水下作业机器人

目录
丛书前言一
丛书前言二
前言
1 绪论 1
1.1 遥控水下机器人的定义与发展 1
1.1.1 遥控水下机器人的定义 1
1.1.2 遥控水下机器人的发展 2
1.2 遥控水下机器人的分类 4
1.3 遥控水下机器人国内外发展现状 6
1.3.1 国外4500m以浅遥控水下机器人发展现状 6
1.3.2 国外6000m以深遥控水下机器人发展现状 8
1.3.3 国内深海遥控水下机器人发展现状 12
1.3.4 新型遥控水下机器人发展现状 13
1.4 本章小结 14
参考文献 14
2 遥控水下机器人数学建模 17
2.1 遥控水下机器人建模方法与意义 17
2.2 遥控水下机器人运动学建模 18
2.2.1 坐标系和参数 18
2.2.2 空间运动的一般方程 22
2.3 遥控水下机器人动力学建模 27
2.3.1 坐标变换 27
2.3.2 遥控水下机器人动力学模型 29
2.3.3 遥控水下机器人动力学参数项 30
2.4 本章小结 45
参考文献 45
3 遥控水下机器人作业需求 46
3.1 石油平台建设与维护 46
3.1.1 现场勘测 47
3.1.2 底质确认 47
3.1.3 辅助安装 47
3.1.4 检测、维护与维修 48
3.2 打捞作业 51
3.2.1 水下援救打捞 52
3.2.2 飞机黑匣子打捞 53
3.2.3 鱼雷与打捞 54
3.2.4 水下考古打捞 54
3.2.5 其他水下打捞作业 55
3.3 深海科考作业 56
3.3.1 世界典型深海科考ROV系统 56
3.3.2 深海科考ROV系统典型作业 57
3.4 本章小结 63
参考文献 64
4 遥控水下机器人作业工具 66
4.1 遥控水下机器人作业工具概述 66
4.1.1 水下液压机械手 66
4.1.2 水下电动机械手 71
4.1.3 水下专用作业工具 73
4.2 七功能主从伺服液压机械手系统 74
4.2.1 技术参数 74
4.2.2 系统组成 74
4.2.3 操作主手及水面控制盒 75
4.2.4 从手本体 76
4.2.5 液压系统 76
4.2.6 主从伺服控制系统 77
4.2.7 样机实物 80
4.2.8 压力试验 81
4.2.9 海上试验 81
4.3 六功能主从开关液压机械手系统 85
4.3.1 技术参数 85
4.3.2 系统组成 85
4.3.3 水面控制盒 86
4.3.4 机械手本体 86
4.3.5 机械手液压系统原理图 87
4.3.6 机械手硬件组成 87
4.3.7 机械手系统样机 88
4.4 五功能深海电动机械手系统 89
4.4.1 技术参数 89
4.4.2 机械手整体结构 89
4.4.3 机械手控制系统 90
4.4.4 机械手综合实验 90
4.5 全海深七功能主从伺服电动机械手系统 93
4.5.1 技术参数 94
4.5.2 系统组成 94
4.5.3 操作主手及水面控制盒 95
4.5.4 从手 95
4.5.5 主从伺服控制系统 96
4.5.6 七功能深海电动机械手试验及应用 98
4.6 水下专用作业工具 101
4.6.1 面向石油平台的专用作业工具 101
4.6.2 水下打捞专用作业工具 102
4.6.3 深海科考专用作业工具 104
4.7 本章小结 107
参考文献 107
5 1000m遥控水下机器人案例 109
5.1 “海星1000”ROV系统概述 109
5.2 “海星1000”ROV系统组成 110
5.2.1 “海星1000”ROV水下载体及作业工具 112
5.2.2 “海星1000”ROV中继器系统 115
5.2.3 “海星1000”ROV控制系统 116
5.2.4 “海星1000”ROV收放系统 120
5.2.5 “海星1000”ROV动力分配系统 121
5.3 本章小结 122
6 6000m遥控水下机器人案例 123
6.1 “海星6000”ROV系统概述 123
6.2 “海星6000”ROV系统组成 123
6.2.1 “海星6000”ROV水下载体系统 124
6.2.2 “海星6000”ROV控制系统硬件 127
6.2.3 “海星6000”ROV控制系统软件 130
6.2.4 “海星6000”ROV水面收放系统 131
6.3 “海星6000”ROV科考作业案例 132
6.3.1 2017年综合海试 132
