CN104802971B - 一种深海作业型rov推进器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海作业型ROV推进器系统。ROV控制器根据ROV当前的运动状态产生六自由度的速度控制指令；通信单元采用TCP/IP的网络通信方式，将ROV控制器产生的速度控制指令传送给推力分配单元；推进器单元包括4个水平推进器和3个垂直推进器；推力分配单元根据接收到的速度控制指令，将指令分解，得到每个推进器的推力值传送给驱动单元；驱动单元根据接收到的推力值输出相应的电压信号，传送给推进器比例阀，调节推进器比例阀的开合；液压单元通过推进器比例阀将液压油传送给推进器单元。本发明能够提高推进系统执行能力和效率。

Description

一种深海作业型ROV推进器系统

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，尤其涉及一种深海作业型ROV推进器系统。

背景技术

海洋是目前尚未被大范围开发的领域，尤其是海底复杂的环境以及深海中丰富多样的自然资源，这些因素促使世界各个国家投入大量的人力、物力、财力在海洋探测，尤其是深海探测和深海作业研究中。尽管海洋开发技术尚未完全成熟，但是目前水下机器人在深海作业方面还是取得了广泛的科研价值、工程经验以及经济效益，水下机器人的研究也为国防建设海洋板块提供了一个重要研究方向。水下机器人分为两种：一种是自主型，称为AUV；另一种是远程操控型，称为ROV。ROV是一种操控者通过电缆远程操控机器人在水下作业勘探的机器人。ROV推进系统分为电力推进系统和液压推进系统。前者使用电机驱动推进器(通常为螺旋桨)产生推力驱动ROV，后者则使用液压马达驱动推进器。

目前关于作业型ROV推进系统结构的一些设计中，《模块化水下机器人控制系统设计》《机械设计与制造》2012年第1期，该文中设计的模块化方式，在推进器方面采用的是水下计算机连接RS232后，再连接CAN卡的方式，由CAN收发器控制开关阀伺服阀液压流量控制。但通信结构较复杂，不易与控制机直接接口,现有的CAN接口卡与以太网网卡相比大都价格昂贵，而且CAN现场总线无论是其通信距离还是通信速率都无法和以太网相比。《作业型ROV液压系统研制与艏向控制技术研究》浙江大学马新军论文中所设计的“海王二号”ROV，采用的采用美国国家仪器公司的产品Compact RIO(简称CRIO)控制器运算处驱动分配传输给ECU，在连接放大器到给液压推进系统。虽然控制器拥有坚固的硬件架构、带有可重新配置的现场可编程门阵列的机箱，接插比较方便，但是成本非常高。且其ECU和放大电路中也没有做明确的设计。其设计9个螺旋桨,包括4个小螺旋桨和5个大螺旋桨方式，在结构设计上以及各环节部件分配上的难度也是大大提高的，占用过多的空间。在实际的应用中也容易造成隐患。

发明内容

本发明的目的是提供能够提高推进系统执行能力和效率的，一种深海作业型ROV推进器系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种深海作业型ROV推进器系统，包括ROV控制器、通信单元、推力分配单元、液压单元、驱动单元、推进器比例阀和推进器单元；

ROV控制器根据ROV当前的运动状态产生六自由度的速度控制指令；

通信单元采用TCP/IP的网络通信方式，将ROV控制器产生的速度控制指令传送给推力分配单元；

推进器单元包括4个水平推进器和3个垂直推进器；

推力分配单元根据接收到的速度控制指令，将指令分解，得到每个推进器的推力值传送给驱动单元；

驱动单元根据接收到的推力值输出相应的电压信号，传送给推进器比例阀，调节推进器比例阀的开合；

液压单元通过推进器比例阀将液压油传送给推进器单元。

本发明一种深海作业型ROV推进器系统还可以包括：

1、4个水平推进器位于运动坐标系水平面上，4个水平推进器分别与运动坐标系的x坐标轴呈α角放置，运动坐标系的原点到每个水平推进器的中轴线的距离为l₁，4个水平推进器分别为：第一水平推进器T₁、第二水平推进器T₂、第三水平推进器T₃和第四水平推进器T₄，3个垂直推进器分别为：第一垂直推进器T₅、第二垂直推进器T₆和第三垂直推进器T₇，推力分配单元产生的各推进器的推力依次为：第一水平推进器推力第二水平推进器推力第三水平推进器推力第四水平推进器推力第一垂直推进器推力第二垂直推进器推力和第三垂直推进器推力并且各推进器推力满足如下条件：

