張賀賀,張寶雷,孫冰

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務分公司,天津 300452)

近年來水下機器人的應用相當廣泛,如:海洋資源開發(fā)、海底打撈、水上養(yǎng)殖,以及江河湖泊大壩的檢修等[1]。因為水下機器人的工作效率高,且更具安全性,所以水下機器人取代人工進行水下作業(yè)越來越普遍。但是大部分水下機器人都是應用于深海軍事領域,進行石油開采、水雷探測、沉船打撈等水下作業(yè)任務,具有體積龐大、價格昂貴等特點,無法適用于江河、湖泊等淺水域。小型水下機器人代替人工在淺水域進行作業(yè),不僅可保障水下作業(yè)人員的生命安全,還可提高工作效率[2],因此,考慮在現(xiàn)有研究的基礎上,設計一款外形小巧美觀、航行阻力低、機動性能好、便于攜帶的小型ROV,以期通過搭載相應的傳感器,便能夠完成水質檢測、地質勘測、水下攝影與搜索、水面監(jiān)視與巡航等淺水作業(yè)任務。

1 小型ROV設計方案

1.1 總體設計方案

總體設計方案見圖1,包括整體外形設計、密封耐壓艙結構設計及推進器布局設計、電控系統(tǒng)的選型。主要技術要求見表1。

表1 相關技術指標

圖1 小型水下機器人設計方案

1.2 整體外形設計及水動力分析

1.2.1 整體外形設計

水下機器人的外形設計應考慮盡可能減小阻力,提高航行速度和整體續(xù)航能力[3-4]。所設計的淺水觀察水下機器人整體外形為扁平流線型,并在兩側設計擋板,既能減小航行阻力,又能保證航行時的平穩(wěn)性。外框架采用含玻纖加強PP側板及底部鋁梁一體式框架設計,該材料具有密度小、吸水率低、強度韌性好的特點。底部鋁梁采用6061-T6鋁合金,采用梁設計具有剛性好,阻水面小的優(yōu)點,同時對鋁梁進行硬質陽極氧化處理,增大框架的耐腐蝕性。見圖2。

圖2 小型水下機器人外形設計

1.2.2 根據(jù)Fluent水動力分析進行結構優(yōu)化

水下的環(huán)境導致水下機器人運動有較強的非線性和耦合性特點。水流沿著水下機器人的表面移動,并伴隨著渦的產生和脫落,不斷地有能量隨之耗散。準確得出流體對水下機器人的作用力對于自身的功耗、姿態(tài)控制以及推進器的選型至關重要。當水下機器人在水下運動時,流體的作用力與自身的運動速度呈非線性關系,通常情況下不能直接數(shù)值求解。而模型試驗的方法在前期設計階段需要耗費大量的資金、時間及人力成本,且對試驗條件也有很高的要求。因此,對于水下機器人進行精確的流體運動仿真分析具有重要的意義。

采用Fluent軟件分析所設計的小型水下機器人在水下航行時,小型水下機器人所受到壓力及速度。小型機器人在水下以1 m/s航行時受到的壓力見圖3,航行時的速度變化見圖4。

圖4 小型水下機器人1 m/s的速度矢量圖

不同航行速度下水下機器人的航行阻力見表2。

表2 不同航行速度下水下機器人的航行阻力

由表2可以看出,隨著速度的增加,航行阻力成指數(shù)增長,因此考慮對水下機器人的結構進行優(yōu)化,減小其所受到的阻力,提高續(xù)航能力。優(yōu)化后的水下機器人結構模型見圖5。

圖5 優(yōu)化后水下機器人三維模型

將水下機器人的進水口進行鏤空,不僅可減小了質量,還可保證進水量,提高推進器的推進效率。

由圖6可知,優(yōu)化后的結構進一步降低了航行時水下機器人所受到的阻力,保證了續(xù)航能力。

圖6 優(yōu)化后水下機器人航行速度與航行阻力的關系

1.2.3 小型ROV密封耐壓艙結構設計

小型水下機器人密封耐壓艙的內部布局圖見圖7,材料選用亞克力材料,其具有良好的機械性能及耐壓強度,且密度較小,質量輕,同時又能保證較強的耐腐蝕性能。

圖7 小型水下機器人密封耐壓艙的內部布局

采用Fluent對不同深度下(150 m、200 m)密封艙受到的應力及位移進行了仿真,具體見圖8。

圖8 密封艙受到的應力及位移變形量仿真

由圖8可以看出,小型淺水觀察水下機器人在水下深度200 m時,所受的最大壓力小于40 MPa,位移變形量極小,本文選用的亞克力材料耐壓可達60 MPa,因此整體內部布局及材料選用滿足實際工況要求。

水下艙體外殼采用6061鋁制材料,可提供水下200 m的耐壓能力,左右兩端分別安裝有6個水密接插件,用于連接水下推進器、臍帶纜和水下艙體。水密接插件均選用國際知名品牌產品,壽命長、質量穩(wěn)定。其中臍帶纜主連接器采用額外的固定外殼加強固定,防止臍帶纜的來回擺動造成連接器損壞。水下艙體為推進器及其他水下設備供電。

