淺水觀察小型ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張賀賀,張寶雷,孫冰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司,天津 300452)

近年來(lái)水下機(jī)器人的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,如:海洋資源開(kāi)發(fā)、海底打撈、水上養(yǎng)殖,以及江河湖泊大壩的檢修等[1]。因?yàn)樗聶C(jī)器人的工作效率高,且更具安全性,所以水下機(jī)器人取代人工進(jìn)行水下作業(yè)越來(lái)越普遍。但是大部分水下機(jī)器人都是應(yīng)用于深海軍事領(lǐng)域,進(jìn)行石油開(kāi)采、水雷探測(cè)、沉船打撈等水下作業(yè)任務(wù),具有體積龐大、價(jià)格昂貴等特點(diǎn),無(wú)法適用于江河、湖泊等淺水域。小型水下機(jī)器人代替人工在淺水域進(jìn)行作業(yè),不僅可保障水下作業(yè)人員的生命安全,還可提高工作效率[2],因此,考慮在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一款外形小巧美觀、航行阻力低、機(jī)動(dòng)性能好、便于攜帶的小型ROV,以期通過(guò)搭載相應(yīng)的傳感器,便能夠完成水質(zhì)檢測(cè)、地質(zhì)勘測(cè)、水下攝影與搜索、水面監(jiān)視與巡航等淺水作業(yè)任務(wù)。

1 小型ROV設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1,包括整體外形設(shè)計(jì)、密封耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及推進(jìn)器布局設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)的選型。主要技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)

圖1 小型水下機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

1.2 整體外形設(shè)計(jì)及水動(dòng)力分析

1.2.1 整體外形設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡可能減小阻力,提高航行速度和整體續(xù)航能力[3-4]。所設(shè)計(jì)的淺水觀察水下機(jī)器人整體外形為扁平流線型,并在兩側(cè)設(shè)計(jì)擋板,既能減小航行阻力,又能保證航行時(shí)的平穩(wěn)性。外框架采用含玻纖加強(qiáng)PP側(cè)板及底部鋁梁一體式框架設(shè)計(jì),該材料具有密度小、吸水率低、強(qiáng)度韌性好的特點(diǎn)。底部鋁梁采用6061-T6鋁合金,采用梁設(shè)計(jì)具有剛性好,阻水面小的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)對(duì)鋁梁進(jìn)行硬質(zhì)陽(yáng)極氧化處理,增大框架的耐腐蝕性。見(jiàn)圖2。

圖2 小型水下機(jī)器人外形設(shè)計(jì)

1.2.2 根據(jù)Fluent水動(dòng)力分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

水下的環(huán)境導(dǎo)致水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)有較強(qiáng)的非線性和耦合性特點(diǎn)。水流沿著水下機(jī)器人的表面移動(dòng),并伴隨著渦的產(chǎn)生和脫落,不斷地有能量隨之耗散。準(zhǔn)確得出流體對(duì)水下機(jī)器人的作用力對(duì)于自身的功耗、姿態(tài)控制以及推進(jìn)器的選型至關(guān)重要。當(dāng)水下機(jī)器人在水下運(yùn)動(dòng)時(shí),流體的作用力與自身的運(yùn)動(dòng)速度呈非線性關(guān)系,通常情況下不能直接數(shù)值求解。而模型試驗(yàn)的方法在前期設(shè)計(jì)階段需要耗費(fèi)大量的資金、時(shí)間及人力成本,且對(duì)試驗(yàn)條件也有很高的要求。因此,對(duì)于水下機(jī)器人進(jìn)行精確的流體運(yùn)動(dòng)仿真分析具有重要的意義。

采用Fluent軟件分析所設(shè)計(jì)的小型水下機(jī)器人在水下航行時(shí),小型水下機(jī)器人所受到壓力及速度。小型機(jī)器人在水下以1 m/s航行時(shí)受到的壓力見(jiàn)圖3,航行時(shí)的速度變化見(jiàn)圖4。

圖4 小型水下機(jī)器人1 m/s的速度矢量圖

不同航行速度下水下機(jī)器人的航行阻力見(jiàn)表2。

表2 不同航行速度下水下機(jī)器人的航行阻力

由表2可以看出,隨著速度的增加,航行阻力成指數(shù)增長(zhǎng),因此考慮對(duì)水下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,減小其所受到的阻力,提高續(xù)航能力。優(yōu)化后的水下機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化后水下機(jī)器人三維模型

