王瑩瑩+苗亮澤+蔣凱+王宇

摘要：在目前海洋無人智能監(jiān)測系統(tǒng)中，無人工程船相對于其他無人智能平臺具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。由于水下環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以USV為主體，添加ROV輔助監(jiān)測取樣的系統(tǒng)。本文利用三維建模，并進(jìn)行有限元分析及運(yùn)動分析構(gòu)建聯(lián)合型的海洋智能監(jiān)測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：海洋監(jiān)測;無人水面艇;水下機(jī)器人

中圖分類號：G642 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）07-0065-02

隨著對海洋資源的持續(xù)開發(fā)利用，海洋科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)也快速發(fā)展。海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)作為海洋科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，為海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境監(jiān)測、資源探測、海洋災(zāi)害預(yù)警提供全面的、多層次的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)，對海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋環(huán)境保護(hù)、保護(hù)人類生命財(cái)產(chǎn)安全也具有非常重要的意義。海洋監(jiān)測系統(tǒng)是海洋監(jiān)測技術(shù)的重要組成部分，它主要由海洋臺站、海洋監(jiān)測浮標(biāo)、海洋衛(wèi)星和海洋測報(bào)船等組成。我國海洋監(jiān)測的方式按照海洋監(jiān)測系統(tǒng)的組成主要分為三類：近岸固定臺站式觀測，主要是連續(xù)監(jiān)測海岸帶的海浪、海溫、潮汐、風(fēng)暴潮以及海洋氣象等海洋現(xiàn)象;對于300平方千米的大區(qū)域海洋監(jiān)測采用的是投放海洋觀測浮標(biāo)的方式，以獲取氣象數(shù)據(jù)和海洋表層水文數(shù)據(jù)。目前海洋無人智能監(jiān)測平臺的種類主要有：水下遙控機(jī)器人（ROV）、無人水下自主航行器（AUV）、無人自主表面船（USV）等，其中無人船相對于其他的無人智能平臺有其獨(dú)特的優(yōu)勢，無人船工作于海表面，它可以通過無線電波與其他系統(tǒng)進(jìn)行長距離通信，擴(kuò)大其工作范圍;搭載不同的傳感器它可以完成對大氣、海表面以及深層海水的觀測。本作品利用是以USV為主體，在其裝備上添加一個(gè)獨(dú)立自主的ROV模塊，使其實(shí)現(xiàn)海洋無人智能監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)海下取樣工作。

一、總體設(shè)計(jì)

此海洋監(jiān)測系統(tǒng)，主要由無人水面艇外加一個(gè)輔助的ROV構(gòu)成。USV采用骨架式船殼制作模式，并設(shè)置壓載水艙與密封艙，在保證船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與調(diào)整航行性能的同時(shí)，也提高航行器的抗沉性。ROV則由板架結(jié)構(gòu)構(gòu)成主要框架，亞克力，尼龍形成密閉的防水艙，兩個(gè)水平推進(jìn)器，兩個(gè)沉浮推進(jìn)器增加廣度和深度。

其總體性能如下所示：

二、模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制：USV的控制主要采用Radeon 637C控制板與433增程模塊組合進(jìn)行控制程序的自主設(shè)計(jì)，其可將水面無線控制的距離由1.5km提升至8km以上。將arkbird AAT與5.8G聲像傳輸系統(tǒng)相配套使用以提高圖傳傳輸距離與傳輸質(zhì)量。使用Mission Planner地面站與3DR數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與記錄，并進(jìn)行航線規(guī)劃與實(shí)時(shí)航態(tài)的監(jiān)測。利用較為成熟且開源的APM控制技術(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的自主設(shè)計(jì)，并引入衛(wèi)星導(dǎo)航、航線規(guī)劃、3DR實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與記錄等技術(shù)，以獲取該USV在不同船型系數(shù)下的航行數(shù)據(jù)進(jìn)而對其進(jìn)行分析。ROV主要采用單片機(jī)控制，上下位機(jī)進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，以作為水面和水下信息的溝通媒介。視頻設(shè)計(jì)：將5.8G圖傳、OSD、SJ400攝像頭、視頻切換器進(jìn)行整合，得到高質(zhì)量的光學(xué)圖像信息，以便于實(shí)時(shí)了解與控制該USV的航行狀態(tài)。將控制所使用的2.4G頻率通過433增程進(jìn)行降頻與信號強(qiáng)化處理，使得該船只的遠(yuǎn)程控制得以實(shí)現(xiàn)，即超視距控制。作業(yè)設(shè)計(jì)：該系統(tǒng)的雙體USV采用了骨架式船殼制作模式，并設(shè)置了壓載水艙與密封艙，在保證了船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與調(diào)整航行性能的同時(shí)，也提高了航行器的抗沉性。穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)使其能夠裝載更多精密的儀器對海洋進(jìn)行探測。在USV中加載了地點(diǎn)警報(bào)與緊急返航裝置，利用3DR數(shù)據(jù)鏈與OSD實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，可監(jiān)測USV主蓄電池的電量，當(dāng)?shù)碗娋瘓?bào)時(shí)候可通過緊急切換開關(guān)啟動備用電源，將船只開回，以免發(fā)生事故。ROV系統(tǒng)的電動機(jī)械手采用減速電機(jī)作動力，通過齒輪螺桿傳動來完成夾持動作。氣動式和電動式的都是自帶動力的，氣動式的需要?dú)庠矗仨氁锌諌簷C(jī)或者有空壓機(jī)站供給氣源，可以在有瓦斯氣體等危險(xiǎn)氣體場合使用。電動式機(jī)械手需要電源，但不需要?dú)庠吹龋绕饸鈩訖C(jī)械手使用更加方便、省力。機(jī)械爪采用雙曲柄的平行四邊形機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)的對邊長度相等，組成平行四邊形，整個(gè)轉(zhuǎn)動副均為整轉(zhuǎn)副。當(dāng)桿1作等角速轉(zhuǎn)動時(shí)，桿2也以相同角速度同向轉(zhuǎn)動，連桿3則作平移運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的張合。

