基于模糊自适应的水下机器人控制系统设计论文_伤城文章网
基于模糊自适应的水下机器人控制系统设计论文
I摘 要我国江河湖海水域众多， 拥有大量的水下设施， 这些水下设施的状况需要及时检测， 这就迫切需要一种水下清刷检测机器人来完成这些任务。 本文主要针对水下构筑物表面 特点，对水下构筑物清刷检测机器人系统进行了设计研究。 本文首先对水下机器人的发展现状及趋势进行了介绍， 提出了水下构筑物清刷检测 机器人整体设计方案。本文根据水下构筑物表面特点合理选择了吸附方式，按照需要进 行了自由度的选择，并依据相关要求和标准对各种附件进行了选型，对清刷机构和推进 系统进行了设计研究，应用三维制图软件 UG 设计出机器人水下部分整体结构，进行了 重心和浮心的校核，并应用有限元分析软件 ANSYS 对框架结构进行了应力分析。本文 还以所设计的水下构筑物清刷检测机器人为平台，建立了固定和运动坐标系，推导出水 中一般运动方程，并根据水下构筑物清刷检测机器人的不同工况，分别对水中航行工况 和水下构筑物表面作业工况进行了运动受力分析。 在推进系统设计上，本文综合考虑了自由度要求和背力吸附要求，提出了一种六推 进器布置方案；在推进器设计中，参照船舶推进系统设计思路，根据水下机器人总体设 计要求，提出了一种设计方法：通过螺旋桨的设计理论和现有螺旋桨相关参数和特性， 求得螺旋桨转速和直径，从而推算出驱动电机所需的功率，再进行具体设计参数调整校 核。关键词：水下机器人；清刷机构；整体结构；推进系统；运动受力分析ABSTRACTIIAmong the enormous lakes,rivers and seas dotted in our territory,there are plenty of underwater facilities that require regular examinations where underwater cleaning and detection sets would be needed.In this paper,for the characteristics of underwater structures,a specific underwater cleaning and detection robotic system is designed. In the light of current tendency of underwater robots,the overall design scheme of this robot is released.Type selections of attachments in accordance with related requests and standards coupled with researches on cleaning mechanism and propulsion system are carried out after a suitable sorption pattern and its freedom of motion having been determined by virtue of the features of underwater structures.Stress analysis of the framework is given by ANSYS,prior to which centres of grativity and buoyancy are checked when having built up the overall structure of the underwater parts in UG.In addition,a common kinematic equation is deduced based on the two coordinate systems that a fixed coordinates and a moving one upon the platform which this robot has offered.The equation has carried out kinematic stress analysis for both the submergence and the cleaning-detection operations on the basis of different work conditions. An experiment result of stimulating the underwater robot’s movements in both horizontal and vertical directions in FLUENT proves it live up to our expectations. For the propulsion system,comprehensively integrating freedom and back force sorption,a scheme of six propellers is revealed. As regards of the propeller whose philosophy refers to the propulsion system of vessels and ships,according to the overall design request of the robot.we have,for an order of logic ,computing the revolving speed and diameter of the propeller in view of theroies by propeller propeller design theory and existing related parameters and features ,and then calculating moter power, ending this process with the adjustment of all the propeller parameters.Keywords:kinetic stress analysisIII
目 录第一章 绪 论 ................................................................................................................................................. 1 1.1 引言 .................................................................................................................................................. 1 1.2 水下机器人发展现状及趋势 ......................................................................................................... 1 1.2.1 水下机器人发展现状 .......................................................................................................... 1 1.2.2 水下机器人发展趋势 .......................................................................................................... 5 1.3 课题研究的来源和意义 .................................................................................................................. 5 1.4 本文主要研究内容 .......................................................................................................................... 6 第二章 水下机器人总体系统设计 ............................................................................................................... 7 2.1 总体功能、系统结构及自由度选择 .............................................................................................. 7 2.1.1 功能指标 .............................................................................................................................. 7 2.1.2 水下清刷检测机器人系统结构 .......................................................................................... 7 2.1.3 自由度选择 .......................................................................................................................... 8 2.2 整体框架设计 .................................................................................................................................. 8 2.2.1 框架结构设计 ...................................................................................................................... 8 2.2.2 框架结构有限元分析 ........................................................................................................ 10 2.3 吸附方式选择 ................................................................................................................................ 12 2.4 密封装置设计 ................................................................................................................................ 13 2.4.1 密封舱结构设计 ................................................................................................................ 13 2.4.2 密封舱和电缆的密封 ........................................................................................................ 13 2.4.3 动密封的选择 .................................................................................................................... 