將水下機(jī)器人的進(jìn)水口進(jìn)行鏤空,不僅可減小了質(zhì)量,還可保證進(jìn)水量,提高推進(jìn)器的推進(jìn)效率。

由圖6可知,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了航行時(shí)水下機(jī)器人所受到的阻力,保證了續(xù)航能力。

圖6 優(yōu)化后水下機(jī)器人航行速度與航行阻力的關(guān)系

1.2.3 小型ROV密封耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小型水下機(jī)器人密封耐壓艙的內(nèi)部布局圖見(jiàn)圖7,材料選用亞克力材料,其具有良好的機(jī)械性能及耐壓強(qiáng)度,且密度較小,質(zhì)量輕,同時(shí)又能保證較強(qiáng)的耐腐蝕性能。

圖7 小型水下機(jī)器人密封耐壓艙的內(nèi)部布局

采用Fluent對(duì)不同深度下(150 m、200 m)密封艙受到的應(yīng)力及位移進(jìn)行了仿真,具體見(jiàn)圖8。

圖8 密封艙受到的應(yīng)力及位移變形量仿真

由圖8可以看出,小型淺水觀察水下機(jī)器人在水下深度200 m時(shí),所受的最大壓力小于40 MPa,位移變形量極小,本文選用的亞克力材料耐壓可達(dá)60 MPa,因此整體內(nèi)部布局及材料選用滿足實(shí)際工況要求。

水下艙體外殼采用6061鋁制材料,可提供水下200 m的耐壓能力,左右兩端分別安裝有6個(gè)水密接插件,用于連接水下推進(jìn)器、臍帶纜和水下艙體。水密接插件均選用國(guó)際知名品牌產(chǎn)品,壽命長(zhǎng)、質(zhì)量穩(wěn)定。其中臍帶纜主連接器采用額外的固定外殼加強(qiáng)固定,防止臍帶纜的來(lái)回?cái)[動(dòng)造成連接器損壞。水下艙體為推進(jìn)器及其他水下設(shè)備供電。

1.3 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電控系統(tǒng)的選型

1.3.1 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推進(jìn)器由3個(gè)推進(jìn)器構(gòu)成,其中包含1個(gè)垂直推進(jìn)器和2個(gè)水平推進(jìn)器,具體布局見(jiàn)圖9。

圖9 推進(jìn)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

這個(gè)3個(gè)推進(jìn)器能夠保證水下機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水下航行的進(jìn)退、潛伏及轉(zhuǎn)向,保證水下作業(yè)的靈活性,3個(gè)推進(jìn)器能夠保證較好的控制效果,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的水下觀察。其中2個(gè)水平推進(jìn)器可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的前進(jìn)及后退,當(dāng)2個(gè)推進(jìn)器1個(gè)正向轉(zhuǎn)動(dòng),另外1個(gè)反向轉(zhuǎn)動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的轉(zhuǎn)向功能;垂直推進(jìn)器也可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人的上浮及下潛。

1.3.2 電控選型

水下機(jī)器人的電控系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器及電調(diào)、攝像頭、電源等。選用Pixhawks作為主控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)小型ROV的運(yùn)動(dòng)控制,選用水下專用的外轉(zhuǎn)子無(wú)數(shù)電機(jī)及螺旋槳作為推進(jìn)器,螺旋槳轉(zhuǎn)速與推力見(jiàn)圖10。

圖10 螺旋槳轉(zhuǎn)速與推力

攝像頭采用CSI攝像頭,能保證水下正常高清拍攝,電源選用高能量密度電池,從而能保證1 h的持續(xù)供電。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

水池實(shí)驗(yàn)將驗(yàn)證水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力、方向感知能力及航行狀態(tài)。通過(guò)這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可直觀驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確度,不斷通過(guò)微調(diào)設(shè)計(jì)方案,從而得到理想的設(shè)計(jì)方案,并最終形成獨(dú)有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