6.3.2 2018年综合科考应用 134
6.4 本章小结 137
索引 139
彩图

1 绪论
　　1.1 遥控水下机器人的定义与发展
　　1.1.1 遥控水下机器人的定义
　　遥控水下机器人也称遥控潜水器(ROV)，具有高机动性，因样式繁多，目前世界上还没有相关机构给出其标准定义。ROV本体通过脐带缆与水面控制台相连接，水面控制台通过脐带缆向ROV本体传输动力、控制信号等，ROV本体也通过脐带缆向控制台传回视频、图像信息以及传感器采集到的数据[1]。
　　根据配置不同，ROV系统可分为有中继器与无中继器两种模式。无中继器的ROV系统(图1.1)主要由ROV本体、脐带缆、水面收放系统、控制系统的水面单元和动力分配单元等组成，其布放主要通过甲板绞车牵引主脐带缆吊放，作业范围取决于脐带缆挂载浮球数[2]。
　　图1.1 无中继器的ROV系统
　　对于含有系缆管理系统(tether management systems，TMS，常称为中继器)的ROV系统，TMS用于储存和收放ROV系缆。为了保持ROV本体在水下具有良好的动作灵活性、运动平稳性和操控性，消除或减小水面的扰动对ROV的影响，并增大ROV本体的作业半径，传统ROV系统一般在ROV本体与甲板吊放系统之间设置中继器[3]。有中继器的ROV系统(图1.2)主要由控制系统的水面单元和动力分配单元、水面收放系统、脐带缆、中继器和ROV本体五个部分组成。有中继器的ROV系统在小范围作业的操纵性好，但是中继器与ROV本体水下分离和对接时具有一定难度。
　　图1.2 有中继器的ROV系统
　　ROV系统**的特点就是能在大深度和危险的环境中完成高强度、大负荷的作业，且水下工作时间长、操作方便。因此，ROV系统应用范围非常广泛，在深海作业中有着不可替代的作用，包括海洋资源调查、海底地貌地形绘制、海洋环境监测、海底管道的铺设和检修、海底石油和天然气的开采、海洋平台的检测维修、援潜救生，以及深海海底观测组网设备的布放、安装、连接、维护/维修等[4]。
　　1.1.2 遥控水下机器人的发展
　　ROV是*早得到研究和开发的一类水下机器人，其发展历程大致可分为以下三个阶段。
　　1.**阶段
　　1953～1974年是ROV发展的**阶段，主要经历了从无到有及早期开发研制阶段。
　　被普遍认可的世界上**台ROV是1953年由Dimitri Rebikoff设计开发的“Poodle”(图1.3)，开启了ROV的研究篇章，是ROV发展史上的重要开端[5]。1965年，美国军方研制出了缆控水下回收潜水器(cable-controlled underwater recovery vehicle，CURV)(图1.4)，并于1966年在西班牙外海用它打捞出一枚曾丢失在海里的氢弹，引起了世界的广泛关注，它是世界上*早的实用型ROV[6]。1973年，CURV-III在爱尔兰海面水深480m处，成功地把缆绳系在沉没的载人潜水器PISCES-III上，并救出两名潜航员[7]。
　　图1.3 世界上**台ROV
　　图1.4 世界上*早的实用型ROV—CURV
　　2.第二阶段
　　1975～1985年是ROV发展的第二阶段，也是ROV的迅速发展时期。20世纪70～80年代，石油危机促使海底石油开发技术急速发展，对深海作业工具的迫切需求促进了ROV技术的高速发展。1975年，Hydro Production公司研发了**台商业化的ROV—RCV-125(图1.5)，其主要任务是进行水下管道的连接和水下钻井[8]。20世纪80年代中期，石油价格下滑和全球经济衰退，导致ROV技术发展停滞。但随后ROV的发展又有了快速回升，至20世纪80年代后期，ROV的制造厂商已有20多家，总体上形成了庞大的ROV产业。此后，ROV行业技术步伐加快，在许多领域都有应用[9]。
　　图1.5 世界上**台商业化ROV—RCV-125(左)
　　3.第三阶段
　　从1986年至今是ROV发展的第三阶段，世界各国相继开展了对大深度ROV的技术研究或产品开发，ROV的发展进入了一个新的时期。