14 2.5 清刷机构设计 ................................................................................................................................ 15 2.5.1 清刷机构系统组成 ............................................................................................................ 15 2.5.2 刷子结构设计 .................................................................................................................... 15 2.5.3 可伸缩传动机构设计 ........................................................................................................ 16 2.5.4 驱动电机的选择 ................................................................................................................ 17 2.6 附件的选择 .................................................................................................................................... 18 2.6.1 姿态传感器的选择 ............................................................................................................ 18 2.6.2 水深传感器的选择 ............................................................................................................ 20 2.6.3 湿度传感器的选择 ............................................................................................................ 20 2.6.4 水下摄像机和水下照明灯的选择 .................................................................................... 21 2.7 本章小结 ........................................................................................................................................ 22 第三章 水下机器人推进系统设计 ............................................................................................................. 23 3.1 推进方式选择 ................................................................................................................................ 23 3.2 推进器布置设计 ............................................................................................................................ 23 3.2.1 推进器布置注意事项 ........................................................................................................ 23 3.2.2 推进器布置方案设计 ........................................................................................................ 23 3.3 推进器设计 ................................................................................................................................... 24 3.3.1 推进器设计理论基础 ........................................................................................................ 25 3.3.2 螺旋桨选型 ........................................................................................................................ 26I3.3.3 驱动电机选型 .................................................................................................................... 27 3.3.4 螺旋桨及驱动电机参数的确定 ........................................................................................ 27 3.4 本章小结 ....................................................................................................................................... 34 第四章 水下机器人整体结构设计 ............................................................................................................. 35 4.1 整体结构设计注意事项 ................................................................................................................ 35 4.2 整体结构设计 ................................................................................................................................ 36 4.2.1 密封舱及浮力块的布置设计 ............................................................................................ 36 4.2.2 水平布置推进器的布置设计 ............................................................................................ 36 4.2.3 整体结构设计 .................................................................................................................... 37 4.3 重心与浮心的计算与校核 ........................................................................................................... 38 4.3.1 重心的计算 ........................................................................................................................ 38 4.3.2 浮心的计算 ........................................................................................................................ 39 4.3.3 重心与浮心的校核 ............................................................................................................ 40 4.4 本章小结 ........................................................................................................................................ 41 第五章 水下机器人运动受力分析 ............................................................................................................. 42 5.1 引言 ................................................................................................................................................ 42 5.2 坐标系建立及转换 ........................................................................................................................ 42 5.2.1 坐标系的建立 .................................................................................................................... 42 5.2.2 坐标系的转换 .................................................................................................................... 43 5.3 水下机器人 6 自由度运动的一般方程及简化 ............................................................................ 45 5.3.1 水下机器人 6 自由度运动的一般方程 ............................................................................ 45 5.3.2 水下机器人 6 自由度运动一般方程的简化 ................................................................... 