其中，第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆位于ROV艏端，第一垂直推进器T₅、第二垂直推进器T₆和位于ROV艏端的第四水平推进器T₄形成一个平面，该平面垂直运动坐标系的x轴并且与y轴呈β角，运动坐标系x轴到第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆的空间距离分别为l₂，运动坐标系的y轴到第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆在xoz平面上的投影的距离分别为l₃，第三垂直推进器T₇位于ROV艉端并且在xoz平面内，第三垂直推进器T₇与运动坐标系的x轴成γ角，运动坐标系的y轴到第三垂直推进器T₇的空间距离为l₄，运动坐标系的z轴到第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆在xoz平面上的投影的距离分别为l₅。2、4个水平推进器呈水平菱形分布，4个水平推进器的正向指向ROV内侧，并且4个水平推进器分别相对于ROV的前进方向的夹角为30度，3个垂直推进器呈三角形分布，其中两个垂直推进器位于ROV艏端，另外一个垂直推进器位于ROV艉端，并且每个垂直推进器的轴向与ROV竖直方向夹角为10度。

有益效果：

本发明应用基于TCP/IP的网络通信方式，其高速和高纠错能力保证了ROV推进器的快速接收数据和及时的反应能力，提高系统执行能力和效率；

本发明分为四部分，结构简明，各部分任务清晰，运行高效，并且任务层次分明，便于系统维护；

本发明考虑控制难度和控制复杂性，合理确定ROV的推进器数量和分布位置，使系统综合配置能力具佳；

本发明的推进器驱动系统的设计为同类型ROV推进器提供巨大的借鉴价值；

推进器的控制系统采用的控制方法，将油液压力和ROV姿态信息加入到推力分配和控制闭环，能够保证系统实时快速的问题，具有很强看干扰能力和自稳定能力。

附图说明

图1深海作业型ROV推进器系统结构图。

图2推进器分布示意图。

图3a-3d推进器推力分配示意图，图3a为水平推进器位置与角度；图3b为竖直推进器位置；图3c为竖直推进器yz平面夹角；图3d为竖直推进器xz平面夹角。

图4推进器的输出压力与系统压力和流量关系。

图5驱动系统电气原理图。

图6推进器液压系统结构图。

图7推进器控制系统闭环示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

针对目前现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种深海作业型ROV推进器系统结构，能够供潜深在1500米以内的作业型ROV和观察型ROV使用，尤其是功率较大的作业型ROV进行水下作业。该系统能够根据ROV系统的工作和控制需要，实时将水下ROV系统各推进 器的比例阀状态数据上传。

该推进器系统是基于液压推进器的大型作业型ROV推进系统，分为液压系统、通信系统、推力分配系统、驱动系统共四个部分：液压系统为推进器提供动力源，输送具有一定压力的液压油到推进器中，带动推进器的液压马达旋转输出动力；通信系统用于接收ROV控制器发送的ROV运动控制命令，该命令按照ROV三维空间运动分为前后、左右、升沉、转向、俯仰和横滚命令，主要控制6个运动的速度；推力分配系统根据控制系统发送的运动控制命令，将运动控制命令进行分解，将其分解成每个推进器的速度控制命令；驱动系统是将分配到该推进器速度控制命令转化成液压推进器的驱动信号，控制该推进器所对应的液压比例阀的开合大小，实现该推进器的速度控制。

通信系统采用基于TCP/IP的网络通信方式，通信物理接口为四线制的网络接口，制定严格的具有纠错能力的通信协议，通信地址具有通用性的IP地址，满足ROV控制系统的模块化要求，即插即拔，便于实时更换。通信系统不仅仅传送ROV推进器的控制命令，同时还传递ROV本体的姿态信息和系统的油液压力信息，所以该通信系统能够完成通信数据实时发送、命令接收、实时纠错和故障分析诊断的任务。

