用于水下安保的ROV總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

金碧霞，方 勇

(中國船舶重工集團(tuán)第七一○研究所,湖北 宜昌 443003)

用于水下安保的ROV總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

金碧霞，方 勇

(中國船舶重工集團(tuán)第七一○研究所,湖北 宜昌 443003)

針對(duì)水域安全問題,介紹了一種用于安保的某ROV總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。外形為流線型加外圍框架結(jié)構(gòu),電氣連接采用穿艙電纜壓纜密封。探測(cè)識(shí)別設(shè)備可隨內(nèi)置于艏部的一個(gè)云臺(tái)進(jìn)行俯仰動(dòng)作以全方位地觀察目別。用兩個(gè)水平方向布置的主推進(jìn)器和兩個(gè)傾斜方向布置的輔助推進(jìn)器來實(shí)現(xiàn)ROV水下空間運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)表明該ROV具有良好的操縱性和平臺(tái)穩(wěn)定性，其總體結(jié)構(gòu)可為ROV的高效運(yùn)行提供有效的硬件基礎(chǔ)。

安保;ROV;總體結(jié)構(gòu)

0 前 言

隨著世界安全形勢(shì)的惡化，水域安全也越來越成為人們關(guān)注的一個(gè)安保焦點(diǎn)。筆者根據(jù)“公安局水底搜索掃描ROV識(shí)別系統(tǒng)采購項(xiàng)目”的要求，設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠用于公安部門搜尋水下證據(jù)、水下重點(diǎn)區(qū)域防護(hù)的 “安保用ROV(Remotely Operated Vehicle，纜控水下機(jī)器人)” 。該機(jī)器人主要用于涉案水下現(xiàn)場調(diào)查，水下刑事證物的搜索、觀察、記錄、定位及輔助打撈工作，水下反走私偵察取證，水下障礙物、威脅物清除，水下重點(diǎn)區(qū)域的安保防護(hù)等。

設(shè)計(jì)的用于安保警用的ROV主要技術(shù)指標(biāo)要求如下：①最大工作深度：100 m；②航行體靜水中最大水平速度：不小于4 kn，垂直速度：不小于0.5 kn；③頂流能力： 3 kn。

1 警用ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的因素很多，主要包括以下幾個(gè)方面：水下機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的選擇、防水耐壓殼體的設(shè)計(jì)、動(dòng)力的布置、各部件的水密封工作、重心和浮心的計(jì)算及機(jī)器人整體平衡的考慮等[2]。

1．1 形體確定

水下機(jī)器人的形體的選擇要考慮以下原則和要求[3]：①阻力小，航行性能好；②足夠的強(qiáng)度；③便于總體布置；④良好的工藝性。

水下機(jī)器人形體結(jié)構(gòu)通常有框架式和流線型兩種，框架式結(jié)構(gòu)在水中運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的阻力較大，但對(duì)于機(jī)器人的總體布置比較方便，加掛和換裝載體上的設(shè)備儀器容易，流線型結(jié)構(gòu)可以減小水流阻力.除低能耗。

警用ROV采用流線型外形加外圍框架結(jié)構(gòu)，由艏部半球形迎流段、舯部圓柱形平行段、艉部圓錐形去流段組成流線型外形,可減小警用ROV行進(jìn)阻力和動(dòng)力消耗。在水下載體底部安裝外圍框架可以起到圍護(hù)、支承和保護(hù)機(jī)器人的作用，同時(shí)可以加掛設(shè)備儀器，最大限度地?cái)U(kuò)展警用ROV的作業(yè)能力。警用ROV的外形示意圖如圖1所示。

圖1 警用ROV的外形示意圖

1.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

警用ROV艏部為玻璃鋼材料制作的非水密輕質(zhì)殼體，舯部和艉部為玻璃鋼預(yù)埋鋁合金法蘭的水密耐壓殼體。舯部耐壓殼體裝載電子功能模塊及傳感器設(shè)備以保證它們?cè)谒掳踩煽康毓ぷ?，同時(shí)耐壓殼體也是ROV水下航行的主要浮力提供者。因此必須要有可靠的密封。采用O型圈密封，螺釘連接。艏部、舯部、艉部由端板、預(yù)埋法蘭1、預(yù)埋法蘭2、預(yù)埋法蘭3、螺釘連接成一個(gè)整體。各功能模塊的信號(hào)及能源傳輸可以通過電氣接口來實(shí)現(xiàn)的，在端板上安裝有電纜密封座，采用壓纜密封方式來實(shí)現(xiàn)電氣連接。經(jīng)過在實(shí)際水環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)證明，這樣的電氣連接接口即使在水中并承受一定的水壓也能保證模塊間信號(hào)與能源安全正常的傳輸。其密封及接口示意圖如圖2所示。

