黎植強(qiáng) 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(yè)。早期的水下打撈，主要靠潛水員完成的。受生理?xiàng)l件限制，潛水員一般只能下潛到100 米以內(nèi)，而且需要岸邊或船上支持團(tuán)隊(duì)的保護(hù)。

20 世紀(jì)60 年代，出現(xiàn)了遙控水下機(jī)器人，可以代替潛水員完成部分水下打撈作業(yè)，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度和風(fēng)險(xiǎn)。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(fēng)能技術(shù)水平的提高，以及無人無線技術(shù)的開發(fā)，由太陽能或風(fēng)能供電的水下打撈機(jī)器人的開發(fā)層出不窮[1-3]。

1 研究意義

本文研究設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程控制、太陽能風(fēng)能供電的水下打撈機(jī)器人，操縱人員可以借助無線圖像傳輸技術(shù)，引導(dǎo)打撈機(jī)器人到達(dá)指定水域，完成水下探查和打撈。因?yàn)椴捎锰柲茱L(fēng)能供電，可以連續(xù)巡航、進(jìn)行大范圍的搜索。

2 總體設(shè)計(jì)

太陽能風(fēng)能水下打撈機(jī)器人由雙體無人船和水下打撈機(jī)器人組成，具有結(jié)構(gòu)新穎、運(yùn)輸方便、使用便捷的特點(diǎn)。

雙體無人船由模塊化雙體船體、可調(diào)節(jié)門架、太陽能電池板、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)、正反轉(zhuǎn)螺旋槳、防水電機(jī)、絞盤、測(cè)控模塊組成。雙體無人船因?yàn)榕鋫淞颂柲茱L(fēng)能混合供電系統(tǒng)，晴天和風(fēng)雨天都能提供足夠電力，可以長(zhǎng)時(shí)間、大范圍攜帶水下打撈機(jī)器人巡航，并為打撈機(jī)器人提供能源供給和通訊中繼，大大降低了打撈作業(yè)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

水下打撈機(jī)器人由外殼、反向串聯(lián)推進(jìn)器組、水下機(jī)械手、姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置、臍帶電纜、測(cè)控模塊組成。反向串聯(lián)推進(jìn)器組與姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置配合，省去了垂向推進(jìn)器、橫向推進(jìn)器、射流水槍，使水下打撈機(jī)器能輕松實(shí)現(xiàn)前后、左右、上下3 個(gè)維度的平移，左右轉(zhuǎn)彎、上下俯仰2 種維度的轉(zhuǎn)動(dòng)，配合水下機(jī)械手，能輕松打撈水下小型物體。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 雙體無人船

主要技術(shù)指標(biāo)：最小吃水深度200 mm；巡航速度1.5 km/h；續(xù)航距離18 km；錨定最大深度100 m；太陽能發(fā)電80 W；4 級(jí)風(fēng)速發(fā)電50 W；整體外形尺寸：長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外無人船的經(jīng)驗(yàn)，仍然選擇雙體船結(jié)構(gòu)，為無人船提供足夠浮力和穩(wěn)定支撐。考慮到長(zhǎng)途物流運(yùn)輸和單人安裝維修，單個(gè)船體采用3 模塊拼裝而成：中部是矩形船身，內(nèi)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(diào)節(jié)門架

用可調(diào)節(jié)門架聯(lián)接左右雙體船體，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，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(yuǎn)程控制，使無人船與工作環(huán)境相適應(yīng)。

（1）航行狀態(tài)這種狀態(tài)為正常水域航行狀態(tài)。調(diào)節(jié)裝置處于中間狀態(tài)，正反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳淹沒在水下，打撈機(jī)器人處于水面以上，航行時(shí)水阻力減小。這種情況下無人船的航速最大，能夠快速到達(dá)打撈水域，進(jìn)行相關(guān)打撈作業(yè)，同時(shí)節(jié)省能源。

（2）水草狀態(tài) 這種狀態(tài)無人船遇到茂密的水草。調(diào)節(jié)裝置收縮至最小長(zhǎng)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(huì)纏繞螺旋槳，出水后沿切線向航道兩邊飛出。

（3）打撈狀態(tài)這種狀態(tài)為打撈機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)。此時(shí)調(diào)節(jié)裝置伸展至最大長(zhǎng)度，無人船重心降低，風(fēng)阻力減小，穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3.1.3 正反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳

正反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳由1 個(gè)正向旋轉(zhuǎn)螺旋槳和1 個(gè)反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳配對(duì)而成。正向旋轉(zhuǎn)螺旋槳順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，向后排水，產(chǎn)生向前推力；反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，向后排水，產(chǎn)生向前推力。正反轉(zhuǎn)螺旋槳配對(duì)，附加力矩相互抵消，無人船不會(huì)發(fā)生橫向傾斜。

3.2 水下打撈機(jī)器人

主要技術(shù)指標(biāo)：下潛最大深度：100 m；最大移動(dòng)速度：0.2 m/s；空氣中質(zhì)量:15 kg；外部尺寸：長(zhǎng)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(jī)械手抓取質(zhì)量：10 kg。

3.2.1 殼體

殼體采用密封式結(jié)構(gòu)，用防水材料制成密閉的流線形體，全部水下部件內(nèi)藏在密封殼體內(nèi)。密封式殼體的制作復(fù)雜，但不要求全部水下部件密封防水，擴(kuò)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(jī)的功率和蓄電池的容量。

3.2.2 反向串聯(lián)推進(jìn)器組

采用兩個(gè)推進(jìn)器背靠背組成一個(gè)反向串聯(lián)推進(jìn)器組，這種推進(jìn)器組的向前向后推力相同?？v向并列兩個(gè)反向串聯(lián)推進(jìn)器組，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。除此而外，還可實(shí)現(xiàn)左右橫移、原地噴水沖刷，省去了橫向推進(jìn)器和噴水水槍。

3.2.3 水下機(jī)械手

機(jī)械手嵌入于底座支架，用防水電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手常態(tài)為閉合狀態(tài)。電磁鐵通電，機(jī)械手展開，抓取物體；電磁鐵斷電，機(jī)械手依靠彈簧彈力復(fù)位，夾緊物體，這樣耗電最少。

3.2.4 姿態(tài)調(diào)節(jié)裝置

圖1 太陽能風(fēng)能雙體無人船

圖2 水下打撈機(jī)器人

設(shè)置了姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，能改變外殼軸向與水平面之間的下傾角。姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要是靠移動(dòng)密封式外殼內(nèi)質(zhì)量塊的位置，改變重心位置：外殼現(xiàn)狀不變，浮心位置始終不變，這樣可改變下傾角。當(dāng)下傾角為0°時(shí)，水下機(jī)器人在水平方向游動(dòng)；當(dāng)下傾角為90°時(shí)，水下機(jī)器人在垂直方向游動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)上下浮潛。下傾角可在0°至90°之間變化，水下機(jī)器人就能在縱向垂直面內(nèi)斜向游動(dòng)，斜向游動(dòng)時(shí)將頭部對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，然后徑直游向目標(biāo)，大大節(jié)省時(shí)間。采用姿態(tài)調(diào)節(jié)方法，可省去垂向推進(jìn)器和攝像機(jī)的搖頭機(jī)構(gòu)。

4 結(jié)語

太陽能風(fēng)能水下打撈機(jī)器人采用太陽能風(fēng)能混合能源，是綠色環(huán)保型產(chǎn)品，不會(huì)對(duì)打撈水域產(chǎn)生污染。它能在0.3～100 m水深范圍內(nèi)巡航，甚至于水草茂密的灘涂、濕地，這是大型打撈船隊(duì)沒法實(shí)現(xiàn)的。它能連續(xù)打撈10 kg 以內(nèi)水下小型物體，完成水下標(biāo)本采集、水下物證搜尋、水下遺物撈取等任務(wù)。

無人船空氣中重量80 kg，全部拆解后可以裝入長(zhǎng)600 mm、寬200 mm、高400 mm 的4 個(gè)包裝箱內(nèi)；機(jī)器人空氣中質(zhì)量:15 kg，可以裝入長(zhǎng)520 mm、寬400 mm、高350 mm 的1 個(gè)包裝箱內(nèi)?？梢源畛孙w機(jī)、高鐵、大巴車，運(yùn)輸方便。單人可以勝任現(xiàn)場(chǎng)安裝維護(hù)工作。

晴天，利用太陽能發(fā)電；風(fēng)雨天，2 級(jí)以上風(fēng)力，風(fēng)力發(fā)電機(jī)就能正常發(fā)電。蓄電池充滿電后，可以連續(xù)供電12 小時(shí)，以巡航速度1.5 km/h 計(jì)算，最大連續(xù)巡航距離18 km，可以環(huán)繞20 km2的水域一圈。

太陽能風(fēng)能水下打撈機(jī)器人經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，將在交通、海事、公安、水利、水產(chǎn)、環(huán)保等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。