推力分配系统适用的ROV推进器系统采用7个推进器，水平4个推进器和垂直3个推进器。4个水平推进器呈水平菱形分布，能够控制ROV前后、左右和转向3个自由度运动。3个垂直推进器为三角形分布，ROV前端为2个，后端为1个，为保证推进器最大工作效率，每个垂直推进器与ROV重心垂线呈10°的夹角，能够控制ROV进行升潜、俯仰和横滚3个自由度运动。

驱动系统根据推力分配系统发送的运动控制数据，按照比例进行线性化处理、比较跟随、调制和功放等处理方法，将信号调制成满足比例阀要求的模拟电压信号，同时处理的中间模拟信号量作为反馈传递给推力分配系统，作为驱动控制系统的反馈。

ROV在运动控制时，控制方法采用自适应控制方法，根据系统压力变化情况和外部环境对ROV本体的影响，调整ROV推进器的推力分配参数，满足系统的运动控制要求。

如图1所示，一种深海作业型ROV推进器系统结构是基于液压推进器的大型作业型ROV推进系统，分为液压系统、通信系统、推力分配系统、驱动系统共四个部分：液压系统为推进器提供ROV运动所需的动力源；通信系统是利用TCP/IP通信方式连接ROV控制器与推力分配系统进行数据传输；推力分配系统是根据控制系统的对ROV运动要求，将控制命令分解成每个推进器的推进命令；驱动系统将推进命令转化成驱动信号控制分别控制各自的推进器的液压比例阀。

工作过程如下：ROV控制器根据工作需要发出控制指令通过TCP/IP通信方式将控制信 号发送给推力分配系统，推力分配系统将运动指令分解，按照推力分配的方法计算出每个推进器的控制模拟量的大小，驱动系统根据模拟量的大小输出相应的电压信号，进而控制推进器比例阀的开合大小，由于液压系统持续不断的将具有一定压力的液压油通过比例阀传送到推进器的液压马达中，所以驱动信号控制比例阀门的开合直接控制着推进器的转速。从而各推进器产生不同输出推力，控制着ROV的6个自由度的运动。

如图2所示，ROV要求实现水下6个自由度的运动，即推进、升沉、横移，转艏、纵倾、横倾。为实现6自由度的精确控制，ROV必须具备性能良好的推进系统。一般推进器的数量越多，ROV的控制越简单，同时ROV系统的复杂性也会提高，系统可靠性同时降低。要实现ROV的6个自由度的独立运动，至少要配有5个推进器(水平方向两个，竖直方向三个)，一般最多不超过12个。

综合考虑控制难度和控制复杂性，并参考一般水下机器人运动动力分配表，ROV最终配置7个螺旋桨，包括4个水平螺旋桨和3个垂直螺旋桨，螺旋桨的分布情况如图2所示。

水平方向螺旋桨是用来对ROV的推进和转艏进行控制的，四个相同螺旋桨对称成菱形分布在ROV四个棱柱上，由于马达进出油口位于螺旋桨后部，螺旋桨正向向里有利于液压钢管的安装，所以螺旋桨的正向指向ROV内侧。四个螺旋桨分别相对于ROV的前进方向呈30度夹角，这样可以得到更大的推力。这样布置的水平推进器减少了其他元件对螺旋桨的挡流。

竖直方向布置三个螺旋桨，主要用来实现ROV的升沉。由于ROV在进行作业时，作业机械臂会对ROV产生很大干扰，特别是对ROV的俯仰方向，为此在ROV艏端安装两个螺旋桨，艉端安装一个螺旋桨。为减小该螺旋桨运动时产生的力矩对ROV的航行的影响和减少ROV本体对螺旋桨推进效率的影响，使螺旋桨的轴向与竖直方向呈10度角。

7个推进器电机外形尺寸相同，以夹箍的形式安装，槽道推进器的槽道直接利用浮力材料的开孔以节省重量。水平4个推进器的开关阀箱安放在ROV的右侧居中，垂直3个推进器的开关阀箱安放在ROV的左侧居中。

