太陽能風能水下打撈機器人

黎植強 楊小令* 卞君杰 孫 浩 胡秋艷

0 引言

水下打撈是一種特種作業。早期的水下打撈，主要靠潛水員完成的。受生理條件限制，潛水員一般只能下潛到100 米以內，而且需要岸邊或船上支持團隊的保護。

20 世紀60 年代，出現了遙控水下機器人，可以代替潛水員完成部分水下打撈作業，減小了勞動強度和風險。但是，仍然需要岸邊或船上人員近距操控，成本甚至高于潛水員打撈。近年來由于太陽能和風能技術水平的提高，以及無人無線技術的開發，由太陽能或風能供電的水下打撈機器人的開發層出不窮[1-3]。

1 研究意義

本文研究設計了一種遠程控制、太陽能風能供電的水下打撈機器人，操縱人員可以借助無線圖像傳輸技術，引導打撈機器人到達指定水域，完成水下探查和打撈。因為采用太陽能風能供電，可以連續巡航、進行大范圍的搜索。

2 總體設計

太陽能風能水下打撈機器人由雙體無人船和水下打撈機器人組成，具有結構新穎、運輸方便、使用便捷的特點。

雙體無人船由模塊化雙體船體、可調節門架、太陽能電池板、垂直軸風力發電機、正反轉螺旋槳、防水電機、絞盤、測控模塊組成。雙體無人船因為配備了太陽能風能混合供電系統，晴天和風雨天都能提供足夠電力，可以長時間、大范圍攜帶水下打撈機器人巡航，并為打撈機器人提供能源供給和通訊中繼，大大降低了打撈作業成本和風險。

水下打撈機器人由外殼、反向串聯推進器組、水下機械手、姿態調節裝置、臍帶電纜、測控模塊組成。反向串聯推進器組與姿態調節裝置配合，省去了垂向推進器、橫向推進器、射流水槍，使水下打撈機器能輕松實現前后、左右、上下3 個維度的平移，左右轉彎、上下俯仰2 種維度的轉動，配合水下機械手，能輕松打撈水下小型物體。

3 詳細設計

3.1 雙體無人船

主要技術指標：最小吃水深度200 mm；巡航速度1.5 km/h；續航距離18 km；錨定最大深度100 m；太陽能發電80 W；4 級風速發電50 W；整體外形尺寸：長1 200 mm、寬400～1000 mm、高400～700 mm；空氣中重量88 kg。

3.1.1 模塊化雙體船體

借鑒國內外無人船的經驗，仍然選擇雙體船結構，為無人船提供足夠浮力和穩定支撐?？紤]到長途物流運輸和單人安裝維修，單個船體采用3 模塊拼裝而成：中部是矩形船身，內部有蓄電池盒，整體的重心低；兩頭是等腰三角形船頭，外襯防撞橡膠墊。

3.1.2 可調節門架

用可調節門架聯接左右雙體船體，步進電機驅動螺桿旋轉，改變門架的跨度在400～1 000 mm 范圍變化，高度在0～300 mm范圍變化，無人船的重心、螺旋槳淹沒深度和太陽能電池的傾角受遠程控制，使無人船與工作環境相適應。

（1）航行狀態這種狀態為正常水域航行狀態。調節裝置處于中間狀態，正反向旋轉螺旋槳淹沒在水下，打撈機器人處于水面以上，航行時水阻力減小。這種情況下無人船的航速最大，能夠快速到達打撈水域，進行相關打撈作業，同時節省能源。

（2）水草狀態 這種狀態無人船遇到茂密的水草。調節裝置收縮至最小長度，將無人船門架抬到最高，螺旋槳的一半淹沒，一半未淹沒。水草不會纏繞螺旋槳，出水后沿切線向航道兩邊飛出。

（3）打撈狀態這種狀態為打撈機器人作業狀態。此時調節裝置伸展至最大長度，無人船重心降低，風阻力減小，穩定性增強。

3.1.3 正反向旋轉螺旋槳

正反向旋轉螺旋槳由1 個正向旋轉螺旋槳和1 個反向旋轉螺旋槳配對而成。正向旋轉螺旋槳順時針轉動，向后排水，產生向前推力；反向旋轉螺旋槳逆時針轉動，向后排水，產生向前推力。正反轉螺旋槳配對，附加力矩相互抵消，無人船不會發生橫向傾斜。

3.2 水下打撈機器人

主要技術指標：下潛最大深度：100 m；最大移動速度：0.2 m/s；空氣中質量:15 kg；外部尺寸：長508 mm、寬382 mm、高322 mm；最大可視距離（清水）5 m；清晰度420 線（彩色）；機械手抓取質量：10 kg。

3.2.1 殼體

殼體采用密封式結構，用防水材料制成密閉的流線形體，全部水下部件內藏在密封殼體內。密封式殼體的制作復雜，但不要求全部水下部件密封防水，擴大了選材范圍，降低了材料成本。另外水流阻力較小，可減小電機的功率和蓄電池的容量。

3.2.2 反向串聯推進器組

采用兩個推進器背靠背組成一個反向串聯推進器組，這種推進器組的向前向后推力相同?？v向并列兩個反向串聯推進器組，可實現原地轉彎。除此而外，還可實現左右橫移、原地噴水沖刷，省去了橫向推進器和噴水水槍。

3.2.3 水下機械手

機械手嵌入于底座支架，用防水電磁鐵作為驅動機構。機械手常態為閉合狀態。電磁鐵通電，機械手展開，抓取物體；電磁鐵斷電，機械手依靠彈簧彈力復位，夾緊物體，這樣耗電最少。

3.2.4 姿態調節裝置

圖1 太陽能風能雙體無人船

圖2 水下打撈機器人

設置了姿態調節機構，能改變外殼軸向與水平面之間的下傾角。姿態調節機構主要是靠移動密封式外殼內質量塊的位置，改變重心位置：外殼現狀不變，浮心位置始終不變，這樣可改變下傾角。當下傾角為0°時，水下機器人在水平方向游動；當下傾角為90°時，水下機器人在垂直方向游動，可實現上下浮潛。下傾角可在0°至90°之間變化，水下機器人就能在縱向垂直面內斜向游動，斜向游動時將頭部對準目標，然后徑直游向目標，大大節省時間。采用姿態調節方法，可省去垂向推進器和攝像機的搖頭機構。

4 結語

太陽能風能水下打撈機器人采用太陽能風能混合能源，是綠色環保型產品，不會對打撈水域產生污染。它能在0.3～100 m水深范圍內巡航，甚至于水草茂密的灘涂、濕地，這是大型打撈船隊沒法實現的。它能連續打撈10 kg 以內水下小型物體，完成水下標本采集、水下物證搜尋、水下遺物撈取等任務。

無人船空氣中重量80 kg，全部拆解后可以裝入長600 mm、寬200 mm、高400 mm 的4 個包裝箱內；機器人空氣中質量:15 kg，可以裝入長520 mm、寬400 mm、高350 mm 的1 個包裝箱內?？梢源畛孙w機、高鐵、大巴車，運輸方便。單人可以勝任現場安裝維護工作。

晴天，利用太陽能發電；風雨天，2 級以上風力，風力發電機就能正常發電。蓄電池充滿電后，可以連續供電12 小時，以巡航速度1.5 km/h 計算，最大連續巡航距離18 km，可以環繞20 km2的水域一圈。

太陽能風能水下打撈機器人經濟實用性強、標準化程度高，將在交通、海事、公安、水利、水產、環保等領域發揮重要作用。