圖2 警用ROV密封及接口示意圖1.艏部殼體 2.端板 3.預(yù)埋法蘭1 4.舯部殼體 5.吊環(huán) 6.預(yù)埋法蘭2 7.預(yù)埋法蘭3 8.艏部殼體 9.光電連接器 10.壓纜密封座

探測(cè)識(shí)別設(shè)備布置在警用ROV的艏部，其艏部采用“整體開放、局部密閉”的設(shè)計(jì)思路。即艏部不進(jìn)行密封處理，采用玻璃鋼材料制作輕質(zhì)殼體結(jié)構(gòu)，探測(cè)識(shí)別設(shè)備(聲納、照明燈、攝像機(jī))按功能模塊分別獨(dú)自密封，固定在云臺(tái)上，可隨云臺(tái)在俯仰機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下在-90°～45°的較寬的縱截面(垂直面)角度內(nèi)進(jìn)行，從而能全方位地觀察識(shí)別目標(biāo)。在云臺(tái)外設(shè)計(jì)有球冠形導(dǎo)流罩以降低水流阻力，球冠形導(dǎo)流罩可隨云臺(tái)進(jìn)行俯仰動(dòng)作。為減小懸停觀察時(shí)俯仰動(dòng)作對(duì)ROV姿態(tài)穩(wěn)定性的干擾，云臺(tái)設(shè)計(jì)為零浮力,并且俯仰中心與其浮心重合。

警用ROV采用四個(gè)導(dǎo)管螺旋槳推動(dòng)器,推進(jìn)器由推進(jìn)電機(jī)、電機(jī)控制器、螺旋槳、導(dǎo)流罩及安裝附件等構(gòu)成。推進(jìn)電機(jī)選擇永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)，它具有調(diào)速范圍寬、啟動(dòng)迅速、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性幅度好、動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能更優(yōu)異、可靠性高、可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)迅速轉(zhuǎn)換、精密調(diào)速等特點(diǎn)。電機(jī)控制器采用智能IPM模塊構(gòu)成驅(qū)動(dòng)單元，可在四個(gè)象限運(yùn)行，具有較好的動(dòng)態(tài)相應(yīng)特性和較高的功率體積比。為提高螺旋槳效率,在螺旋槳的外面罩有一個(gè)專門設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩。并且在同樣效率下,導(dǎo)管螺旋槳直徑比普通螺旋槳小得多,這有利于縮小水下機(jī)器人的總體尺寸,便于操作[4]。

為保證警用ROV的水中運(yùn)行平穩(wěn)，艉部配置有三個(gè)成“Y”字形穩(wěn)定翼板。

1.3 總體布置

總體布置對(duì)水下機(jī)器人的使用性能是非常重要的因素，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到水卜機(jī)器人的總體性能和使用[3]。但無論采用何種總體布置,水下機(jī)器人必須有一定的穩(wěn)心高,即重心位于浮心的下方以保證水下機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行,有一定的自平衡能力。根據(jù)各個(gè)單元模塊的初始布局，計(jì)算系統(tǒng)的重心、浮力及浮心。依據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求，合理調(diào)整單元模塊布置，逐步優(yōu)化，最終達(dá)到系統(tǒng)總體布局合理，滿足重心和浮心設(shè)計(jì)要求。一般按圖3所示流程進(jìn)行總體布置。設(shè)計(jì)的警用ROV總體布置圖如圖4所示。

圖3 總體布置設(shè)計(jì)流程

圖4 警用ROV總體布置圖1.聲納 2.應(yīng)答器 3.穩(wěn)定翼板 4.空推進(jìn)器 5.輔助推進(jìn)器 6.外圍框架 7.機(jī)械手 8.遠(yuǎn)光燈 9.近光燈 10.攝像機(jī)

水下機(jī)器人作業(yè)效率除了與機(jī)械手的性能有關(guān)外，還同機(jī)械手、電視攝像機(jī)、照明裝置之間的相互位置有重要的關(guān)系[3]?？傮w布置上將機(jī)械手靠近觀測(cè)設(shè)備,這樣以便于操作員通過照明和攝像機(jī)觀察機(jī)械手的動(dòng)作，以提高以抓取目標(biāo)的觀測(cè)精度。并將機(jī)械手的軸線通過電視攝像機(jī)攝像管的光電陰極平面，以利于機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的程序設(shè)計(jì)。