　　20世纪80年代以来，美国、法国、英国、日本、加拿大、挪威等国都建成了ROV研究机构或实验室，加快了ROV的技术革新步伐。值得一提的是日本海洋科学技术中心(Japan Marine Science and Technology Center，JAMSTEC)研制的KAIKO(海沟号)ROV(图1.6)，于1995年在马里亚纳海沟下潜到10911m，创造了无人潜水器的*深下潜纪录[10-11]。我国ROV的研发工作也紧跟国际发展，国内从事ROV研究开发的科研机构主要有中国科学院沈阳自动化研究所、上海交通大学、哈尔滨工程大学等。中国科学院沈阳自动化研究所研制的“海星6000”ROV(图1.7)，于2017年在南海完成下潜，是国内首台6000m级ROV[12]。
　　图1.6 KAIKO ROV
　　图1.7 “海星6000”ROV
　　1.2 遥控水下机器人的分类
　　为了应对海洋调查的任务多样性以及水下作业的多样性，不同构造、面向不同作业任务的ROV被研制出来。根据大小和特性，ROV可分为以下四类[8]。
　　1.观测型ROV
　　观测型ROV(图1.8)主要用于海底资源探测、电缆检查等[13]。观测型ROV通常较小，一般重量在100kg以内；工作深度一般不大于300m，多用于执行浅水任务。有些观测型ROV配有液压剪、轻小型机械手等作业工具，图1.9中的ROV配有单功能机械手，但作业能力有限，主要任务仍是观测[14]。
　　图1.8 观测型ROV
　　图1.9 带械手的观测型ROV
　　2.中型ROV
　　中型ROV的重量为100～1000kg不等，它们能够在更长的脐带缆牵引下实现更深的深度，可以说是观测型ROV的加深版。有的中型ROV(图1.10)配有液压驱动的工具包、机械手等作业工具，能进行中等负载水下作业[8]。由于其重量的加大，通常需要配置中继器。
　　3.作业型ROV
　　作业型ROV主要用于石油工程、深海资源探测开发、深海科考等。与中型ROV相比，作业型ROV体型更大，为了更好地完成作业，其既有观测型ROV的功能，如配备了光源、摄像机、声呐、传感器等设备，又有作业功能，如安装了多功能机械手。研发初期，作业型ROV主要用于海底石油开采，受制于石油初期开采的深度限制，作业型ROV的工作深度并不大。但随着技术的发展，相继出现了多种大深度的作业型ROV。图1.11为美国伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution，WHOI)研发的Jason II号作业型ROV，工作深度可达6500m[15-16]。
　　图1.10 中型Sea Trepid Comanche ROV
　　图1.11 Jason II号作业型ROV
　　4.特殊用途的ROV
　　浮游式ROV可用于水下观测和作业，而其他特殊用途的非浮游式ROV包括履带/浮游混合式、履带式等形式。
　　履带/浮游混合式ROV多用于水下喷水挖掘、埋缆与电缆维护，具有浮游和履带爬行两种运动模式，现有成熟产品中，比较典型的有意大利Saipem(Sonsub)公司的Centaur ROV(图1.12)[17]，英国Perry Slingsby Systems公司的TRITON系列埋缆ROV以及Canyon公司I-trencher系列ROV。
　　履带式ROV的研究主要集中在海底矿物的开采设备上。海底作业车基本上采用履带车方式。加拿大矿业公司提出将在巴布亚新几内亚采用履带式海底集矿机(图1.13)作为多金属硫化物的开采作业车[18]。
　　图1.12 Centaur ROV
　　图1.13 履带式海底集矿机样机
　　1.3 遥控水下机器人国内外发展现状
　　1.3.1 国外4500m以浅遥控水下机器人发展现状
　　早期浅水区域一般由潜水员完成作业，随着深度的增大，出现了潜水员、载人潜水器和ROV三者并存的局面。20世纪70年代后期，ROV成为水下作业的主要工具，此时出现了大批的ROV制造厂商，到80年代后期已有20多家。与此同时还出现了专门生产ROV推进器、水下照明灯、机械手等配套设备的企业，形成了ROV产业链。目前ROV的型号已有百余种，全世界已有几百家厂商提供各种ROV、ROV零部件以及ROV服务等。表1.1为国外几家观测型ROV的代表厂商及其产品。

《遥控水下机器人及作业技术》介绍遥控水下机器人的发展历程和现状、运动学和动力学建模基础知识，分析其在海洋工程、打捞和科考作业等领域的作业需求和应用，针对遥控水下机器人强作业特点重点介绍遥控水下机器人常用作业工具机械手和部分专用作业工具，*后通过实例对两型遥控水下机器人系统进行较的描述。

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