在必要的時(shí)候，ROV借載在USV上，通過USV的衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行路徑規(guī)劃，以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)。二者通過各自的控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)配合運(yùn)作。借助機(jī)械手的夾持及USV下放有纜掛鉤完成打撈和深水探測的目的。通過控制機(jī)械手開合，可以實(shí)現(xiàn)水下抓取，采集樣本、打撈和輔助管道鋪設(shè)等任務(wù)。機(jī)械手通過纜線與下位機(jī)相連，通過上位機(jī)的電位器可以控制機(jī)械手的張合，還能調(diào)節(jié)張合的速度快慢。

三、功能應(yīng)用

本系統(tǒng)定位于聯(lián)合作業(yè)，強(qiáng)調(diào)了USV與ROV的聯(lián)合作業(yè)，將二者優(yōu)勢有機(jī)結(jié)合，可進(jìn)行水下沉底物打撈與定位、水面水下固定巡邏搜尋任務(wù)、不同水層、水域水本采樣等工作。由USV可以利用GPS和北斗雙系統(tǒng)定位，攜帶水下機(jī)器人至作業(yè)處，ROV可以搭載測量模塊進(jìn)行水下檢測，通過多個(gè)攝像頭觀測水下狀況，還可以用機(jī)械手的夾取動作完成簡單的樣本采集。打撈物品時(shí)由ROV進(jìn)行水下探測，確定作業(yè)的確切位置，并進(jìn)行周遭環(huán)境探測。ROV的沉浮和水平推進(jìn)器協(xié)同運(yùn)作，操作人員通過控箱上的顯示屏控制機(jī)器人的運(yùn)動。運(yùn)動至需要檢測位置，水平推進(jìn)停止運(yùn)作，控制沉浮推進(jìn)器推力實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在水中懸浮。機(jī)械手張合能夠穩(wěn)固的夾取物件，擷取樣本。并將物件放至合適的位置。若目標(biāo)重量較輕，可直接由ROV利用機(jī)械手夾持，將所需物品撈回岸上。若目標(biāo)體積過大，質(zhì)量過重，ROV無法單獨(dú)打撈則由USV從船艙下放船載纜繩，并將船載纜繩拖吊至水下所需工作深度，將纜繩掛鉤扣于被探尋物件合適處，借由USV上的纜機(jī)將該物件提升至水面或懸吊拖回。此種打撈方式適合大型沉底物的打撈任務(wù)，且可籍由ROV的定位系統(tǒng)將此沉物點(diǎn)記錄下來，作為航行參考日志。本作品亦可運(yùn)用于海洋監(jiān)測。其不僅可以運(yùn)用于水上檢測，對于海洋監(jiān)測也具有天然的優(yōu)勢。運(yùn)用ROV和USV相配合的系統(tǒng)，能夠有利的完成水體檢測。USV可以搭載各種探測儀器。USV是一種新型的水上監(jiān)測平臺，其以小型船舶為基礎(chǔ)，集成定位、導(dǎo)航與控制設(shè)備，可搭載多種監(jiān)測傳感器，以遙控/自主的工作方式，完成相關(guān)環(huán)境監(jiān)測。ROV具有靈活的大深度水下運(yùn)動能力，裝備先進(jìn)的水下動力、控制和機(jī)械系統(tǒng)，能在潛水員不能到達(dá)的深度與不安全的環(huán)境下進(jìn)行水下檢測和其他水下作業(yè)。ROV檢測技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、安全、工作效率高、作業(yè)深度大，并能在惡劣的環(huán)境下作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程結(jié)構(gòu)的水下無損檢測中得到廣泛重視。同時(shí)，海洋石油工業(yè)正在向深海區(qū)域發(fā)展，對水下無損檢測技術(shù)提出了更高的要求，為了提高效率，降低成本，海洋工程結(jié)構(gòu)的水下無損檢測越來越趨向于使用ROV檢測技術(shù)。

USV穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)上可搭載許多精密的測量儀器，以及利用繩纜結(jié)構(gòu)副載ROV。可以自主的完成集成定位，利用導(dǎo)航與控制設(shè)備到達(dá)檢測地點(diǎn)。USV完成水面上的檢測，ROV則潛入水下，進(jìn)行海底探測。如遇緊急情況，USV上的救生設(shè)備發(fā)揮作用，可將信號傳輸回指揮臺。借助此聯(lián)合的系統(tǒng)便于全面的完成水面與水底檢測。

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