47 5.4 水下构筑物清刷检测机器人在水中航行时的运动受力分析 ................................................... 47 5.4.1 在水中航行时的受力分析 ............................................................................................... 47 5.4.2 在水中航行时的运动分析 ............................................................................................... 50 5.5 水下构筑物清刷检测机器人在作业时的运动受力分析 ........................................................... 51 5.5.1 作业时的受力分析 ........................................................................................................... 51 5.5.2 作业时的运动分析 ........................................................................................................... 51 5.6 本章小结 ....................................................................................................................................... 52 第六章 FLUENT 仿真实验及结果分析 ........................................................................ 错误！未定义书签。 6.1 FLUENT 仿真模型的简化 .............................................................................. 错误！未定义书签。 6.2 FLUENT 仿真模型的网格划分 ...................................................................... 错误！未定义书签。 6.3 FLUENT 仿真实验及结果 .............................................................................. 错误！未定义书签。 6.3.1 FLUENT 仿真实验边界条件和模型的选择 ...................................... 错误！未定义书签。 6.3.2 进退运动实验结果 ........................................................................... 错误！未定义书签。 6.3.3 升降运动实验结果 ........................................................................... 错误！未定义书签。 6.4 实验结果分析 ............................................................................................... 错误！未定义书签。 6.5 本章小结 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。 第七章 总结与展望 ..................................................................................................... 错误！未定义书签。 7.1 总结 ............................................................................................................... 错误！未定义书签。 7.2 展望 ............................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献....................................................................................................................................................... 53II第一章 绪论第一章 绪 论1.1 引言随着煤炭、石油等不可再生资源的不断消耗，能源危机日益临近，而水资源作为清 洁可持续开发能源之一，愈来愈被人类重视，人类对水资源的开发利用也将更加深入， 这对我们的开发与研究能力提出了新的挑战[1]。同时，随着世界经济对海洋的依赖程度 不断增加和利用海洋资源的不断深化，各国对海洋资源的争夺也不断加剧。从世界上过 去几十年发生的战争来看，海洋不仅成为各国海军的跳板，美国介入的战争几乎都离不 开海洋；甚至更成为了直接争夺的对象，最典型的战例就是英阿马岛海战，马岛面积虽 然不大，但拥有了马岛就拥有了马岛周围 200 公里的专属经济区。 水下机器人作为人类认识、开发、利用水资源的重要工具，已经越来越被各国所重 视。从 20 世纪 70 年代起，很多国家就开始水下机器人的开发研制工作，我国从 1980 年开始了这项工作，在“八五”和“九五”期间，我国 6000 米深水水下机器人 CR-01 的研制成功，使我国成为世界上掌握此项高新技术的少数几个国家之一。水下机器人以 其独特的优势，在水下观察、摄像、通信、救生、捕捞、施工作业和特殊军事行动中得 到广泛应用。目前，各国对海洋开发的程度很大程度上取决于对水下机器人的开发研究 能力。水下机器人作为一个高度集成的自动化设备，除集成有水下机器人载体的推进、 控制、电源、导航、传感器等仪器设备，还可以根据应用目的不同，配备声、光、电等 不同类型的探测仪器，作业型水下机器人还配备了不同功能的机械手等设备。因此，对 水下机器人的开发研究也越来越受到各个国家的重视。1.2 水下机器人发展现状及趋势1.2.1 水下机器人发展现状 从 1953 年第一台水下机器人下水至今，经过 60 年的发展，如今水下机器人的品种 和数量都已经非常多。水下机器人按照用途来分大致可以分为观察型、测量型和作业型 水下机器人， 其中观察型和测量型水下机器人有些资料给统称为探测型或者观测型水下 机器人；按照结构形式划分，可分为流线式（如图 1.1）和开架式（如图 1.2）两种；按 照有无脐带缆划分，又可以分为有缆水下机器人（ROV）和无缆水下机器人（AUV） ； 按照作业深度又有深水和浅水之分；按照重量和体积还可以分为大型、中型和小型水下 机器人[3]。1河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究图 1.1 Iver2 Autonomous Underwater Vehicle图 1.2Predator ROV水下机器人发展初期，由于当时相应技术还不够成熟，电子设备和通信设备故障率 高，并没有收到人们的重视。直到 60 年代，随着世界上第一台 ROV“CURV1”在美国 的成功研制，以及 1966 年“CURV”在西班牙沿海将失落在 868 米水深处的氢弹成功打 捞，水下机器人技术才开始引起人们的广泛重视[4]。70 年代，随着 ROV 在海洋开发研 究和军事等方面的广泛应用，ROV 产业初步形成。AUV 作为后起之秀，具有活动范围 大、适应能力强、不怕电缆和水草等缠绕、可进入比较复杂结构中、对水面系统要求简 单等优点，成为各国研究和发展的热点。但是 AUV 由于受到能源和通讯问题的困扰， 目前在实际应用方面受到一定的限制[5]。 ROV 主要由水面设备和水下设备两部分组成。水面设备通常包括控制台、主处理系 统和脐带缆车；水下设备通常由密封舱、推进器、集成控制板、传感器、摄像头、水下 照明和作业设备等组成[6]。 ROV 通过脐带缆从水面控制台获得各种操作控制指令和动力 电源，脐带缆同时还担负着上传 ROV 水下工作状态和信息数据以及紧急情况下收回 ROV 的任务。所以 ROV 由于其操作、运行和控制等行为最终由水面处理能力强大的 计算机与操作员通过人机交互的方式进行，能实时控制水下设备的运动状态，实时观察 水下探测目标信息和图像。因而 ROV 总体决策水平往往远高于 AUV。但是 ROV 由于 脐带缆长度有限，活动范围较小，并且容易造成缆线水下缠绕故障，同时在繁忙的水道 作业时，脐带缆易被其它船舶碰撞挂带导致失效或断裂，给使用带来影响[7] 。 ROV 是最早进行研究开发和应用的水下机器人。世界上的海洋大国如美国、英国、 法国、俄罗斯、瑞典、加拿大都开发研制了各种类型的 ROV 系统[8]，目前已经有数千 种艘用于不同任务，下面列举几个典型的 ROV 作为代表来说明目前的发展状况。 瑞典 Ocean Modules 公司的 V8 Sii(Search, Identification, Intervention)是一种多功能 水下机器人平台，也是开放的、可模块置换的模块化平台[9]。如图 1.3 所示，V8 Sii 可 根据用户需要选配扫描成像声纳(用于浑浊的水域)、机械手或简单作业工具、声学定位 系统、采样设备等。V8 Sii 将水下机器人技术发展到一个新的高度，其独一无二的八矢 量推进器配置和目前最为先进的 Spot.on 控制系统使得可在全空间六个自由度上精确操2第一章 绪论纵机器人进行机动。V8ii 随机安装的多种传感器可随时获得机器人的状态信息，以便系 统通过负反馈实现自动定深、自动定向和自动姿态控制的功能，从而获得机器人的超级 稳定性，这是目前市场上其他水下机器人无法比拟的优越性能。图 1.3 V8 Sii法国的 ROV 公司设计、制造的深水 ROBIN 号 ROV（水下 6000 米） ，曾随法国 “IFREMERS NAUTILE”号潜艇于 1987 年用来寻找几十年前沉在大西洋底的“泰坦尼克” （TITANIC）残骸。而 H1000 ROV（如图 1.4）是法国海军用来寻找 1000 米海底船只及 飞机残骸的特选装备[10]。图 1.4 H1000美国 JW 公司的 SeaLion2（如图 1.5）型 ROV 水下机器人能进行 300 米深度的水下 作业，支持最长线缆 450 米，配备有前方和后方的云台摄像机，可具有 50°广角镜头 和 90°俯仰角度。配备金属探测器时，可以搜索武器、未爆弹药、管路线路等其他金属 物体[11]。3河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究图 1.5 SeaLion2图 1.6 Seamor300T加拿大 Seamor Marine 公司 Seamor 300T（如图 1.6）是一款经济有效的侦测级水下 机器人，不但便于携带，而且还配有长达 355 米的双绞线系绳，可承受快速运动、性能 敏捷、且操作及系绳维护都很简便。同时还配有 90 瓦的助推器、高清的彩色摄像机、 深度可达 300 米[12]。 英国 AC-CESS 公司 AC-ROV（如图 1.7）配备了 6 个推进器，水下灵活性非常好， 其中前进、后退和侧向移动的所有动力由 4 个横向推进器提供。其设计使用的矢量推进 器，作用等同于 4 个前进推进器和 4 个侧向推进器的作用[13]。图 1.7 AC-ROV图 1.8 H300-ROV法国 ECA Hytec 公司生产的浅水型 H300-ROV（如图 1.8）框架采用聚丙烯材料和不 锈钢制成，配有 4 个推进器，其中两个作水平运动控制用，另外两个分别用于垂向和侧 向运动控制。为了在浑浊的水中使用，配备了双频声纳、低光导航黑白摄像机、带二维 激光测量的彩色可缩放相机、超短基线跟踪系统和传感器数据链[14]。 