淺水觀察級(jí)小型ROV設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

辛光紅 馮德忠 潘若男

（三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

淺水觀察級(jí)小型ROV設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

辛光紅 馮德忠 潘若男

（三亞學(xué)院理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

本文主要闡述了淺水觀察級(jí)ROV的功能及設(shè)計(jì)方案。重點(diǎn)介紹了ROV的艙體設(shè)計(jì)與仿真，磁耦合防水推進(jìn)器的原理及設(shè)計(jì)方案。ROV主要功能為圖像采集并傳輸?shù)降孛嬲尽１痉桨父淖兞藗鹘y(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(kāi)源的openwrt系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本方案有效提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的同步傳輸。

ROV；openwrt；磁耦合推進(jìn)器；TCP/IP；solidworks

1 引言

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

ROV，即無(wú)人遙控潛水器（Remote Operated Vehicle），系統(tǒng)組成包括：動(dòng)力推進(jìn)器、遙控電子通訊裝置、黑白或彩色攝像頭、攝像俯仰云臺(tái)、用戶外圍傳感器接口、實(shí)時(shí)在線顯示單元、導(dǎo)航定位裝置、自動(dòng)舵手導(dǎo)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(lèi)型的ROV用于執(zhí)行不同的任務(wù)，被廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)、海岸警衛(wèi)、海事、海關(guān)、核電、水電、海洋石油、漁業(yè)、海上救助、管線探測(cè)和海洋科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。ROV分為觀察級(jí)和作業(yè)級(jí)。觀察級(jí)ROV的核心部件是水下推進(jìn)器和水下攝像系統(tǒng)，有時(shí)輔以導(dǎo)航、深度傳感器等常規(guī)傳感器。本體尺寸和重量較小，負(fù)荷較低。成本較低。作業(yè)級(jí)ROV用于水下打撈、水下施工等應(yīng)用，尺寸較大，帶有水下機(jī)械手、液壓切割器等作業(yè)工具，造價(jià)高。

2 ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主要根據(jù)選用的推進(jìn)器、攝像機(jī)、控制板等元件的尺寸，設(shè)計(jì)艙體形狀尺寸，需要實(shí)現(xiàn)的功能，安排艙體空間位置，并設(shè)計(jì)安裝框架及其導(dǎo)流罩外形。根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)形式，安排推進(jìn)器的布局。在材料選擇的過(guò)程中，運(yùn)用強(qiáng)度計(jì)算公式分析計(jì)算，完成ROV解構(gòu)設(shè)計(jì)。

（1）ROV設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

表1 ROV設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

（2）ROV 3D模型及推進(jìn)器排列設(shè)計(jì)

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(gè)推進(jìn)器，分別是艉部的2個(gè)主推進(jìn)器、中部2個(gè)垂向推進(jìn)器。為了實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，該ROV采用4個(gè)推進(jìn)器，左右對(duì)稱(chēng)于縱中剖面，推進(jìn)器均為正反雙轉(zhuǎn)向推進(jìn)器，通過(guò)該4個(gè)推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)自由度要求的控制過(guò)程[1]。

圖1 ROV 3D模型及推進(jìn)器排列布局

（3）密封耐壓艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選型

耐壓艙為一個(gè)圓筒艙體，艙體內(nèi)部裝載工作元件，首部為半圓透明罩，對(duì)于耐壓艙體的設(shè)計(jì)外徑設(shè)計(jì)，由于涉及到壁厚，需進(jìn)行強(qiáng)度分析，是耐壓設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。對(duì)于此部分單獨(dú)闡述，在第5節(jié)中進(jìn)行了詳細(xì)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(wú)縫管作為耐壓艙材料。316L不銹鋼機(jī)械性能:316L不銹鋼的密度7.98 g/cm3，用于紙漿和造紙用設(shè)備熱交換器、染色設(shè)備、膠片沖洗設(shè)備、管道、沿海區(qū)域建筑物外部用材料，以及高級(jí)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(shè)計(jì)及力學(xué)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(duì)于耐壓艙的壁厚設(shè)計(jì)，也是ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的一部分。下面通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算對(duì)耐壓艙的壁厚進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（1）數(shù)學(xué)模型

處于設(shè)計(jì)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(zhǎng)L，筒體壁厚均勻，無(wú)尖角。整個(gè)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(shè)計(jì)要求：通過(guò)對(duì)壁厚的設(shè)計(jì)，使得最終在滿足給定的剛度和強(qiáng)度要求下使得整個(gè)耐壓艙的重量達(dá)到最小。

