CN106364630A - 一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统 - Google Patents

一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统，包括：被动升沉补偿单元，用于补偿水下铠缆单元的静态载荷；主动升沉补偿单元，用于补偿水下铠缆单元的动态载荷；水下铠缆单元，包括铠缆、中继器、系缆和水下机器人。本发明能够在被动升沉补偿单元补偿掉静态载荷的基础上，通过主动升沉补偿单元产生辅助补偿作用，克服动态载荷，使得水下铠缆单元的铠缆做与母船升沉运动方向相反的运动，从而降低铠缆张力波动和中继器的振荡幅度。通过将被动升沉补偿与主动升沉补偿机械结合的方式，可在降低系统能耗的基础上进一步提高系统的升沉补偿效率，适用于大深度、大载荷、长时间、高效率的有缆水下机器人升沉补偿场合。

Description

一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统
技术领域
本发明涉及深海探测与作业技术的海洋技术领域，更具体地，涉及一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统。
背景技术
在深海作业时有缆水下机器人通过系缆连接着中继器，中继器通过很长的铠缆连接着水面母船。在恶劣海况下，母船会随着海浪不断地升沉，该升沉运动通过铠缆传递至水下中继器，导致有缆水下机器人在回收或释放过程中与中继器发生碰撞，这就需要采用合适的升沉补偿系统。目前有缆水下机器人使用的升沉补偿系统主要是被动升沉补偿系统和主动升沉补偿系统。其中，被动升沉补偿系统利用液压缸和气液蓄能器缓冲母船升沉运动对水下中继器的扰动。当母船升沉时，依靠海浪的举升力和水下装备的自重来压缩和释放蓄能器中的工作介质，从而实现升沉补偿。该类升沉补偿系统不需要提供额外的动力，应用较广泛，但其所需设备庞大，补偿精度低，滞后较大，补偿能力有限。当海况更加恶劣时，被动升沉补偿系统不能满足有缆水下机器人平稳收放要求。与被动升沉方式不同的是，主动升沉补偿方式需要主动提供动力，以电能或液压驱动绞车或子A型架来补偿母船的升沉运动，使水下中继器与机器人保持定点或定轨迹状态，优点是补偿精度高，抗干扰性能强，缺点是系统复杂，在补偿大深度大重量ROV系统时能源消耗过大，补偿时间不宜过长。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的是设计一种能够在大深度、大载荷、长时间的深海作业时，以较低能耗和较高效率对海面母船升沉运动进行补偿，降低水下铠缆张力波动和中继器升沉运动的幅度，使有缆水下机器人得以安全、平稳地释放和回收的升沉补偿系统。
为了实现上述目的，本发明提供了一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统，包括：母船，以及搭载于母船上的被动升沉补偿单元、主动升沉补偿单元、滑轮组和水下铠缆单元；
被动升沉补偿单元用于补偿水下铠缆单元的静态载荷，包括被动缸和气液蓄能器，被动缸包括无杆腔G和有杆腔J，无杆腔G与气液蓄能器的充油端相连；
主动升沉补偿单元用于补偿水下铠缆单元的动态载荷，包括主动缸及电液伺服控制组件；主动缸包括无杆腔E和有杆腔F；电液伺服控制组件包括油箱、控制器、活塞运动传感器、母船运动传感器；主动缸的无杆腔E和有杆腔F，分别通过油路与油箱连接；活塞运动传感器、母船运动传感器分别连接控制器，用于向控制器上传活塞位移信号和母船升沉信号；控制器用于控制无杆腔E和有杆腔F与油箱之间的油路通断，从而启动和关闭主动升沉补偿，以进行半主动升降补偿状态和被动升降补偿状态的切换，以及，用于根据活塞运动传感器、母船运动传感器上传的位移信号来控制无杆腔E和有杆腔F的油液流量和压力；
滑轮组包括连接块动滑轮、定滑轮，动滑轮安装在连接块上；主动缸的活塞杆和被动缸的活塞杆同轴且相向设置，并通过连接块连接，定滑轮安装在与被动缸的活塞杆相反的位置上；活塞运动传感器安装在连接块上，母船运动传感器搭载在母船上；
水下铠缆单元包括铠缆、中继器、系缆和水下机器人；铠缆绕在滑轮组上之后，末端从定滑轮引出，在水中与中继器相连，中继器通过系缆与水下机器人相连。
进一步地，被动缸、主动缸均为单作用缸，被动缸的有杆腔J也通过油路与油箱连接。
进一步地，连接块轴线与动滑轮轴线相交且垂直。