1.3 推進器結構設計及電控系統(tǒng)的選型

1.3.1 推進器結構設計

推進器由3個推進器構成,其中包含1個垂直推進器和2個水平推進器,具體布局見圖9。

圖9 推進器結構設計

這個3個推進器能夠保證水下機器人實現(xiàn)水下航行的進退、潛伏及轉向,保證水下作業(yè)的靈活性,3個推進器能夠保證較好的控制效果,實現(xiàn)穩(wěn)定的水下觀察。其中2個水平推進器可實現(xiàn)正反轉,實現(xiàn)水下機器人的前進及后退,當2個推進器1個正向轉動,另外1個反向轉動,即可實現(xiàn)水下機器人的轉向功能;垂直推進器也可以實現(xiàn)正反轉,實現(xiàn)水下機器人的上浮及下潛。

1.3.2 電控選型

水下機器人的電控系統(tǒng)主要包括控制器、傳感器及電調、攝像頭、電源等。選用Pixhawks作為主控制器,實現(xiàn)對小型ROV的運動控制,選用水下專用的外轉子無數(shù)電機及螺旋槳作為推進器,螺旋槳轉速與推力見圖10。

圖10 螺旋槳轉速與推力

攝像頭采用CSI攝像頭,能保證水下正常高清拍攝,電源選用高能量密度電池,從而能保證1 h的持續(xù)供電。

2 實驗測試

水池實驗將驗證水下機器人的運動能力、方向感知能力及航行狀態(tài)。通過這些實驗結果,可直觀驗證設計方法的準確度,不斷通過微調設計方案,從而得到理想的設計方案,并最終形成獨有知識產權的設計經驗。

2.1 運動功能測試

運動功能的測試方法有:①水下機器人放置在水池中,水面控制單元通過臍帶纜與水下機器人建立通信后,水面控制單元應能夠在屏幕上顯示水下機器人水下姿態(tài)數(shù)據(jù)、部件工作狀態(tài)反饋值以及監(jiān)控視頻等內容;②在空載下,輸入相關控制指令控制水下機器人完成水平功能要求中規(guī)定的三軸運動和三軸旋轉等相關運動,水下機器人的動作應與輸入指令協(xié)調一致;③按照作業(yè)型水下機器人的作業(yè)功能,輸入相關指令控制水下機器人,應能完成功能要求中的三軸運動和三軸旋轉等動作,實現(xiàn)作業(yè)功能。

運動功能的測試結果為:①通信正常、數(shù)據(jù)反饋有效;②ROV動作和輸入指令協(xié)調一致;③操縱模式切換有效,導航模式切換有效;④定深觀察穩(wěn)定,ROV無頻繁晃動。

2.2 云臺角度測試

云臺角度測試方法:PCU控制云臺正負最大值,查看上位機反饋云臺實際角度與測量角度是否一致。云臺角度測試結果,實際角度與控制角度一致為±90°。

2.3 航向、姿態(tài)及航速測試

航向、姿態(tài)及航速測試有:①磁導校準后,設備0度航向與地磁北極一致運動30 min,設備同一艏向角且同一位置時原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差實測慣導校準后,設備0度航向與上電時所處方向一致,設備水下運動30 min,設備同一艏向角時原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差實測功率;②設備在水平地面放置,觀察本體實際橫滾、俯仰值;③通過計米器和秒表進行記錄并計算出設備航速,每航行10 m記錄一次時間共記錄3次,初始10 m不計用作加速區(qū)間,航行3次共9組數(shù)據(jù)取其中5組有效數(shù)據(jù)取平均值,并記錄最大值。

航向、姿態(tài)及航速測試結果:①磁導校準后,設備0度航向與地磁北極一致運動30 min,設備同一艏向角且同一位置時原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差實測,穩(wěn)定后角度偏差為7°左右,慣導校準后,設備0度航向與上電時所處方向一致,設備水下運動30 min,設備同一艏向角時原航向角度與現(xiàn)航向角度偏差穩(wěn)定后為5°左右;②設備在水平地面放置,水面姿態(tài)測試結果為:俯仰橫滾為0°;③航速值數(shù)據(jù):前行2.12 m/s,后退0.59 m/s,右側0.26 m/s,左側0.21 m/s。

3 結論

淺水觀察小型ROV雖然可以通過水下動力學仿真、優(yōu)化結構設計有效降低航行阻力、提高續(xù)航能力,但自身動力和體積存在閾值極限,只適用于水下流速相對較小的水域,若要取得更高運動性能,推力和體積重量的增大是避不開的問題。在此之前多數(shù)小型水下機器人均采用框架型結構,設備整體迎流面積較大,造成水阻增大航速下降,本設計方案采用流線型設計可有效降低水阻的同時減小體積,增強了運動性能。這種設計方案對于狹窄水下空間的檢測維修具有實用價值,下一步應考慮針對特定應用場景對推進器布局和推力進行進一步優(yōu)化,通過搭配不同的傳感器,滿足各類應用場景的實際需求,實現(xiàn)產業(yè)化應用。