我国的第一艘 ROV 由中科院沈阳自动化研究所 1986 年研制成功[15]， 2012 年 4 月 28 日，由上海交通大学自行研制的 3500 米 ROV“海龙号” （如图 1.9、1.10）随我国“大 洋一号”大洋考察船从三亚凤凰岛起航，执行中国大洋第 26 次科考任务。此前，2009 年 10 月， “海龙号”跟随大洋第 21 航次，在东太平洋海域发现了由我国首次自主发现 的巨大热液黑烟囱，并利用机械手抓取 7 公斤黑烟囱喷口样品，为我国在海底热液和深4第一章 绪论海生物的研究提供了大量宝贵资料和数据；2011 年 2 月， “海龙号”在大洋 22 航次中， 在南大西洋洋中脊区对硫化物区域进行全程观测和录像， 拍摄下大量极有价值的照片和 录像资料，并取得大量海底地质和生物样品，具有重要的科学研究价值[16]。图 1.9 “海龙号”吊放画面图 1.10“海龙号”作业监控场景1.2.2 水下机器人发展趋势 随着海洋认识和开发的需求的增加，以及水下机器人技术的日渐成熟，水下机器人 未来发展将朝着更深、更远、更专业、模块化和协同化方向发展[17]。 更深：地球上 97%的海洋深度在 6000 米以上，因此，发展 6000 米以上深海水下机 器人必然是水下机器人未来的发展趋势。 更远：目前水下机器人的活动范围还有限，ROV 的活动范围受到了缆线的限制，而 能源、导航和通信技术则限制了 AUV 的活动范围，随着海洋开发的不断深入，未来的 水下机器人的活动范围也急需扩大。 更专业：水下机器人的专业化程度越来越高，这是市场和技术的共同需求，一种型 号或者一台水下机器人不可能完成所有的任务，它们将只针对某个特殊的需求，配置专 用设备，完成特定任务，水下机器人的种类会越来越多，分工会越来越细，专业化程度 会越来越高。 模块化：同一型号水下机器人更换模块可具有多种功能，机器人本体则是一个平台， 通过搭载不同的模块，而具备不同的功能，完成不同的任务需求。 协同化：单一水下机器人的功能总有局限性，面临需求时，多种功能机器人协同作 业完成更加复杂任务，是机器人技术发展的又一趋势。1.3 课题研究的来源和意义5河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究本文课题来源于江苏省科技计划项目，项目名称为水下构筑物探测机器人系统。我 国江湖河海水域众多， 据不完全统计， 只各种水库大坝就有 86000 余座[18]， 为世界之最， 各种泵站、桥墩、船闸、水下管道等水下设施更是不计其数。然而，在 86000 余座水库 大坝中有近三分之一由于年久失修以及自然灾害等原因已经成为危坝， 其他水下设施状 况也不容乐观。这些设施中很多终年都在水下，我们平常很难知道它们的具体状况，由 于在水面和水下的环境不同，有些暴露在水面和在水下的状况也不一样，这些都需要进 行水下检测。 水下构筑物长时间在浸泡在水中有的会有泥沙的沉淀，有的还会生长一些水生物， 沉淀的泥沙和生长的水生物覆盖在水下构筑物的表面对我们的检测带来了困难， 很难知 道被检测对象的具体状况， 这就需要先除去表面附着物才能检测到水下构筑物的实际状 况。 通过潜水员进行水下作业和检测不仅安全系数低、效率不高，而且会消耗的大量人 力、物力和财力。本文特别从中小型水利设施的检测和勘察实际出发，研究一种带有[ 刷机构装置，装备水下视觉检测设备的小型有缆水下机器人，使之能够在狭窄、水质有 污染、有一定危险的浅水环境中作业，主要用于水坝、大堤、闸门、桥梁、涵道、近海 工程等水下设施的经常性检测。用水下机器人代替潜水员来完成清刷检测任务，不仅提 高安全性和工作效率，而且投入费用少，具有广泛的应用前景。1.4 本文主要研究内容论文主要对水下构筑物清刷检测机器人的清刷机构、推进系统、本体结构以及附件 的选型进行设计，在此基础上对水下构筑物清刷检测机器人进行运动受力分析研究，并 进行仿真实验。 本文研究内容具体章节安排： 第一章主要对机器人发展现状与趋势和课题的来源与意义进行简要的介绍， 并阐述 了本文主要研究内容； 第二章针对水下构筑物清刷检测机器人的特点，提出了系统设计总体指标要求，并 对整体框架、清刷机构、密封装置、检测设备、附件等进行设计和选型； 第三章对推进系统选型、具体布置和设计参数进行具体的研究； 第四章对水下构筑物清刷检测机器人整体结构进行设计，并校核重心和浮心； 第五章主要对水下机器人一般运动方程进行研究， 并针对本文所设计的机器人两种 工况分别进行运动受力分析； 第六章对本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人进行仿真实验， 并对结果进行分 析； 第七章对本文所研究内容进行简要总结，并对下一步研究工作提出展望。6第二章 水下机器人总体系统设计第二章 水下机器人总体系统设计2.1 总体功能、系统结构及自由度选择2.1.1 功能指标 通过对课题研究来源和意义的研究与分析， 确定水下清刷检测机器人的总体功能和 指标。 水下清刷检测机器人总体功能： 水下清刷检测机器人能实现对水下构筑物表面附着物的清刷并检测水下构筑物的 状况。 水下清刷检测机器人具体指标： 尺寸：长 860mm、宽 560mm、高 450mm（不含万向轮和刷头部分） 重量：20~25kg 水中前进最大速度：1.2~1.5m/s 水中升降最大速度：0.5~0.8m/s 构筑物表面最大移动速度：0.8~1.2 m/s 最大下潜深度：100m 清刷能力：能有效清刷水下构筑物表面附着物 2.1.2 水下清刷检测机器人系统结构 开架式水下机器人具有便于布置安装推进器、电源、密封舱、作业机构和各种探测 设备等，易于调整总体重心和浮心，便于各种调试研究，因此，开架式结构广泛用于各 种功能水下机器人的设计。另外 ROV 由于具有实时传输大量信息、能持续长久给水下 设备提供能源的优点，成为水下作业型机器人的首选。因此，本课题所研究设计的水下 清刷检测机器人为开架式 ROV。 水下构筑物清刷检测机器人由本体、清刷机构、检测系统和控制系统四个结构系统 组成，分为水面设备和水下设备两个部分，通过脐带缆进行连接互通，其中水面设备包 括主处理器、操控台及控制手柄；水下设备包括框架载体、推进器、密封舱（含控制电 路板等） 、摄像头及照明设备、清刷机构、传感器等；脐带缆含有钢缆、电源线、信号 传输线等。工作原理：操作员通过水面设备输入操作控制指令，脐带缆将控制指令和能 源传输到水下设备， 水下设备进行响应并将水下情况实时通过脐带缆反馈传输到水面设 备，操作员通过水面设备反应的水下设备工作状况及时调整操作控制指令。 水下清刷检测机器人总系统结构框图如图 2.1 所示。7河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究显 示 操 作 员 操 控 台水面系统图 2.1 总系统结构框图推进装置 主 处 理 器 控 摄 板 各种传感器 像 头 清刷机构器水下系统2.1.3 自由度选择 水下机器人在水中运动共有 6 个自由度[19]，分别是 3 个平移自由度：进退、横移和 升降；3 个旋转自由度：摇首、横倾和俯仰。 水下构筑物清刷检测机器人主要任务是在构筑物表面进行清刷和检测作业， 外加在 水中接近目标的航行过程，因此，实际上没有必要做 6 自由度运动。水下清刷检测机器 人在构筑物表面清刷检测作业时可以近似为平面运动，只需要进退和摇首两个自由度； 水中航行接近目标过程需要进退、摇首、升降、俯仰和控制水下清刷检测机器人水中姿 态的横倾共 5 个自由度。综合作业过程和航行过程共需要进退、升降、摇首、俯仰和横 倾 5 个自由度。因此，本文对水下清刷检测机器人实际选择 5 个自由度进行设计研究。2.2 整体框架设计2.2.1 框架结构设计 水下构筑物清刷检测机器人整体结构采用开架式设计， 其框架结构设计包括框架材 料的选择和结构设计。 在选择水下机器人框架材料时， 考虑到水下构筑物清刷检测机器人在水下作业时的 特殊环境要求，必须要考虑材料的耐腐蚀性、密度、强度、韧性、可加工性、经济性、 可装配性等性能。因此在选材时主要通过对材料的比刚度、比强度、可设计性、可生产 性、可装配性及经济性的比较来选用。图 2.2 列出了钢（S） 、玻璃钢（GP） 、玻璃（CG） 、 钛（Ti） 、铝（Al）五种材料的定性比较[20]。8第二章 水下机器人总体系统设计S GP CG Ti Al 强度/密度S GP CG Ti Al 可设计性S GP CG Ti Al 可生产性S GP CG Ti Al 可装配性S GP CG Ti Al 经济性图 2.2 框架材料的定性比较从图 2.2 中可以看出钛合金具有良好的机械性能，另外钛合金在水中具有抗腐蚀的 耐久性和无磁性，但钛合金成本高且加工工艺复杂；高强度钢具有较高的强度、较好的 韧性、良好的可塑性和焊接性，但密度较大，会增加机器人额外重量；玻璃和玻璃钢有 较好的比刚度，但脆性较高，可装配性差；综合材料的比强度、可设计性、可生产性、 可装配性以及经济性，铝合金比重小，可以在较低的重量与排水量比值或相同的重量排 水量比值下使水下机器人增大负载能力或增大作业深度， 因此本文选择便于加工和装配 的高强度 LY12（2A12）铝合金型材作为水下机器人的框架材料。 按照水下构筑物清刷检测机器人的作业要求和便于设备安装调试的原则， 本文设计 框架结构为长方体，尺寸为 860 ? 560 ? 450mm ，如图 2.3 所示，为了便于设备安装、吊 装方便和加强结构，在长方体框架上布置了起吊钩、侧支撑柱、横梁等结构。图 2.3 框架结构图9河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究2.2.2 框架结构有限元分析 水下构筑物清刷检测机器人所有设备安装后， 整备质量接近 25kg， 而在起吊出水时， 浮力会迅速减小，重力迅速增加，此时框架会承受较大的冲击力，最大可达整备质量的 2~4 倍，所以必须对框架和起吊勾处进行应力分析，本文采用有限元软件 ANSYS 进行 分析计算。 首先，在三维软件 UG 中建立结构的三维模型，通过 UG 与 ANSYS 的接口将模型 导入 ANSYS 中，整个结构采用 Solid45 单元来模拟，为了模型的简化，采用 Mass21 单 元来模拟结构中其他设备的重量，施加于结构底部，有限元模型如图 2.4 所示。该模型 中共有 19197 个单元，12351 个节点。整个结构所用的材料为 LY12（2A12）铝合金型 材，材料的弹性模量为 E ? 77GPa ，泊松比 ? ? 0.3 ，密度为 ? ? 2790kg / m3 。图 2.4 框架结构有限元网格划分图本文选择出水极限状态时受力为 100kgf（整备重量 4 倍的力）作为框架结构受力进 行分析，图 2.5 为此时的框架结构的应力分布云图。由图中数值可以看出整个结构的吊 钩的受力相比其他地方比较大，吊钩的最上端的应力达到了 8.866MPa，提手与整个框 架连接地方的应力也较大，其余部分的应力均很小，因此可以看出，整个结构能够满足 强度要求。 图 2.6 为框架结构的受力变形云图。从变形云图的分布可以看出吊钩的最上端的变 形最大，逐渐向两侧的结构扩散，变形减小，最大变形值为 0.02mm，几乎没有变形， 因此整体结构设计满足设计要求。10第二章 水下机器人总体系统设计图 2.5 框架结构应力分布云图（单位：MPa）图 2.6 框架结构变形分布云图（单位：mm）11河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究2.3 吸附方式选择机器人吸附方式一般有真空吸附、磁吸附和背压吸附三种[21]。真空吸附具有不受材 料限制的优点，但由于吸盘要求较好的密封性，才能产生足够的吸力，如果吸附表面凹 凸不平则吸盘容易脱落，承载能力大大降低。因此，真空吸附常用于表面光滑的壁面， 如窗户玻璃、瓷砖等。 磁吸附又分为永磁吸附和电磁吸附， 永磁吸附的优点是不用担心磁力因断电而突然 失去，但吸力没有电磁吸附吸力大；两者共同点是要求吸附对象工作面必须是铁磁性材 料，目前多用于钢铁制造的大型船舶船底的清刷检测作业和大型钢铁设施的检测作业。 哈尔冰工程大学研制的船体表面水下清刷机器人[22]（如图 2.7）就是采用双履带式永磁 吸附方式。图 2.7 哈尔冰工程大学研制的船体表面水下清刷机器人背压吸附通过在机器人与接触物体的接触面背面施加一个具有法向分量的力， 使机 器人吸附在物体表面，通常采用螺旋桨推力方式。在空气中由于机器人本身重量远大于 空气浮力，所以需要很大的吸附力才能保证机器人可靠吸附，这就给控制机器人移动增 加了难度。