ROV的推进器推力分布，如图3a-3d所示。在运动坐标系水平面上分布四个液压推进器T₁、T₂、T₃和T₄，推进器与运动坐标系的x坐标轴呈α角放置，运动坐标系的原点到推进器的中轴线的距离为l₁；在垂直方向上放置三个推进器，推进器T₅和T₆放T₁置在偏艏部T₄的同一平面上，此平面和运动坐标系的x轴垂直，且与y坐标轴呈β角。运动坐标系x坐标轴到T₅和T₆的空间距离为l₂，运动坐标轴的y坐标轴到T₅和T₆在xoz平面上的投影的距离为l₃；在ROV艉部垂直面放置推进器T₇，此推进器在xoz平面内，且与x轴成γ角。运动坐标系的y轴到 推进器T₇的空间距离为l₄，z轴到推进器T₅和T₆在xoz平面上的投影的距离为l₅。

各推进器依次产生推力和推进器依次产生推力推进器的推力与液压系统压力和流量有关系，如图4所示曲线所示，通常情况下，液压系统压力是控制在定值，保证液压系统中的各个执行元件工作在恒定的压力状态下，各推进器的输出的推力则是通过控制各推进器对应的比例阀液压油的流量实现的。

根据推进器的空间分布情况可以推导出各个推进器投影到各个坐标轴上的推力和产生的力矩。

推进器在ROV六自由度上产生的力τ_p和力矩u可以表示为：

对公式(1)展开，则有：

前进方向的推力F_x表达式：

侧向方向的推力F_y表达式：

深度方向的推力F_z表达式：

横滚方向力矩M_x表达式：

俯仰方向力矩M_y表达式：

航向方向力矩M_z表达式：

公式(3)～公式(8)能够实现ROV的各个方向和组合方向运动，以ROV的单一前进方向运动

此时ROV系统的侧向力、深度方向力、横滚方向力矩、俯仰方向力矩、航向方向力矩都为零，则有下列等式：

可推得：

则前进方向推力为：

要实现其他方向的力和力矩通过解算公式(3)～公式(8)进行解算。这里需要说明的是由于是6个方程组，而推进器有7个，在空间自由度方面是冗余的，在通常控制条件下，水平方向的四个推进器提供推力的绝对值是相等的，即：

如图5所示，推进器驱动电气图所示。

从推进器系统输出的控制信号首先与基准电压信号进行计算，经过两级信号调整处理后，在进行功放处理，每一路信号处理都有一个调整零位和范围的电阻，将模拟信号调整到合理范围和对称的位置，放大器采用LM324。

如图6所示，为了减少溢流阀造成的系统发热，液压推进系统很少釆用恒压定量泵系统，而大多釆用恒压变量泵节能系统。该种系统能够保证泵的出口压力恒定，而输出流量按照系统的需要进行变化。

按照所使用的调速方法，液压推进系统又可以分为节流调速系统和容积调速系统两大类。节流调速系统也称为阀控系统，它通过改变控制阀的节流口大小，调节液压马达的转速。如加拿大ISE公司的HYSUB作业型ROV。容积调速系统则是通过改变液压缸和液压马达的排量进行调速。前者由于存在控制阀的节流损失，因此其效率较低，但响应速度快。而后者效率高，但其响应速度较慢。变量马达的排量普遍较大，所以只能用于大功率ROV。如英国Perry Slingsby公司生产的TRITON系列作业型ROV等。

按照使用的控制阀种类的不同，节流调速系统又可以分为直接流量控制型和直接压力控制型两类。前者使用比例节流阀、比例调速阀或者伺服阀，通过改变控制阀口的面积，达到改变螺旋桨转速的目的。但由于螺旋桨的推力与转速之间为非线性关系，所以只是间接控制螺旋桨推力。而直接压力控制型使用比例减压阀，直接控制马达入口压力，即直接近似控制螺旋桨的输出扭矩。而螺旋桨的输出推力与扭矩成线性关系，因此理论上，比例减压阀的输入控制信号与螺旋奖推力成近似的线性关系，从而达到直接控制推进器推力的目的。