2.1 運(yùn)動(dòng)功能測(cè)試

運(yùn)動(dòng)功能的測(cè)試方法有:①水下機(jī)器人放置在水池中,水面控制單元通過(guò)臍帶纜與水下機(jī)器人建立通信后,水面控制單元應(yīng)能夠在屏幕上顯示水下機(jī)器人水下姿態(tài)數(shù)據(jù)、部件工作狀態(tài)反饋值以及監(jiān)控視頻等內(nèi)容;②在空載下,輸入相關(guān)控制指令控制水下機(jī)器人完成水平功能要求中規(guī)定的三軸運(yùn)動(dòng)和三軸旋轉(zhuǎn)等相關(guān)運(yùn)動(dòng),水下機(jī)器人的動(dòng)作應(yīng)與輸入指令協(xié)調(diào)一致;③按照作業(yè)型水下機(jī)器人的作業(yè)功能,輸入相關(guān)指令控制水下機(jī)器人,應(yīng)能完成功能要求中的三軸運(yùn)動(dòng)和三軸旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)作業(yè)功能。

運(yùn)動(dòng)功能的測(cè)試結(jié)果為:①通信正常、數(shù)據(jù)反饋有效;②ROV動(dòng)作和輸入指令協(xié)調(diào)一致;③操縱模式切換有效,導(dǎo)航模式切換有效;④定深觀察穩(wěn)定,ROV無(wú)頻繁晃動(dòng)。

2.2 云臺(tái)角度測(cè)試

云臺(tái)角度測(cè)試方法:PCU控制云臺(tái)正負(fù)最大值,查看上位機(jī)反饋云臺(tái)實(shí)際角度與測(cè)量角度是否一致。云臺(tái)角度測(cè)試結(jié)果,實(shí)際角度與控制角度一致為±90°。

2.3 航向、姿態(tài)及航速測(cè)試

航向、姿態(tài)及航速測(cè)試有:①磁導(dǎo)校準(zhǔn)后,設(shè)備0度航向與地磁北極一致運(yùn)動(dòng)30 min,設(shè)備同一艏向角且同一位置時(shí)原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差實(shí)測(cè)慣導(dǎo)校準(zhǔn)后,設(shè)備0度航向與上電時(shí)所處方向一致,設(shè)備水下運(yùn)動(dòng)30 min,設(shè)備同一艏向角時(shí)原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差實(shí)測(cè)功率;②設(shè)備在水平地面放置,觀察本體實(shí)際橫滾、俯仰值;③通過(guò)計(jì)米器和秒表進(jìn)行記錄并計(jì)算出設(shè)備航速,每航行10 m記錄一次時(shí)間共記錄3次,初始10 m不計(jì)用作加速區(qū)間,航行3次共9組數(shù)據(jù)取其中5組有效數(shù)據(jù)取平均值,并記錄最大值。

航向、姿態(tài)及航速測(cè)試結(jié)果:①磁導(dǎo)校準(zhǔn)后,設(shè)備0度航向與地磁北極一致運(yùn)動(dòng)30 min,設(shè)備同一艏向角且同一位置時(shí)原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差實(shí)測(cè),穩(wěn)定后角度偏差為7°左右,慣導(dǎo)校準(zhǔn)后,設(shè)備0度航向與上電時(shí)所處方向一致,設(shè)備水下運(yùn)動(dòng)30 min,設(shè)備同一艏向角時(shí)原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差穩(wěn)定后為5°左右;②設(shè)備在水平地面放置,水面姿態(tài)測(cè)試結(jié)果為:俯仰橫滾為0°;③航速值數(shù)據(jù):前行2.12 m/s,后退0.59 m/s,右側(cè)0.26 m/s,左側(cè)0.21 m/s。

3 結(jié)論

淺水觀察小型ROV雖然可以通過(guò)水下動(dòng)力學(xué)仿真、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效降低航行阻力、提高續(xù)航能力,但自身動(dòng)力和體積存在閾值極限,只適用于水下流速相對(duì)較小的水域,若要取得更高運(yùn)動(dòng)性能,推力和體積重量的增大是避不開(kāi)的問(wèn)題。在此之前多數(shù)小型水下機(jī)器人均采用框架型結(jié)構(gòu),設(shè)備整體迎流面積較大,造成水阻增大航速下降,本設(shè)計(jì)方案采用流線型設(shè)計(jì)可有效降低水阻的同時(shí)減小體積,增強(qiáng)了運(yùn)動(dòng)性能。這種設(shè)計(jì)方案對(duì)于狹窄水下空間的檢測(cè)維修具有實(shí)用價(jià)值,下一步應(yīng)考慮針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)推進(jìn)器布局和推力進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,通過(guò)搭配不同的傳感器,滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。