而在水中，我们通常把水下机器人设计为零浮力或者稍稍的正浮力，不存在 空气中的问题困扰， 所以采用背压吸附在需要吸附水下设施表面作业的水下机器人中应 用比较多，因此，本课题选用吸附方式为背压吸附。12第二章 水下机器人总体系统设计2.4 密封装置设计虽然密封件只是水下机器人整体构成中的附件， 但是密封好坏对水下机器人能否可 靠安全使用和顺利完成水下作业任务至关重要。 密封根据相对结合面是静止还是运动可 分为静密封和动密封， 比如本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人中密封舱的密封则 属于静密封，推进器转轴的密封则为动密封。 2.4.1 密封舱结构设计 水下机器人的密封舱用于安装控制板和部分传感器等电子设备， 保证这些设备正常 工作，同时给水下机器人提供浮力。这就对密封舱的结构提出了要求：首先，密封舱要 有良好的密封性能，保证内部设备的工作环境；其次，密封舱的构造要便于布置控制板 等设备，且便于拆装；另外，密封舱工作于水下，所以还要有一定的抗压能力。通常密 封舱按照结构形状划分有球形、圆柱形、椭圆形和长方形等，其中球形的密封舱具有最 佳的重量――排水量比，但是内部布置难度大，且流体阻力大。由于本文所设计的水下 构筑物清刷检测机器人的最大下潜深度为 100 米，此时密封舱所承受的工作压力差为 10MP，因此为了便于整体结构设计和水下设备的布置，本文密封舱的结构选择圆柱体 结构，材料选择为工程塑料，为了拆装方便，圆柱体端头部分设计为可拆卸式，外部直 径为 200mm，长度为 400mm。 2.4.2 密封舱和电缆的密封 本文所设计的密封舱的密封问题主要是密封舱可拆卸端头的静密封和电缆进出密 封舱的密封问题。O 型圈密封[18][23]是密封系统中使用最为广泛的一种密封件，既可用于 静密封也可用于动密封，既可单独使用也可作为密封装置的组成部分使用。本文密封舱 可拆卸端头的密封方式就选择 O 型圈密封方式，在设计安装使用 O 型圈密封件时在使 用中需要注意两点：一是挤压力适中，一方面需要一定的挤压力，保证足够的密封接触 面，另一方面挤压力不能太大，尽量避免 O 型圈永久变形；二是接触面光滑，保证 O 型圈密封没有死点。另外在装配 O 型圈密封件时可以在密封圈和装配槽上均匀涂上硅 脂，这样做不仅可以保护密封圈，而且安装、拆卸都更加容易。. 电缆的密封：电缆密封包括电缆进出密封舱和进出电机的密封。电缆的密封与密封 舱端头的密封不同，电缆在连接时，可伸向各种方向，这就要求有更可靠的密封，且要 便于拆卸。因此本文选择格兰头防水密封方式作为电缆的密封方式，并在密封舱的开口 部位进行加固，保证密封舱的抗压能力，图 2.8 为格兰头的结构分解图[24]。通过实验证 明，选用与电缆相匹配并符合 IP68 防尘防水等级[25]标准的格兰头可以很好的实现电缆 的水下密封。13河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究图 2.8 格兰头结构分解示意图2.4.3 动密封的选择 动密封根据相对运动形式是旋转运动还是往复运动可分为旋转密封和往复密封， 本 文所研究的动密封推进器电机轴的旋转密封。旋转运动的密封方式通常有填料密封、O 型圈密封、机械密封、迷宫式密封[3]。通过对上述几种动密封方式性能（表 2-1）的比 较，可以发现填料密封的渗透量是最大的，而本文要求动密封渗透量要极小，最好是零 渗透，因此本文选择机械动密封的方式。表 2-1 几种常用动密封各项性能表密封方式 填料密封 O 型圈密封 机械密封 迷宫式密封耐压性 良 可 优 良耐速型 良 可 优 优耐热性 优 良 优 优耐寒性 良 可 优 优耐久性 可 可 优 优渗透量 较少 少 极少 少机械密封又有平衡式机械密封（图 2.9）和补偿式机械密封（图 2.10）等形式[26]， 本文选用补偿式机械密封。如图 2.7 所示，补偿式机械密封由压盖 1、辅助密封圈 2、静 止环 3、旋转环 4、弹簧 5、弹簧座 6、紧定螺钉 7、旋转环辅助密封圈 8 和防转销 9 组 成。由图 2.10 可以知道，防转销 7 固定在压盖 9 上以防止静止环转动，流体可能泄露的 地方有 A、B、C 三个泄露点，其中 C 点的密封由于没有相对运动，属于静密封，B 点 的密封是旋转环 4 与轴之间的密封， 它只有当 A 点磨损时才会跟随旋转环 4 沿轴线做微 量的移动，也可以看做为静密封，而静密封比较容易实现，最简单常用的密封件就是 O 型圈密封件，有时也可以采用金属波纹管结构，本文选用丁晴橡胶 O 型圈。A 点则是旋 转环 4 与静止环 3 的相对滑动的动密封，它是补偿式机械密封的主密封，也是决定机械 密封性能和寿命的关键。 对 A 点的密封实现主要有两个要素， 一是选择良好的摩擦副材 料，二是选择弹力适当的弹簧 5。摩擦副的材料要选择相对摩损小的材料组合配对，通 常静止环的材料硬度要比旋转环硬度大，本文选择碳化钨作为静止环 3 的材料，碳-石 墨作为旋转环 4 的材料。弹簧 5 的弹力过大，则 A 点不易形成稳定的润滑液膜，会加速14第二章 水下机器人总体系统设计端面的磨损；弹力过小，则 A 点的压力过小，容易泄露。图 2.9 平衡式机械密封结构图图 2.10 补偿式机械密封结构图2.5 清刷机构设计2.5.1 清刷机构系统组成 水下构筑物清刷检测机器人水下作业任务主要是清刷和检测，因此，设计合理的， 工作效率高的清刷机构是机器人设计的重要组成部分。 由于水下构筑物表面状况并非完 全是水平和光滑的，这就要求清刷机构对水下构筑物表面具有一定的适应能力，具体要 求就是刷头部分在清刷作业时既能做旋转清刷运动， 同时也应有能力做一定幅度的伸缩 越障运动。因此，本文所设计的清刷机构由驱动电机、可伸缩传动机构、刷子三部分组 成，如图 2.11 所示。可伸缩 驱动电机 传动机构 刷 子图 2.11 清刷机构组成示意图水下构筑物清刷检测机器人在进行清刷作业时， 刷子旋转会对机器人本体产生旋转 力矩。为了避免旋转力矩对机器人运动造成干扰，本文所设计的四个刷子，相对于机器 人成对称布置，且相邻两个刷子旋转方向相反，这样既提高了清刷质量，也可以避免机 器人本体因刷子旋转力矩而引起的自转问题[27]。 2.5.2 刷子结构设计 刷子结构由刷盘和刷丝组成。为了减小刷子的转动惯量和水下机器人重量，刷盘部15河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究分采用 LY11 型铝合金材料，直径为 200mm。刷盘一周均匀铣孔，刷丝固定于孔中，并 用粘合胶加固。为了保证清刷效果，刷丝必须有一定的硬度和弹性，所以刷丝采用淬火 不锈钢丝，其裸露长度为 30mm，外圆厚度约为 10mm。刷头具体结构如图 2.12。图 2.12 刷头结构示意图2.5.3 可伸缩传动机构设计 可伸缩传动机构既需要实现转矩的传递，又需要实现伸缩功能。本文所采用的可伸 缩传动机构结构如图 2.13，水下构筑物清刷检测机器人在清刷作业时，输出轴 6 通过传 动键 4 从输入轴 1 接受电机输出轴所传递的转矩，清刷过程中遇到障碍物时，输出轴 6 上的槽道可以沿着输入轴 1 上传动键 4 滑行，从而实现刷子的伸缩运动，保证机器人的 越障能力。为了保证清刷机构的清刷效果，刷子与构筑物表面要有一定的压力，而压力 过大由会增加吸附困难，给吸附机构提出更高的要求。因此，所选用的压缩弹簧 3 的弹 性系数不宜过大，可以给压缩弹簧 3 施加一定预紧力，从而保证了清刷效果，又减轻了 吸附机构的负担。本文所选用弹簧的弹性系数为 0.25N/mm，安装时弹簧预紧力为 5N。1、输入轴；2、滚动轴承；3、压缩弹簧；4、传动键；5、紧固螺钉； 6、输出轴；7、外壳；8、滑动轴承；9、端头压盖 图 2.13 可伸缩传动机构结构图16第二章 水下机器人总体系统设计2.5.4 驱动电机的选择 清刷机构工作时，刷子旋转需要克服水的粘性阻力矩、与构筑物表面接触产生的摩 擦阻力矩和刷子旋转产生的惯性阻力矩的作用[21]。 其中，水的粘性阻力矩 M 1M1 ? 0.616?? Rp 4 ?? 3（2-1）式中： ? ――水的密度，取 1.0 ?103 kg / m3 ；Rp ――刷盘半径，单位 m ；； ? ――水的运动粘性系数，取 1.0 ?10?6 m2 / s （水温为 20 摄氏度时）? ――刷子旋转角速度，单位 rad / s 。摩擦阻力矩 M 2M2 ? ?RrF1 2( R3 ? r 3 ) 2 f ? 2? x dx ? f ? F1 ? ( R2 ? r 2 ) 3( R2 ? r 2 )（2-2）式中： F1 ――刷子对水下构筑物表面的正压力，单位 N ；f ――刷丝与水下构筑物表面之间的摩擦系数，取 0.8；R ――刷丝外圈半径，单位 m ；r ――刷丝内圈半径，单位 m 。惯性阻力矩 M 3M3 ? I ? ? 1 2 ? R m? p 2 t（2-3）式中： I ――刷盘转动惯量，单位 kg ? m2 ；? ――刷盘角加速度，单位 1/ s 2 ；m ――刷子的质量，单位 kg ；? ――刷子旋转角速度，单位 rad / s ；t ――刷子旋转加速时间，单位 s 。本文所设计清刷机构刷盘半径 Rp 为 0.1m；刷子转速 n 为 300rpm ；刷子对水下构筑 物表面的正压力 F1 为 20 N ；刷丝外圈半径 R 为 0.125m；刷丝内圈半径 r 为 0.115m；刷17河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究子质量为 0.5kg；刷子旋转加速时间 t 为 3s； 将上述参数代入式（2-1） 、 （2-2） 、 （2-3）可求得刷子旋转需克服的总阻力矩 M ；M ? M1 ? M 2 ? M3 ? 0.341 ? 1.921 ? 0.026 ? 2.288N ? m需要驱动电机提供的有效功率为 P1 ：Mn 9550 式中： M ――总阻力矩；单位 N ? m ； P 1 ?n ――刷子转速，即驱动电机输出转速，单位 rpm ；P1 ――驱动电机克服刷子旋转阻力矩需要的有效功率，单位 KW ；则：Mn ? 0.0719 KW 9550 由于清刷机构只有两种工作状态，即工作与不工作，且水下设备使用的 24DCV 电 P 1 ?源，刷子转速较低，因而本文选用带减速器的直流减速电机为清刷机构驱动电机，电机 效率约为 0.8。 所以需要电机功率 P ?P 1 ? 0.0899 KW ? 89.9W 0.8 考虑到给电机预留部分储备功率，防止电机过载，本文选择电压 24DCV 、转速300rpm、功率 100W 的直流减速电机作为清刷机构驱动电机。2.6 附件的选择水下构筑物清刷检测机器人在水中航行和构筑物表面作业时， 需要将水下信息实时 反馈给操作员，这些信息包含：下潜深度、航速、航向、工作检测图像以及密封舱内湿 度状况。因此，就需要姿态传感器、深度传感器、湿度传感器、水下摄像头和水下照明 设备等设备。 2.6.1 姿态传感器的选择 由于水中水流状况复杂，对水下机器人的姿态影响较大，而我们不可能将水中水流 状况都分析清楚，因此，只能从机器人的实时反馈出来的姿态着手进行姿态控制研究， 这就需要一个能实时输出机器人水下姿态的姿态传感器。 姿态传感器的核心部件是陀螺仪， 陀螺仪是利用高速旋转体的动量矩敏感壳体在相 对惯性空间内绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置， 是人们利用陀螺的力 学性质所制成的各种功能的陀螺装置，有指示陀螺仪和传感陀螺仪等。在一定的初始条18第二章 水下机器人总体系统设计件下，陀螺不停自转，同时还绕着另一个固定的转轴旋转，这就是陀螺的旋进 （precession） ，又称为回转效应（gyroscopic effect）[29]。 陀螺仪的原理是：一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改 变的。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般最快可达到每分钟几十 万转，可以工作很长时间，然后用多种方法读取旋转轴所指示的方向，并自动将所测得 的数据信号传给控制系统。外环力矩器 外壳转子 内环力矩器 转子的驱动机构 内环内环角度传感器外环角度传感器 外环图 2.14 陀螺仪的结构图 2.14 所示为三自由度陀螺仪结构示意图。 三自由度陀螺仪具有进动性和定轴性的 特点。进动性是指当三自由度陀螺仪绕内框架轴作用外力矩时，将使高速旋转的转子自 转轴产生绕外框架轴的进动，而绕外框架轴作用外力矩时，将使转子轴产生绕内框架轴 的进动。