中：Cd為阻力系數(shù)，其取值采用CFD軟件來(lái)獲取；V為水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度；ρ為水密度，L為特征長(zhǎng)度.而對(duì)于纜繩的阻力，可以通過(guò)以下公式估算求得：

(4)

其中：Cd為電纜阻力系數(shù)，其取值在0.1～0.2之間，這里取0.12；A為特征面積，對(duì)于電纜，A等于電纜直徑乘以垂直于水流方向的長(zhǎng)度，此處取為0.38[10].

由此，可以得出單個(gè)推進(jìn)器的輸出功率為

P=(F+Rd)V/2.

(5)

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到水下機(jī)器人在不同航速下總阻力和推進(jìn)器功率表，如表4所示.

表4 不同航速下總阻力和推進(jìn)器功率

由于ROV水平方向與垂直方向分別布置4臺(tái)推進(jìn)器，因此在選擇推進(jìn)器時(shí)，選用的單個(gè)推進(jìn)器螺旋槳推力應(yīng)至少達(dá)到267.5 N.考慮到功率損耗等因素，為滿足一定的推力裕度，考慮選用35 kgf(推力約為350 N)的直流電動(dòng)推進(jìn)器，其主要參數(shù)如表5所示.

表5 推進(jìn)器基本參數(shù)

動(dòng)力推進(jìn)模塊直接關(guān)系到ROV的快速性和操縱性，為了實(shí)現(xiàn)多自由的水下運(yùn)動(dòng)，采用8個(gè)多推進(jìn)器矢量控制來(lái)達(dá)到對(duì)ROV姿態(tài)的靈活控制，其中4個(gè)水平推進(jìn)器用以實(shí)現(xiàn)進(jìn)退和側(cè)向移動(dòng)，由4個(gè)垂直推進(jìn)器用以實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng).

推進(jìn)器的布置方案如圖7所示.水平方向的四個(gè)推進(jìn)器呈対稱環(huán)形分布，每個(gè)推進(jìn)器均與平面成45°，以便轉(zhuǎn)向和推進(jìn)得到同樣大小的推力.豎直方向的四個(gè)推進(jìn)器，均布在頂部四角，與垂直于頂部的平面呈10°夾角，這樣既可以減小螺旋槳運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的力矩對(duì)ROV航行的影響，又使得其與水平方向的推進(jìn)器岔開(kāi)一定角度，水流通過(guò)性更好.

圖7 ROV推進(jìn)器布置

4 結(jié)論

本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行500 m作業(yè)級(jí)ROV本體結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，確定了各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)形式與安裝位置，利用SolidWorks完成了虛擬樣機(jī)的總體裝配及靜穩(wěn)性的校核.利用CFD軟件STAR CCM+數(shù)值計(jì)算結(jié)果繪制ROV在不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下的水動(dòng)力性能曲線，為推進(jìn)器的選型提供依據(jù)，為下一步測(cè)定ROV水動(dòng)力系數(shù)提供參考.