在推進(jìn)器數(shù)量確定后進(jìn)行推進(jìn)器布局時(shí),一般會(huì)依循以下原則[3]。

(1) 應(yīng)盡可能的使三軸的合力交匯于一點(diǎn),而且這點(diǎn)應(yīng)盡可能的接近機(jī)器人的重心,防止有害的附加運(yùn)動(dòng)。

(2) 平移運(yùn)動(dòng)時(shí)理論上推進(jìn)器的布置與機(jī)體坐標(biāo)系保持平行可以取得最大的推進(jìn)效率,但是這樣的布局在機(jī)器人設(shè)備比較緊湊時(shí)影響到入流效果,所以推進(jìn)器軸線應(yīng)與機(jī)體坐標(biāo)軸適當(dāng)偏移一個(gè)小角度。

警用ROV主推進(jìn)器采用雙推力器平行布置的方式，這種結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)螺旋槳輸出推力和力矩,且螺旋槳即起到推進(jìn)作用,又可起到轉(zhuǎn)向作用[5]。主推進(jìn)器沿水平方向布置于警用ROV后半部分，輔助推進(jìn)器以一定角度傾斜布置在警用ROV浮心前方附近。

2 流體動(dòng)力計(jì)算

警用ROV在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿足靜水中最大水平速度、垂直速度以及頂流能力的要求。因此在設(shè)計(jì)主推進(jìn)器時(shí)考慮機(jī)器人流中工作速度為4 kn，即在克服3kn流情況下還能夠慢速機(jī)動(dòng)。另外由于警用ROV工作點(diǎn)距母船不太遠(yuǎn)，因此可將ROV頂流最大工作陣位設(shè)定如下：距母船最大縱向距離為：B=30 m；距母船最大橫向距離為：A=10 m；距母船最大工作深度為：H=20 m。

(1) 水平運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算

水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，ROV流體動(dòng)力計(jì)算要同時(shí)考慮ROV本體及電纜的阻力。

① ROV本體阻力計(jì)算 根據(jù)初步確定的外形配置，警用ROV阻力特性按母型類比計(jì)算法，參考八五課題某潛航體的實(shí)際吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果，該潛航體的總阻力系數(shù)為Ct=0.44(以殼體最大橫截面積為特征面積時(shí))。考慮到警用ROV具有較多的框架及附體，因此其總阻力系數(shù)會(huì)有所增加，因此取警用ROV總阻力系數(shù)為Ct=0.7。

警用ROV主殼體直徑初步取為D=0.28 m，則主殼體橫截面積為：

警用ROV 4kn(2.058 m/s)時(shí)的阻力為：

Rt= 4.9ρV2·AxCt=4.9×102×2.0582×

0.061 6×0.7=91.3 (N)

警用ROV外形與母型較大的變化是垂推裝置的配置，因此要單獨(dú)計(jì)算它們的迎流阻力。將垂推裝置看做一段迎流中的橫向圓柱體，迎流面積大致為Ac=0.019 m2，其阻力系數(shù)按吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果為Cd=0.7，因此單個(gè)垂推裝置在4 kn時(shí)的迎流阻力大致為：

Rc= 4.9ρV2·AcCd=4.9×102×2.0582×0.019×

0.7=28.15 (N)

因此，在4 kn時(shí)ROV本體的總阻力為：

R=Rt+2×Rc=91.3+2×28.15=147.6 (N)

② 電纜阻力計(jì)算 對(duì)于6 mm直徑電纜，在上述假設(shè)條件下有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)回歸公式可作近似計(jì)算。根據(jù)前面設(shè)定的ROV頂流最大工作陣位，ROV距母船最大縱向距離為B=30 m；距母船最大橫向距離A=10 m；距母船最大工作深度：H=20 m，V=4 kn。代入公式進(jìn)行計(jì)算，可得最小電纜長度為：

0.002 5B)]}+B

0.002 5×30)]}+30=76 (m)

此時(shí)ROV的最小電纜阻力為：

Btan [φLMIN(1-0.002 5B)]}+0.01B×

(0.514 4V)2=67.1 (N)

③ 系統(tǒng)總阻力計(jì)算

考慮最大頂流工作能力時(shí)系統(tǒng)的總阻力：

R=147.6+67.1=214.7 (N)

④ 功率計(jì)算

4 kn頂流下克服此阻力R所需的ROV有效功率PE為：

PE=0.5144·V·R

=0.514 4×4×214.7=442 (W)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析和計(jì)算，電機(jī)出軸功率與航行體有效功率之間大致有下述關(guān)系：

PM=1.58PE=1.58×442=698 (W)

采用兩個(gè)水平推進(jìn)裝置，則單個(gè)電機(jī)的出軸功率為:

(2) 垂向運(yùn)動(dòng)特性計(jì)算

① 垂向阻力的計(jì)算

垂直速度要求：不小于0.5 kn,將ROV的垂向運(yùn)動(dòng)看成是一段長度為1.65 m，直徑D=0.28 m圓柱體，其中心軸與流向垂直。根據(jù)母型殼體吹風(fēng)試驗(yàn)結(jié)果，其阻力系數(shù)為Cx=0.78,考慮到ROV還有一些附體，因此取其阻力系數(shù)為Cx=0.9，其垂向的迎流特征面積為S=LD=1.65×0.28=0.462 m2。故0.5 kn速度下ROV的垂向阻力為：

Rc= 4.9ρV2·S·Cx=4.9×102×(0.5×0.514 4)2

×0.462×0.9=13.7(N)

② 功率的計(jì)算

0.5 kn垂向運(yùn)動(dòng)克服此阻力Rc所需的ROV有效功率為：

PE=0.5144×V×R

=0.5144×0.5×13.7=3.5 (W)

從計(jì)算結(jié)果來看，因于速度很低，因此ROV在此速度下所需的有效功率非常低。0.5 kn時(shí)的進(jìn)速系數(shù)為:

式中：n為垂推螺旋槳的轉(zhuǎn)速(相當(dāng)于N=1 800 r/min),D=0.1 m為螺旋槳直徑。查相應(yīng)圖譜此狀態(tài)下的螺旋槳效率為0.2左右。

因此電機(jī)出軸功率與航行體有效功率之間大致有下述關(guān)系：

PE=ηHη0ηRηTPM

=1×0.2×1.0×0.95PM=0.19PM

故垂直布置時(shí)電機(jī)出軸功率為：

如果采用兩個(gè)主推裝置，則單個(gè)電機(jī)的所需的出軸功率為：

從上面的計(jì)算來看，0.5 kn垂向運(yùn)動(dòng)對(duì)推進(jìn)器功率的需求是非常低的，基本上都可以忽略不計(jì)。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

3.1 總體結(jié)構(gòu)的小型化

警用ROV不僅限于在珠江流域?qū)掗熕蚬ぷ?，還需在湖泊、河道、池塘水庫等狹窄空間使用，并要求能從各種支持平臺(tái)上布放。因此要求其具有體積小、質(zhì)量輕、操作簡便、靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)。為此對(duì)主體結(jié)構(gòu)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思路，依據(jù)有關(guān)機(jī)械、電氣、軟件的標(biāo)準(zhǔn)接口和數(shù)據(jù)格式的要求，分模塊進(jìn)行總體布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)和建造。并對(duì)警用ROV內(nèi)部控制器、信號(hào)傳輸裝置、推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、傳感器模塊等組部件的小型化設(shè)計(jì)及總體優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的小型化。警用ROV主體結(jié)構(gòu)由艏部半球形迎流段、舯部圓柱形平行段、艉部圓錐形去流段三個(gè)模塊艙段組成，艏部為探測(cè)識(shí)別艙段，舯部為控制艙段。在初步確定的總體布置基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)航行體殼體(包括主體和附體)的具體機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過軟件分析及仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程如圖5所示。

圖5 警用ROV主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本流程示意圖

3.2 航行體線形優(yōu)化設(shè)計(jì)及水動(dòng)力分析和仿真

警用ROV航行體線形、流體動(dòng)力特性分析、仿真、螺旋槳及導(dǎo)管的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)航行體的航速，穩(wěn)定性、可操作性等，是航行體設(shè)計(jì)的重要組成部分。在給定的技術(shù)指標(biāo)條件下，設(shè)計(jì)出阻力小，穩(wěn)定性高的潛航體外形和合理的流體動(dòng)力布局以及衡重參數(shù)，使航行體具有良好的航行性能以實(shí)現(xiàn)低阻力、高效率的空間運(yùn)動(dòng)。警用ROV主體結(jié)構(gòu)由艏部半球形迎流段、舯部圓柱形平行段、艉部圓錐形去流段組成流線型外形,可減小警用ROV行進(jìn)阻力和動(dòng)力消耗。主推進(jìn)器采用雙推力器平行布置的方式，這種結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)螺旋槳輸出推力和力矩,而且螺旋槳即起到推進(jìn)作用,又可以起到轉(zhuǎn)向作用[5]。