进动角速度的大小取决于转子动量矩 H 的大小和外力矩 M 的大小,其计算式为 进动角速度 ω=M/H。 进动性的大小也有三个影响的因素： 1.外界作用力越大，进动角速度越大； 2.转子的转动惯量越大，进动角速度越小； 3.转子的角速度越大，进动角速度越小。 定轴性是指三自由度陀螺仪无论外壳绕陀螺仪自转轴转动， 还是绕内框架轴或外框 架轴方向转动，都不会直接带动陀螺转子自传以外的任何转动。由内框架和外框架组成 的框架装置，将外壳的转动与陀螺转子分隔开来[30]。因此，如果陀螺仪自转轴稳定在惯 性空间的某个方向上，当外壳运动时，它仍然会稳定在原来的方向上。 本文所选择姿态传感器为 E.T-ahrs[31]，如图 2.15 所示，E.T-ahrs 是基于 MEMS 技术的 高性能三维运动姿态测量系统。它包含了三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘等 辅助运动传感器，通过内嵌的低功耗 ARM 处理器输出校准过的角速度，加速度，磁数 据等，通过基于四元数的传感器数据算法进行运动姿态测量，实时输出以四元数、欧拉 角等表示的零漂移三维姿态数据。E.T-ahrs 姿态传感器具有 360 度全方位姿态输出、采 用 800Hz 高速数据积分足够应付瞬间姿态、输出绝对方向、快速动态响应、稳定性强、19河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究多种输出模式等优点。图 2.15 E.T-ahrs 姿态传感器图 2.16 PTH601 水深传感器2.6.2 水深传感器的选择 由于水下机器人在设计过程中都必须考虑其最大工作深度， 为了使水下机器人准确 到达指定位置， 并保证水下机器人在工作过程中不超过极限状态， 必须配置水深传感器。 又因为水的深度与压力成正比，则水深可以通过压力来表示和求得，因此，水深传感器 实际上是压力传感器，由压力敏感元件和转换元件组成，本文选用水深传感器型号为 PTH601[32]（图 2.16） 。PTH601 水深传感器采用硅压桥感压器件将水深（水压）信号转 换为电信号，并采用 RS-485 信号输出，输出精度可达 0.25%，供电电压 24DCV，最大 工作水深 300m。 2.6.3 湿度传感器的选择 由于水下机器人密封舱内安装有主控板等电子设备，一旦密封失效进水，而操作员 并不知情，将会造成比较严重的后果，因此，必须在密封舱内布置安装湿度传感器。 湿度传感器是测量空气中水蒸气含量，并将测量值转换成可输出电信号的传感器。 湿度传感器根据湿敏元件的不同主要分为电阻式湿度传感器和电容式湿度传感器两大 类。电阻式湿度传感器是通过空气中湿度变化时，湿敏电阻的阻率变化，从而阻值发生 变化的特性来测量湿度；电容式湿度传感器通过空气中湿度变化时，湿敏电容的介电常 数变化，从而电容量也发生变化的特性来测量湿度。 本文选用 Humirel 公司生产的 HM1500（图 2.17）电容式湿度传感器[33]。HM1500 电容式湿度传感器采用的 HS1101LF（图 2.18）湿敏电容具有精度高、量程款、稳定性 好、响应快、互换性好、在标准环境下不需校正等特点，因此，HM1500 可靠性和长期 稳定性较好，对温度的依赖非常低，可在 ?30 0~100%RH，精度 ?3% RH。60摄氏度环境中稳定工作，量程为20第二章 水下机器人总体系统设计图 2.17 HM1500 电容式湿度传感器图 2.18 HS1101LF 湿敏电容2.6.4 水下摄像机和水下照明灯的选择 水下机器人检测设备一般有摄像机和声纳， 摄像机检测通过对被检测物进行图像采 集，将采集图像经过处理程序通过显示屏显示出来，也可以直接将所拍摄画面传播显示 出来，比较直观。因此，本文选用水下摄像机作为检测设备。由于水下构筑物清刷检测 机器人工作水域一般比较浑浊，一般水深 1 米以下基本不可见，给机器人对目标的检测 增加了难度，为了能够在浑浊的水下拍摄出比较清晰的画面，必选采用特殊的照明设备 和摄像机。 考虑到水下机器人的特殊要求，为了保证被检测目标有足够的光照度，应选择发光 率高、 体积小、 抗干扰能力强的水下照明灯。 目前被广泛用于水下照明的有卤素灯、 LED 灯和 HID 高强灯[3]。 卤素灯与白炽灯的最大差别在于卤素灯的玻璃外壳中充有一些卤族元素气体 （比如 碘或者溴） ，当灯丝发热时，钨原子被蒸发后向玻璃灯壁方向移动，接近玻璃灯壁时， 被冷却到 800℃并与卤素原子结合形成卤化钨。卤化钨因跟随热流继续向玻璃灯中央移 动， 重新回到被氧化的灯丝上， 由于卤化钨很不稳定， 遇热又重新分解成卤素原子和钨， 这样钨又在灯丝上沉积下来，弥补被蒸发掉的部分钨原子。通过这种反复循环过程，灯 丝的寿命可以延长为普通白炽灯的四倍，又由于灯丝工作在更高的温度下，从而卤素灯 相比白炽灯具有更高的发光效率，更高的色温和更高的亮度。 LED 灯是由发光二极管制成，具有寿命长、启动时间短、色彩饱满，低压安全等特 点。但是较大功率的 LED 灯需要附加电子和散热设备，因而体积较大。 HID 灯即高压气体放气灯，俗称疝气灯。其工作原理是将 12V 电压增压至 23000V 超高电压，激穿填充在石英管内的疝气，从而发光，然后再将电压转成 85V 左右稳定持 续供应疝气灯泡发光，其发光效率和亮度较高，但是需配备特殊的整流器，增加 HID 灯 的成本和体积重量。 综合分析卤素灯、LED 灯和 HID 高强灯的优缺点，本文选用 PG50SX 型水下卤素 灯[34]（图 2.19） 。PG50SX 型水下卤素灯工作电压为 24DCV，功率 50W，最大工作深度 600 米，具有较强的穿透力和可以根据工作环境需要进行大面积照明和远距离照明之间21河海大学工学硕士论文水下构筑物清刷检测机器人的系统研究相互转换的优点。实际配置时，采用两只 PG50SX 型水下卤素灯配合水下摄像机使用， 消除照明死角，可以最大限度保证摄像机拍摄画面质量，通过可进行大面积照明和远距 离照明之间相互转换的特性， 在水下构筑物清刷检测机器人航行过程中可以选择远距离 照明，而清刷检测作业时则可以转换为大面积照明。图 2.19 PG50SX 型水下卤素灯图 2.20 HYTIC500 可旋转水下摄像机水下摄像机主要选择指标有清晰度、低感光度、体积小、重量轻、镜头可旋转（便 于航行和作业的转换） 。本文选择的 HYTIC500 可旋转水下摄像机（图 2.20）配备镜头 为 360°可旋转镜头， 并可 10 倍变焦， 在航行过程和作业过程中可根据需要实时调整拍 摄角度和焦距。 HYTIC500 摄像机最大工作水深 300 米， 解像度 480 线， 最低照度 0.2LUX。 本文采用两只 PG50SX 型水下卤素灯和 HYTIC500 型可旋转水下摄像机所搭建的检 测系统云台，在浑浊的水况下通过调节转换卤素灯和摄像机的工况，可较好的满足水下 构筑物清刷检测机器人的航行和作业要求。2.7 本章小结本章主要对水下构筑物清刷检测机器人类型进行了选型，确定了总体指标要求，对 框架结构进行设计和受力分析，对吸附方式和密封方式进行选择，对清刷机构进行结构 设计和驱动电机选型，对姿态、温度、湿度传感器和水下摄像头、照明灯等设备进行了 选型。22第三章 水下机器人推进系统设计第三章 水下机器人推进系统设计3.1 推进方式选择水下机器人推进方式有螺旋桨推进、喷水推进、磁流体推进、靠浮力变化进行的升 降推进、仿生鱼类推进、爬行机器人的机械行走推进方式等[3]。螺旋桨推进又可以分为 电机推进和液压马达推进，最常用的还是电机螺旋桨推进，电机螺旋桨推进具有结构简 单、价格便宜、经济性好、布置灵活、振动小、稳定性好、易调控等优点，而且不存在 液压马达螺旋桨推进会出现液压油泄露污染环境的问题。因此，80%以上水下机器人使 用电机螺旋桨推进方式，也是本文所选择采用的推进方式。3.2 推进器布置设计3.2.1 推进器布置注意事项 水下机器人推进系统的任务就是要实现水下机器人运动的可控性并能在水中保持 稳定姿态。水下机器人特别是开架式水下机器人推进器布置方式很多，根据不同的运动 设计要求和工作环境， 有不同的布置方式。 合理布置推进器， 具备性能良好的推进系统， 不仅可以满足机器人运动要求，便于运动控制，而且可以节省空间，达到最优化设计， 因此，在进行推进器布置时需要注意以下几点： ⑴尽可能使不同轴向推进器的合力都交汇与一点， 且这一点尽可能接近水下机器人 的重心，这样可以避免造成不必要的附加运动产生，便于水下机器人运动控制设计。 ⑵推进系统重量在水下机器人的重量中占的比重较大，因此，在满足运动控制要求 的基础上尽量减少推进器的数量，可以降低水下机器人的自重；另外，推进系统对水下 机器人的重心影响较大，因此，在布置推进器时要注意载荷的平衡分配，减少对机器人 平衡的不良影响。 ⑶螺旋桨的转动不仅可以产生轴向的推力，同时在切向产生扭矩，会传递给水下机 器人，造成水下机器人的额外附加有害运动，因此，在布置推进器时合理考虑，尽量抵 消这种不良影响，比如，在同一平面布置两个推进器时，可以选用转向相反的推进器。 ⑷布置推进器时尽量使其轴线平行于动坐标系，一方面，在平移运动中可以获得最 大的推力，另一方面，在选装运动中可以获得最大的扭矩。 3.2.2 推进器布置方案设计 综合考虑本课题所设计的水下清刷检测机器人应具有的进退、升降、摇首、俯仰和23河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究横倾 5 个自由度， 以及清刷检测作业时的背压吸附方式， 依据推进器布置时的注意事项， 本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人采用的推进器布置简图如图 3.1。图 3.1 推进器布置示意图通过推进器布置简图（图 3.1）可知，本文采用 6 只可正反转电动螺旋桨推进器， 其中水平方向布置 2 只推进器，垂直方向布置 4 只推进器。水平方向布置的两只推进器 可提供进退方向的推力和摇首时所需扭矩；垂直方向 4 只推进器，可提供垂直方向上升 降运动的推力和俯仰、横摇时所需的扭矩，同时，可提供水下构筑物清刷检测机器人进 行清刷检测作业时所需的吸附力。 因此本文所设计的推进器布置方案可以满足总体设计 要求。3.3 推进器设计在船舶推进系统设计中，我们通常根据对船速的要求来设计出最合适的螺旋桨，然 后由螺旋桨的转速及效率来决定主机的转速和功率。一般有两种方法[36]： 1.已知船速和有效功率，根据选定的螺旋桨直径来确定螺旋桨的最佳转速、效率、 螺距比和主机功率； 2.已知船速和有效功率，根据给定的螺旋桨转速来确定螺旋桨的最佳直径、效率、 螺距比和主机功率。 然而计算所得到的主机转速和功率往往与最初的决定不一致，因此，实际应用中，24第三章 水下机器人推进系统设计通常是根据所选定的主机来进行螺旋桨的设计， 选取螺旋桨最佳参数提高推进系统的效 率。这种通过主机来确定螺旋桨的方法也称为终结设计方法[ 37]。 由于螺旋桨的设计加工费用高昂、耗时较长，而且每种水下机器人的结构参数均不 同，形体阻力也就不同，所设计的螺旋桨不能通用，从研究开发效率和经济性上都不适 合采用上述方法。针对水下机器人的特点，本文对推进器设计思路为：根据水下机器人 运动速度要求，求得所需螺旋桨推力，选择适当合理的螺旋桨类型，根据螺旋桨推力要 求和相应螺旋桨特性曲线，求得螺旋桨直径和转速特性曲线，然后求得驱动电机参数， 并校核调整得出最后设计方案。 3.3.1 推进器设计理论基础 螺旋桨几个重要概念和参数： ⑴螺旋桨直径： 简称桨径。 螺旋桨旋转时叶稍所划过的圆形轨迹的直径， 用 D 表示。 ⑵盘面积：螺旋桨旋转时叶稍所划过的圆形轨迹的面积，用 A0 表示， A0 ? ⑶叶面积：螺旋桨叶片正面面积之和称为叶面积，用 A1 表示。 ⑷盘面比：螺旋桨叶面积 A1 与盘面积 A0 之比 A1 A0 ，称为盘面比。 ⑸左旋右旋：螺旋桨正车旋转时，由桨后看去逆时针旋转为左旋；顺时针旋转为右 旋。 ⑹螺距比： 螺旋桨螺距 P 与直径 D 之比 P D 称为螺距比。 如果螺旋桨不同半径处面 螺距 P 相同，则称为为定螺距桨；如果不同，则称为变螺距桨。定距桨的桨叶越靠近轴 心处桨叶角越大，离轴心越远桨叶角越小；变螺距桨螺距常用 0.7 R 或者 0.75 R （ R 为叶 稍划过圆的半径）处的面螺距代替螺旋桨螺距[38]。 ⑺进速：螺旋桨在水中前进速度，用 VA 表示。 ⑻进程：螺旋桨旋转一圈在轴线方向上所前进的距离，用 H 表示， H ? VA n ， n 为 螺旋桨转速。 ⑼进速比： 也称进速系数， 螺旋桨进程 H 与直径 D 的比值， 用 J 表示，J ? 进速比是描述螺旋桨性能的重要指标参数。 ⑽螺旋桨相似定律：当螺旋桨几何相似、运动相似和动力相似时，其受力也相似。 螺旋桨相似定律，给螺旋桨设计带来了方便，设计人员可以通过桨模在试验水池中进行 系列试验，将实验结果进行分析整理后汇成设计图谱，供设计人员使用。 ⑾螺旋桨推力：螺旋桨在水中运动时所产生的沿着轴向方向的力，用 T 表示。H VA ? ， D nD? D24。25河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究⑿螺旋桨转矩：电机传输给螺旋桨用以推动螺旋桨旋转的力矩，称为螺旋桨转矩， 用 Q 表示。 ⒀螺旋桨效率： 螺旋桨推力产生的功率与螺旋桨从电机吸收的功率的比值称为螺旋 桨效率，用?0 表示， ?0 ? 3.3.2 螺旋桨选型 螺旋桨的设计一直被认为是螺旋桨推进器设计中的重点和难点， 被各国海军舰艇研 究单位所重视，1989 年，Coney[39]提出了单桨和多桨推进系统的最佳径向环量分布法， 取得较好的设计效果，1991 年，Hughes[40]等人对带导管螺旋桨性能进行了系统的研究， 也取得较好的设计效果。目前螺旋桨桨叶的数量通常有 2~7 片桨叶，一般来说，桨叶数 量越少，相互干扰越小，效率越高，但振动越大；相比较而言，桨叶数量越多，效率越 低，但振动越小，而且奇数桨叶的振动又比偶数桨叶的振动要小，因此，本文设计的螺 旋桨选用 5 叶桨。 理论上讲，螺旋桨的叶面积越大则与水接触面越大，所做的功也就越大；然而叶面 积越大，一方面水流容易相互干扰，降低效率，另一方面叶片受力加大，对叶根处的应 力也就加大，给叶片选材带来限制。因此，选择适中的盘面比既可以兼顾螺旋桨所做的 功和效率，又可以给加工选材带来方便。 由螺旋桨推力计算公式 T ? KT ? n2 D4 （其中 KT 为螺旋桨推进系数， ? 为流体密度，TVA 。 2? nQn 为螺旋桨转速， D 为螺旋桨桨径）可知螺旋桨转速越高，推力越大，但是当螺旋桨超过最佳转速后，由于它转动时周围的水来不及流过来，会产生空泡现象，则降低了螺旋 桨的推力，所以在获得相同推力的情况下，应尽量降低螺旋桨的转速，由螺旋桨推力公 式 T ? KT ? n2 D4 还可以知道螺旋桨转速的平方与螺旋桨直径成反比关系，所以增大螺旋 桨直径 D 可以有效降低电机转速 n ，但是增大 D 一方面增大了推进器的布置空间，给推 进器布置造成困难，另一方面增大了螺旋桨桨叶的应力，给制造选材增加难度。因此， 选择合理的螺旋桨转速和直径配合，不仅可以提高螺旋桨的工作效率，也可以有效合理 布置推进器。 因此，通过对开架式水下机器人结构的分析和对螺旋桨的研究，本课题选取螺旋桨 为 5 叶定距桨， 盘面比为 0.65， 由螺旋桨相似定律可知其特性可参考 AU 5 ? 65KT , KQ ? J 特性曲线[36]（图 3.2） 。26第三章 水下机器人推进系统设计图 3.2AU5-65 KT、KQ-J 特性曲线3.3.3 驱动电机选型 以前， 水下机器人推进电机大都采用永磁直流电机， 随着高性能的第三代永磁材料、 半导体功率器件和专用控制集成电路的进展，永磁无刷直流电机的应用越来越广泛。永 磁无刷直流电机结构上电机主体和驱动器两部分组成， 因为采用晶体管换向电路代替传 统的电刷和换向器而得名。与永磁直流电机相比，永磁无刷直流电机具有体积小、重量 轻、响应快、寿命长、效率高、调速范围大、力矩稳定、控制容易实现智能化等优点。 由于这些优点，现在，越来越多的电急驱动水下机器人特别是 AUV 选用永磁无刷直流 电机作为驱动电机，因此，本文选择无刷永磁直流电机作为螺旋桨驱动电机。 3.3.4 螺旋桨及驱动电机参数的确定 根据螺旋桨在敞水试验中的水动力性能可知，螺旋桨推力 T 和转矩 Q 只与螺旋桨直 径 D 、转速 n 、进速 VA 、水的粘性系数 ? 、水的密度 ? 和重力加速度 g 相关。则可以用27河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究函数 T ? f1 ( D, n,VA , ? , ? , g ) 表示推力和各因素之间的关系；用函数 Q ? f2 (D, n,VA , ? , ? , g ) 表示转矩与各因素之间的关系。用量纲分析法即无因次分析法[36]推倒出：T ? KT ? n2 D4(3-1) (3-2)Q ? KQ ? n2 D5当转速不为零时，变换得：KT ? T ?n 2 D 4 Q ?n 2 D 5(3-3)KQ ?(3-4)式中： KT ――螺旋桨推力系数；KQ ――螺旋桨转矩系数。则螺旋桨效率?0 ?P TVA K ? n2 D4VA K V K J T ? ? T ? T? A ? T? 2 5 PD 2? nQ 2? nKQ ? n D KQ 2? nD KQ 2?(3-5)式中： P T ――螺旋桨功率；PD ――螺旋桨接受功率。由进速比 J ?H VA ? 可知 D nDVA ? JnD(3-6)水下机器人在水中以速度 V 航行时，附近的水受到水下机器人的影响而产生运动， 所以水下机器人在航行时周围总伴有一股水流，这股水流就称为伴流。假如水下机器人 航速为 V ，伴流速度为 u ，则水下机器人进速 VA ? V ? u 。伴流速度 u 与航速 V 的比值， 即伴流系数，用 ? 表示。则 V u V ? VA ?? ? ? 1? A V V V 换算得：（3-7）VA ? ( 1? ? V )（3-8）本课题所设计水下清刷检测机器人伴流参照各类船舶伴流系数[36]（表 3-1）中潜艇 的伴流系数，估算为 0.20。28第三章 水下机器人推进系统设计表 3-1 各类船舶伴流系数表：船舶类型 快速船和邮船 单桨商船 双桨商船 肥大型船 重型巡洋舰伴流系数 0.10~0.18 0.20~0.30 0.08~0.20 0.30~0.40 0.15~0.20船舶类型 轻型巡洋舰 大型驱逐舰 轻驱逐舰和护卫舰 潜艇 鱼雷艇伴流系数 0.035~0.10 0.00~0.10 0.00~0.03 0.10~0.25 0.00~0.04水下机器人在水中航行螺旋桨工作时，由于水流压力变化，会引起水下机器人附加 阻力，而水下机器人螺旋桨发出的推力 T 一部分克服航行阻力 F ，一部分克服附加阻力 ?F T ? F ? F ，则 T ? F ? ?F 。我们常用推力减额系数 t ? ? 来衡量，则有： T TF ? T( 1? t )（3-9）本课题所设计的水下构筑物清刷检测机器人推力减额系数参照各类船舶推力减额 系数[36]（表 3-2）中潜艇的推力减额系数，估算为 0.15。表 3-2 各类船舶推力减额系数表：船舶类型 快速船和邮船 单桨商船 双桨商船 肥大型船 重型巡洋舰推力减额系数 0.06~0.15 0.08~0.20 0.10~0.22 0.17~0.25 0.18~0.22船舶类型 轻型巡洋舰 大型驱逐舰 轻驱逐舰和护卫舰 潜艇 鱼雷艇推力减额系数 0.05~0.10 0.07~0.08 0.06~0.08 0.10~0.18 0.01~0.03将用于水下机器人航行的有效功率 PE 除以螺旋桨功率 P T 则得到水下机器人的结构 效率：?H ?PE FV 1 ? t ? ? ?1 . 0 6 2 5 P TVA 1 ? ? T（3-10）根据航行阻力计算公式[14 ]： 1 F ? CS ? SV 2 2 式中： CS ――阻力系数，本文取 0.8[41]；S ――水下机器人迎水面积。(3-11)水下机器人在水中运动空间上有三个方向上的平移运动， 可分为三个平移运动的迎29河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究水面积。 由于本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人只有进退和升降两个平移运动自 由度，因此，只对进退和升降运动时的迎水面积作研究。对本文所设计水下构筑物清刷 检测机器人估算得： 进退方向迎水面积： S jt ? 0.0882m2 ； 升降方向迎水面积： Ssj ? 0.4094m2 。 又本文设计最大航速为进退速度 2m/s；升降速度 1m/s。表 3-3 设计最大航速时阻力和功率估算表：运动方向 进退运动 升降运动最大速度(m/s) 1.5 0.8迎水面积(m2) 0.4航行阻力(N) 73.8 104.8有效功率(W) 110.7 83.8由表 3-3 可知，要满足设计最大航速的要求，则需在进退运动方向克服 73.8N 的航 行阻力；在升降运动方向克服 104.8N 的航行阻力。代入公式（3-9） 可求得： Tjt ? 86.8N ；Tsj ? 1 2 3 . N 3。因为本文设计的推进系统在水平方向布置 2 个推进器， 在垂直方向布置 4 个推进器， 所以： 在进退运动时每个推进器应提供的推力 T1 ?T jt 2 Tsj 4 ? 43.4 N ；在升降运动时每个推进器应提供的推力 T2 ?? 30.8 N 。由公式（3-3） 、 （3-4）可知：要求得螺旋桨推力系数 KT 和转矩系数 KQ ，还需知道 螺旋桨转速 n 和直径 D ； 而进速比 J ?VA ，其中进速 VA 可由公式（3-8）求得： nD水平方向螺旋桨进速 VA1 ? V1 (1 ? ?) ? 1.2m / s ； 垂直方向螺旋桨进速 VA2 ? V2 (1 ? ?) ? 0.64m / s 。 所以，螺旋桨转速 n 和直径 D 与进速比 J 相关。又由 AU 5 ? 65KT , KQ ? J 特性曲线 图可知：当螺距比确定时，可查得与进速比 J 相对应的推力系数 KT 、转矩系数 KQ 和螺30第三章 水下机器人推进系统设计旋桨效率?0 ，因而对于任意不同的进速比 J 都可以通过由公式（3-1）和（3-3）组成的 方程组求得一组与之相对应的螺旋桨转速 n 和直径 D 。 本文先取一组进速比 J 为 0.2、0.4 和 0.6 分别与螺距比为 0.4、0.6、0.8 相对应，此时螺 旋桨效率?0 均接近各自螺距比的最高值， 且均高于其他螺距比的值， 对水平方向推进器 螺旋桨参数分析如下：表 3-4 不同进速比和螺距比下参数对比表进速比 0.2 0.4 0.6螺距比 0.4 0.6 0.8推进系数 0.1 0.13 0.15螺旋桨转速 54.60 15.58 7.44螺旋桨直径 0.109 0.193 0.269由表 3-4 可知，当进速比 J 选择 0.2 时，所求得的螺旋桨直径 D 比较接近本文所设 计的水下构筑物清刷检测机器人的尺寸要求，此时效率最高的螺距比为 0.4，又由图 3.2 可知进速比 J 小于 0.3 时， 螺距比为 0.4 的螺旋桨效率要高于其他螺距比的螺旋桨效率。 因此，本文所设计选择的螺旋桨螺距比为 0.4。表 3-5 螺距比为 0.4 的螺旋桨不同进速比下参数对照表进速比 J 推进系数 KT 转矩系数 KQ 螺旋桨效率η00.10 0.130 0. 249.22 0.048 84.50 0.0760.15 0.120 0.012 0.26 106.42 0.075 35.99 0.1190.20 0.100 0. 54.65 0.110 18.45 0.1730.25 0.085 0.010 0.38 32.24 0.140 10.89 0.2350.30 0.070 0.009 0.41 20.32 0.197 6.84 0.311水平方向螺旋桨转速 n1 水平方向螺旋桨直径 D1 垂直方向螺旋桨转速 n2 垂直方向螺旋桨直径 D2表 3-5 中推力系数 KT 、转矩系数 KQ 和螺旋桨效率?0 由图 3-2 查得；水平方向螺旋 桨转速 n1 、 水平方向螺旋桨直径 D1 、 垂直方向螺旋桨转速 n2 和垂直方向螺旋桨直径 D2 通 过计算得到。 通过表 3-5 可绘出螺旋桨效率与直径的关系图（图 3.3、3.4）以及螺旋桨转速与直 径的关系图（图 3.5、3.6） ，由图 3.3、3.4 可以看出，螺旋桨效率随着螺旋桨直径增大而 提高，因而我们在选择螺旋桨时，应在空间允许的情况下尽量选择直径较大的螺旋桨， 本文选取螺旋桨直径均为 120mm，即 D1 ? D2 ? 0.12m 。31河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究图 3.3 水平方向推进器螺旋桨 直径与效率关系曲线图 3.4 垂直方向推进器螺旋桨 直径与效率关系曲线图 3.5 水平方向推进器螺旋桨转速与直径关系曲线图由图 3.5 可查得，螺旋桨直径 D1 ? 