對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)圓筒、短圓筒，其判別公式為：

上式成立則為長(zhǎng)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(guò)耐壓模擬以及考慮到合適的加工尺寸，這里選擇壁厚6mm進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算短圓筒的臨界壓力的公式很多，但廣泛應(yīng)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(shí)的波數(shù)。

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

由于從拉姆公式的反推出壁厚t的計(jì)算公式較為復(fù)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(jì)算如下：當(dāng)D=219mm，t=6mm，代入公式計(jì)算得，此種情況下艙體可以承受的臨界壓力：

可以得出，對(duì)于ROV耐壓倉(cāng)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(xué)仿真

在solidworks中建立艙體的艙體的實(shí)體模型，根據(jù)設(shè)計(jì)選擇，建立外徑為219mm，內(nèi)徑207mm，長(zhǎng)500mm的圓柱形艙體。建立好模型后，進(jìn)入solidworks simulation模塊，生成算例，開(kāi)始仿真分析。應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度為170Mpa，則最大von Mises遠(yuǎn)小于屈服度，及其最小的安全系數(shù)達(dá)到7.8。故采用外徑219mm*內(nèi)徑207mm，壁厚6mm，長(zhǎng)度500mm的316L不銹鋼艙體可以滿足我們所要達(dá)到的深度[2]。

4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及圖像傳輸

小型水下觀測(cè)機(jī)器人主要由人機(jī)交互平臺(tái)、上位系統(tǒng)、下位系統(tǒng)、攝像機(jī)四部分組成，操作人員通過(guò)有線遙控，結(jié)合人機(jī)交互界面上的水下視頻圖像，只需扳動(dòng)上位系統(tǒng)控制面板上相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制按鈕即可實(shí)現(xiàn)對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，操作簡(jiǎn)單、實(shí)用。

圖4 水下機(jī)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(guò)信號(hào)放大模塊進(jìn)行傳輸。本方案采用數(shù)字圖像采集通過(guò)TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)降孛嬲尽D像采集系統(tǒng)采用linux開(kāi)源平臺(tái)openwrt搭建。OpenWRT是一個(gè)高度模塊化、高度自動(dòng)化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，常常被用于工控設(shè)備、電話、小型機(jī)器人、智能家居、路由器以及VOIP設(shè)備中。在本方案的Openwrt中運(yùn)行的mjpg-streamer程序可以對(duì)USB攝像頭進(jìn)行圖像編碼。Openwrt內(nèi)核程序很好的支持了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。本方案采2001端口實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)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(wú)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(wú)纜方式，對(duì)于無(wú)纜水下機(jī)器人能源供給一般在機(jī)器人艙體安裝蓄電池或是帶燃油發(fā)電機(jī)組，這就造成水下機(jī)器人本體體積龐大、超重，此外蓄電池所儲(chǔ)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境，此機(jī)器人工作所要求的行走距離不是很大，故設(shè)計(jì)時(shí)采用了有纜遠(yuǎn)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(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不可預(yù)料的故障時(shí)可通過(guò)纜線撤回安全區(qū)域，不至于丟失。

5 推進(jìn)器的設(shè)計(jì)

圖5 磁耦合式推進(jìn)器結(jié)構(gòu)圖

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

推力器是由電機(jī)和螺旋槳組成的，ROV用的電機(jī)需要密封。密封主要有兩種方式，一種是機(jī)械密封，另一種采用磁耦合器。機(jī)械密封相對(duì)而言比較簡(jiǎn)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(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)，則表現(xiàn)為電機(jī)的空載電流增大（有時(shí)會(huì)增大1-3倍），這樣的電機(jī)用于推力器，會(huì)使啟動(dòng)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(jī)，由于電機(jī)內(nèi)部充油，因而耐水壓的性能得到極大的改善，而且電機(jī)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(jì)。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(méi)有直接的機(jī)械聯(lián)系。依據(jù)磁場(chǎng)傳遞扭矩，密封問(wèn)題很容易解決，只要用非導(dǎo)磁材料將電機(jī)、減速器包圍起來(lái)就解決了動(dòng)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(jī)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(jī)。綜上所述，本文采用磁耦合式推器。其設(shè)計(jì)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(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J]．江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，10(28)：467-471．

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

[3]吳丙偉，淺水視察級(jí)ROV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[D]．中國(guó)海洋大學(xué)，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(shí)驗(yàn)師，研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)。