所以根据分析最终决定，ROV采用了基于比例减压阀的直接压力控制型节流调速系统。

如图7所示，如推进器控制系统示意图所示。控制器发出的输入信号、液压系统压力信号和ROV的姿态信号同时输入到自适应控制器当中，系统根据这些信号按照控制算法进行推力分配后，输出相应比例的电信号，分别输入到相应的推进器功放电路中，功放电路对信号处理后输入到相应的推进器中，同时将功放电路输出的信号进行融合传送到自适应控制器中，实现控制反馈。

Claims (2)

1.一种深海作业型ROV推进器系统，其特征在于：包括ROV控制器、通信单元、推力分配单元、液压单元、驱动单元、推进器比例阀和推进器单元；

ROV控制器根据ROV当前的运动状态产生六自由度的速度控制指令；

通信单元采用TCP/IP的网络通信方式，将ROV控制器产生的速度控制指令传送给推力分配单元；

推进器单元包括4个水平推进器和3个垂直推进器；

推力分配单元根据接收到的速度控制指令，将指令分解，得到每个推进器的推力值传送给驱动单元；

驱动单元根据接收到的推力值输出相应的电压信号，传送给推进器比例阀，调节推进器比例阀的开合；

液压单元通过推进器比例阀将液压油传送给推进器单元；

所述的4个水平推进器位于运动坐标系水平面上，4个水平推进器分别与运动坐标系的x坐标轴呈α角放置，运动坐标系的原点到每个水平推进器的中轴线的距离为l₁，4个水平推进器分别为：第一水平推进器T₁、第二水平推进器T₂、第三水平推进器T₃和第四水平推进器T₄，3个垂直推进器分别为：第一垂直推进器T₅、第二垂直推进器T₆和第三垂直推进器T₇，推力分配单元产生的各推进器的推力依次为：第一水平推进器推力第二水平推进器推力第三水平推进器推力第四水平推进器推力第一垂直推进器推力第二垂直推进器推力和第三垂直推进器推力并且各推进器推力满足如下条件：

${\mathrm{\τ}}_p=\left[\begin{array}{ccccccc}\cos \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& -\cos \mathrm{\α}& -\cos \mathrm{\α}& 0& 0& -\cos \mathrm{\γ}\\ \sin \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& -\sin \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& -\cos \mathrm{\β}& \cos \mathrm{\β}& 0\\ 0& 0& 0& 0& \sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\β}& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& 0& 0& 0& -l_2& l_2& 0\\ 0& 0& 0& 0& -l_3\sin \mathrm{\β}& l_3\sin \mathrm{\β}& l_4\\ l_1& -l_1& l_1& -l_1& -l_5\cos \mathrm{\β}& l_5\cos \mathrm{\β}& 0\end{array}\right]u$

$u={\[F_{T_1},F_{T_2},F_{T_3},F_{T_4},F_{T_5},F_{T_6},F_{T_7}\]}^T$

其中，第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆位于ROV艏端，第一垂直推进器T₅、第二垂直推进器T₆和位于ROV艏端的第四水平推进器T₄形成一个平面，该平面垂直运动坐标系的x轴并且与y轴呈β角，运动坐标系x轴到第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆的空间距离分别为l₂，运动坐标系的y轴到第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆在xoz平面上的投影的距离分别为l₃，第三垂直推进器T₇位于ROV艉端并且在xoz平面内，第三垂直推进器T₇与运动坐标系的x轴成γ角，运动坐标系的y轴到第三垂直推进器T₇的空间距离为l₄，运动坐标系的z轴到第一垂直推进器T₅和第二垂直推进器T₆在xoz平面上的投影的距离分别为l₅。

2.根据权利要求1所述的一种深海作业型ROV推进器系统，其特征在于：所述的4个水平推进器呈水平菱形分布，4个水平推进器的正向指向ROV内侧，并且4个水平推进器分别相对于ROV的前进方向的夹角为30度，3个垂直推进器呈三角形分布，其中两个垂直推进器位于ROV艏端，另外一个垂直推进器位于ROV艉端，并且每个垂直推进器的轴向与ROV竖直方向夹角为10度。