120mm 所对应的螺旋桨转速 n1 ? 47r / s ，代入J? VA 可求得此时进速比 J1 ? 0.21，查图 3-2 可知推进系数 KT1 ? 0.095 ，转矩系数 nD32第三章 水下机器人推进系统设计、 （3-2）可得： KQ1 ? 0.011 ，螺旋桨效率?0 ? 0.33 ，将上述参数代入公式（3-1）T1' ? KT 1 ?n12 D14 ? 43.5N Q1' ? KQ1 ?n12 D15 ? 0.585N ? m?0 ?'T1'VA1 2? n1Q1'? 0.32又 T1 ? 43.4N ； ?0 ? 0.33 。考虑到计算过程中存在不可避免的误差，包括曲线图中 的误差和有效数字舍去误差，所以可以认为 T1 ' T1 ；?0'?0 。因而，可以认为本文在螺旋桨转速 n 和直径 D 的设计过程中，所采用的方法是合理有效并准确的。 所以，水平方向推进器螺旋桨所受到的电机传递的功率PD1 ? 2? n1Q1' ? 156.5W又直流无刷电机效率?S 可估算为 0.90[42]，则驱动电机所需功率PS 1 ?PD1?S? 173.9W图 3.6 垂直方向推进器螺旋桨转速与直径关系曲线图同理，由图 3.6 可确定 n2 ? 36r / s ；通过查图和计算可求得： 垂直方向推进器所需驱动电机功率 PS2 ? 89.4W 。33河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究又因为本文水下设备电源电压为 24DCV，便于对驱动电机选型，所以本文初步选 择驱动电机参数为： 水平布置推进器驱动电机功率：200W； 电压：24DCV； 转速：3000rpm； 垂直布置推进器驱动电机功率：100W； 电压：24DCV； 转速：2200rpm。 由于所选的电机转速与设计转速略大，功率也略大，现主要验证功率与转速匹配问 题， 又因为参数变化较小， 因此推进系数变化忽略不计， 将所选转速代入上面计算过程， 可求得：水平布置推进器所需驱动电机功率为 196.3W；垂直布置推进器所需驱动电机 功率为 94.4W。 考虑到计算过程中的误差以及给驱动电机预留一定的储备功率， 且所选电机额定功 率均大于计算所求得的需要值，所以可以认为所选驱动电机参数是合理的。因此，本文 推进器设计最终参数如下：表 3-6 推进器设计参数表：参数名称 螺旋桨类型 螺旋桨桨叶数 螺旋桨盘面比 螺旋桨螺距比 螺旋桨直径（m） 驱动电机类型 驱动电机额定功率（W） 驱动电机额定电压(DCV) 驱动电机额定转速(rpm)水平布置推进器 AU 标准定距桨 5 0.65 0.4 0.12 无刷直流电机 200 24 3000垂直布置推进器 AU 标准定距桨 5 0.65 0.4 0.12 无刷直流电机 100 24 22003.4 本章小结本章主要进行了水下构筑物推进系统的设计，主要包括推进器的选择、推进器布置 设计和推进器设计。 针对水下机器人的特点， 在推进器设计过程中， 提出了一种新方法： 即采用根据机器人总体设计要求和现有螺旋桨相关参数和特性， 综合考虑了机器人结构 尺寸、重量负载等因素，通过螺旋桨的设计理论，求得螺旋桨转速和直径，从而推算出 驱动电机所需的功率，再进行设计参数调整校核的方法，完成推进系统设计。34第四章 水下机器人整体结构设计第四章 水下机器人整体结构设计4.1 整体结构设计注意事项本文在第二章和第三章对水下构筑物清刷检测机器人水下设备的主要子系统和设 备进行了具体的设计和选型，本章主要对整体结构进行设计研究。对于开架式水下机器 人来说，其结构设计其实就是将各个设备合理安装到所设计的机器人框架中去。然而， 所设计的水下机器人整体结构设计的是否合理，受力是否平衡，会直接影响水下机器人 的控制系统设计，因而水下机器人整体结构设计也是水下机器人设计的重点之一。结合 本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人实际，在整体结构设计过程中需注意以下四 点： 首先，确保浮力与重力大小间的平衡关系，最好浮力略大于重力。设计浮力略大于 重力可以保证当水下机器人在水下由于碰撞损坏或者设备故障而无法提供上浮动力时， 能够自主上浮出水面，便于寻找收回，避免遗失而造成的损失。因此，浮力略大于重力 的设计是水下无缆机器人结构设计的生命线， 也是水下有缆机器人应该考虑的结构设计 问题。 第二，先假设水下机器人框架结构是完全对称的，则可取机器人顶面几何中心为原 点 O ，向前方向为 x 轴，向右方向为 y 轴，向下方向为 z 轴建立 O ? xyz 坐标系。则在结 构设计中应尽可能使浮心和重心都位于 z 轴上，且浮心高于重心。浮心和重心位于 z 轴 上，可以给运动受力分析和控制系统设计带来方便；浮心高于重心可以使机器人在水中 具有一定的自稳定调节能力[43]，即机器人在受到外界干扰偏离稳定状态后，不再施加外 力的情况回复原始稳定状态的能力。 第三，水下机器人在 O ? yz 平面的投影面积的形心应尽可能位于 z 轴上，水平布置 的推进器轴心应与该形心在同一平面， 且在允许的情况下两个推进器间的间距应尽可能 大。这样设计首先可以避免在进退航行过程中造成不必要的俯仰偏差（详见 4.2 节） ；其 次，可以减小螺旋桨相互间的干扰，提高螺旋桨效率；另外还可以在摇首运动时，增大 推进器所提供的转矩。 第四，水下机器人在 O ? xy 平面的投影面积的形心应尽可能位于原点 O 上，垂直布 置的四个推进器应布置于 x 轴和 y 轴上，且在允许的情况下左、右和前、后推进器间的 间距应尽可能大。这样设计理由类比第三点。35河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究4.2 整体结构设计4.2.1 密封舱及浮力块的布置设计 本文所设计的密封舱外部形状为 400mm*200mm 的圆柱体，属于轴对称形状，其形 心位于对称轴的中央。由于密封舱是浮力提供主要部件，综合整体结构设计要点，将密 封舱通过固定装置固定在框架内侧略靠上方位置，并使其形心位于 Z 轴上（参照 4.1 节 定义的 O ? xyz 坐标系） 。 浮力块是专门为重力和浮力之间的平衡而设计的， 材料通常要具有密度小， 强度大， 在一定压力下不变形， 在水中不吸水等性能， 形状可根据机器人结构布置需要任意设置。 国产 PP（聚丙烯）工程塑料板密度为 0.91g/cm3，具有化学稳定性好，轻度刚度硬度较 高，吸湿性小等特性，因而本文选用 PP 板为机器人浮力块材料，但由于 PP 板的密度接 近水的密度，直接使用时作用并不明显，为此，本文设计的浮力块为中空式浮力块，且 为了保证在水下不变形，中间设置了加强格板，形状为长方体。在浮力块布置过程中， 采用四块浮力块的方式，根据结构设计需要布置于框架内侧上方四周，呈对称布置。 4.2.2 水平布置推进器的布置设计 由于水下机器人航行过程中，在速度不变的情况下，其航行阻力与水下机器人在该 航行方向上的投影面积成正比，该投影面积又由多个部件的投影面积组成，因而此时航 行阻力即可由各个部件的阻力合力所代替， 其合力作用点可近似看作为该投影面积的形 心[44]。而在进行推进器布置时，需要推力的合力作用点与相对应的投影面积的形心应当 重合，否则会对水下机器人产生不需要的扭矩，造成水下机器人附加的运动，给机器人 控制系统设计带来麻烦。所以我们在进行推进器布置设计时，需要先确定水下机器人在 该运动该向上的投影面积形心位置。其计算公式如下：n ? S Ji xi ? ? i ?1 ? AJ x ? SJ ? ? n ? S Ji y i ? ? i ?1 ? AJ y ? SJ ? n ? ? ? S Ji z i ? A ? i ?1 ? Jz SJ ? ?（4-1）式中： J 表示方向，分别为 x 、 y 、 z ；36第四章 水下机器人整体结构设计S J 为在 J 方向的投影面积，由 n 个部件的投影面积 S Ji 组成；AJ x 、 AJ y 、 AJ z 分别为所有部件在 x 轴、 y 轴、 z 轴上的投影形心坐标。则可确定： ； x 轴方向上投影面积形心为（ AJ y ， AJ z ）y 轴方向上投影面积形心为（ AJ x ， AJ z ） ；。 z 轴方向上投影面积形心为（ AJ x ， AJ y ） 由于本文未设计侧向推进装置，因而不作考虑；又由于设备安装时，均沿 x 轴轴对 称安装，且近似为 y 轴轴对称安装，所以在 O ? xy 平面投影形心接近于原点 O ，垂直布 置推进器相对于原点 O 对称，因而对垂直布置推进不再深入研究。因此，主要考虑水平 布置推进器的具体位置，经计算，求得本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人在 x 轴 方向上投影面积形心为（0,0.258） ，水平布置推进器具体对称布置在框架结构后方两侧， 距上表面约 258mm 处。 4.2.3 整体结构设计 经综合研究，本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人结构示意图如下：图 4.1 整体结构示意图（右侧后视图）37河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究图 4.2 整体结构示意图（右侧前视图）由图 4.1 和图 4.2 所示可知，水下构筑物清刷检测机器人水下设备主要有：水平布 置推进器 2 只，垂直布置推进器 4 只，密封舱 1 个，浮力块 4 个，清刷机构 4 组，万向 轮 4 只，水下摄像头和照明灯组合 1 组。其中，水下摄像头布置于机器人前上方位置， 万向轮布置于机器人底部四角处。整体结构设计比较合理，满足本文设计要求。4.3 重心与浮心的计算与校核4.3.1 重心的计算 由理论力学可知，物体因受到地心引力而产生的方向向下的力即为重力，重力的作 用点即为重心。由于在一个相对小的空间内，可以认为空间内重力加速度处处相等，所 以重心与质心相重合。因而对于水下机器人，可以通过求其质心的方法求得其重心。 参照 4.1 节定义的 O ? xyz 坐标系， 本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人的重心 坐标为 ( xG , yG , zG ) 。38第四章 水下机器人整体结构设计n n ? m x mi xi ? ? i i ? i ?1 i ?1 ? xG ? n ? MG ? mi ? ? i ? n n ? mi yi ? mi yi ? ? ? i ?1 ? i ?1 ? yG ? n MG ? mi ? ? i ? n n ? m z mi zi ? ? i i ? i ?1 i ?1 ? ? zG ? n MG ? mi ? ? i ?（4-2）2 3……n ； 式中： i ――表示自然数， i ? 1、、n ――表示水下机器人所包含设备部件数量；mi ――表示第 i 个设备部件的质量； xi、yi、zi ――表示第 i 个设备部件重心在 x 、 y 、 z 轴上的分量； M G ――表示水下机器人总质量。由式（4-2）可知，要求得水下机器人重心（质心）位置坐标，只要知道各设备部 件的质量和质心位置坐标即可，对于材料单一的设备部件，求其质心位置比较容易，然 而水下机器人有些设备部件由不同材料组成， 因此我们需要对这些设备部件不同材质的 部分，分开求得其质心位置，并单独作为一个设备部件代入到式（4-2） ，从而求得水下 机器人的质心即重心位置。 由图 4.1、4.2 可知，本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人的整体结构左右几乎 完全对称，因而，重心在 y 轴上的坐标可近似等于 0，不作计算。经计算，求得该水下 机器人重心（质心）的位置坐标参数的理论设计值为：? xG ? 0.0017 ? ? yG ? 0 ? z ? 0.2782 ? G4.3.2 浮心的计算 浮心对于水下机器人而言，可理解为水下机器人在水中体积所排开的水的重心，由 于水的密度在一定空间可以认为是不变的， 所以浮心又可以理解为水下机器人体积的形 心[36]。 因而，参照 4.1 节定义的 O ? xyz 坐标系，本文所设计的水下构筑物清刷检测机器人39河海大学工学硕士论文水下构筑清刷检测机器人的系统研究的浮心（形心）坐标为 ( xB , yB , zB ) 。n n ? v x vi xi ? ? i i ? i ?1 i }