設(shè)計(jì)出具有較高的推進(jìn)效率的螺旋槳和對(duì)航行體在各種航行速度情況下進(jìn)行功率計(jì)算，為電機(jī)和供電系統(tǒng)的選擇提供參考依據(jù)也是其一項(xiàng)主要的設(shè)計(jì)任務(wù)。初步計(jì)算之后，在設(shè)計(jì)螺旋槳之前運(yùn)用GAMBIT畫出較精確的潛航體網(wǎng)格，然后利用相關(guān)軟件進(jìn)行流體動(dòng)力特性分析仿真，為螺旋槳設(shè)計(jì)提供較精確的仿真數(shù)據(jù)。

3.3 總體布局和載體結(jié)構(gòu)

沒有一種全功能的機(jī)器人能完成所有的任務(wù),所以需要依據(jù)水下機(jī)器人任務(wù)和工作需求,結(jié)合使用條件進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì),對(duì)水下機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)、流體性能、動(dòng)力控制、控制與通訊方式進(jìn)行優(yōu)化,提高有限空間的利用效率。其總體結(jié)構(gòu)在滿足壓力、水密、負(fù)載和速度需求的前提下要實(shí)現(xiàn)低阻力、高效率的空間運(yùn)動(dòng)，另外在有限的空間中，需要多種傳感器的配合，進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、環(huán)境探測(cè)和自主航行等任務(wù)。整個(gè)大系統(tǒng)整合了多種分系統(tǒng)，需要完善的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)，才能確?？刂婆c通訊信息流的通暢[6]。警用ROV探測(cè)識(shí)別設(shè)備布置在艏部的一個(gè)可進(jìn)行俯仰動(dòng)作的云臺(tái)上，主推進(jìn)器沿水平方向布置于警用ROV后半部分，輔助推進(jìn)器以一定角度傾斜布置在警用ROV浮心前方附近。

3.4 艏部的總體布置

水下照明與水下攝像機(jī)的相對(duì)位置直接影響到水下機(jī)器人的觀測(cè)效果。譬如，把光源放在攝像機(jī)的正前面照射被照物體時(shí)，就會(huì)把攝像機(jī)正前面的水中漂浮的懸濁物照得很亮，從而難以得到被照物體的像差，圖像很難清晰。同時(shí)由于光在水中的衰減，要取得理想的觀測(cè)效果，就要選擇照明裝置和攝像機(jī)相對(duì)觀測(cè)區(qū)的最有利的位量，對(duì)鏡頭視場角和照明裝置光通量出射角進(jìn)行協(xié)調(diào)．以增強(qiáng)水下視距。因此在設(shè)計(jì)水下機(jī)器人時(shí)，應(yīng)從水下機(jī)器人接近觀測(cè)對(duì)象的能力，保持靜止或準(zhǔn)確移動(dòng)的能力以及所選用攝像機(jī)的視距、視角、照明裝置的照度、水質(zhì)情況等因素加以全面考慮，以求得最佳配置[3]。由于設(shè)計(jì)的警用ROV為增加觀測(cè)的視場角，觀測(cè)設(shè)備安裝在一個(gè)可進(jìn)行俯仰動(dòng)作的云臺(tái)上。為減小其俯仰動(dòng)作對(duì)警用ROV姿態(tài)平穩(wěn)性的擾動(dòng)，其整個(gè)俯仰部分在水中要具有零浮力，并且其俯仰中心在其浮心上。因此，在布置觀測(cè)設(shè)備時(shí)要綜合考慮警用ROV的觀測(cè)效果和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，以求得最佳的匹配。

4 總 結(jié)

警用ROV在2010年七月在珠江水域進(jìn)行了交付驗(yàn)收試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明警用ROV水下航速高，有良好的抗流工作能力, 可在3節(jié)以下水流中正常工作, 能進(jìn)行深度保持、航向保持，有良好的操縱性和平臺(tái)穩(wěn)定性。其總體結(jié)構(gòu)為水下機(jī)器人的高效運(yùn)行提供了有效的硬件基礎(chǔ)。

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A General Structure Design of ROV for Security under Water

JIN Bi-xia， FANG Yong

(The710thResearchInstitute，ChinaShipbuildingIndustryCorp，YichangHubei443003，China)

According to the water safety problems, a design of a ROV for security is introduced. Shape is streamlined with peripheral frame structure, electrical connections are made by using penetrating cable sealing pressure. Detection and identification equipments have a greater range of observation by pitching motion. Four propellers realize ROV spatial movement under water. The experiment shows that the ROV has good maneuverability and stability of the platform, the overall structure can provide the hardware base for the efficient operation of ROV.

ROV; security; general structure

2014-02-10

金碧霞(1977-)，女，湖北天門人，工程師，研究方向：水下機(jī)器人 。

U674

A

1007-4414(2014)02-0141-04