进一步地，电液伺服控制组件包括液压站、电液伺服阀、安全阀A、安全阀B、电磁换向阀C、电磁换向阀D、计算机控制模块；
液压站包括油箱、出油过滤器、电机、定量泵、单向阀、溢流阀和回油过滤器，油箱分别通过进油管路和回油管路与电液伺服阀的进油口和回油口相连；电液伺服阀的两个工作油口分别一一对应与主动缸的有杆腔E和无杆腔F相连，在两个工作油口连接有杆腔E和无杆腔F的油路之间跨接有安全阀A和安全阀B，安全阀A通过电磁换向阀A与油箱相连，安全阀B通过电磁换向阀B与油箱相连；
电液伺服阀的进油口通过进油管路顺次连接单向阀、定量泵、出油过滤器、油箱；电液伺服阀的出油口通过出油管路顺次连接回油过滤器、油箱；溢流阀的进油端连接在电液伺服阀的进油口和单向阀之间的进油管路上，溢流阀的出油端连接在出油过滤器和回油过滤器之间的回油管路上；
计算机控制模块包括活塞运动传感器、母船运动传感器、A/D转换器、控制器、D/A转换器；活塞运动传感器、母船运动传感器连接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端连接D/A转换器的输入端，D/A转换器的输出端分别连接电液伺服阀、电磁换向阀A和电磁换向阀B的信号接口；
A/D转换器将活塞运动传感器和母船运动传感器采集的活塞位移信号和母船升沉信号转换格式后上传给控制器进行处理和分析，控制器用于将活塞位移信号和母船升沉信号转换成升沉补偿控制信号，并通过D/A转换器将控制信号下达至电液伺服阀、电磁换向阀A和电磁换向阀B的信号接口，从而进行半主动升降补偿状态和被动升降补偿状态的切换，以及控制无杆腔E和有杆腔F的油液流量和压力。
本发明具有以下有益效果及优点：本发明的一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统结合了被动补偿和主动补偿两种方式的优点，能以较小的能耗实现较满意的补偿精度，可实现半主动补偿与被动补偿的切换，能在主动升沉补偿失效的情况下仍能利用被动补偿继续进行升沉补偿，在未来高海况深海作业时持续升沉补偿中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统的原理示意图。
其中：1-油箱、2-出油过滤器、3-电机、4-定量泵、5-单向阀、6-出油路、7-溢流阀、8-回油过滤器、9-回油路、10-电液伺服阀、11-安全阀A、12-安全阀B、13-电磁换向阀A、14-电磁换向阀B、15-母船、16-主动缸、17-连接块、18-动滑轮、19-被动缸、20-气液蓄能器、21-定滑轮、22-导向轮、23-A形架、24-铠缆、25-中继器、26-系缆、27-ROV、28-A/D转换器、29-控制器、30-D/A转换器、31-活塞运动传感器、32-母船运动传感器
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统，它包括被动升沉补偿单元、主动升沉补偿单元和水下铠缆单元。其中，被动升沉补偿单元包括被动缸19和气液蓄能器20，用于补偿水下铠缆单元的静态载荷，如重浮力；主动升沉补偿单元，包括主动缸16及其电液伺服控制组件，用于补偿水下铠缆单元的动态载荷，即与速度和加速度相关的载荷；水下铠缆单元包括海面以下的铠缆24、中继器25、系缆26和水下机器人27。当母船15在海面上做上下升沉运动H3时，作用在被动缸19活塞杆上的载荷包括水下铠缆单元的静态载荷及母船15的动态载荷，在被动升沉补偿单元补偿掉静态载荷的基础上，由母船运动传感器32实时检测母船15的升沉运动，通过控制器29驱动主动升沉补偿单元产生辅助补偿作用，克服动态载荷，使得被动缸19活塞做与母船15升沉运动方向相反的运动，从而降低入水点处铠缆24的升沉运动幅度，进一步降低水下铠缆单元中铠缆24的张力波动和中继器25的振荡幅度。
在本实施例中，被动升沉补偿单元中的被动缸19为单作用液压缸，气液蓄能器20形式为活塞式，充气端充装氮气，初始充气体积和压力视所补偿的水下铠缆单元的净重而定。被动缸19无杆腔G通过管路与气液蓄能器20充油端相连，有杆腔J油液直接回油箱1(在其他实施例中也可以流回其他油箱)，被动缸19活塞杆前端与连接块17固连，连接块17内中心轴上安装动滑轮18，与被动缸19底端安装的定滑轮21构成滑轮组，动滑轮18的轴线与连接块17的轴线垂直相交。主动升沉补偿单元中的主动缸16为单作用液压缸，主动缸16活塞杆前端与连接块17固连且与被动缸19活塞杆共轴线，主动缸16无杆腔E和有杆腔F的油液压力和流量由电液伺服控制组件根据补偿需要进行精密调节。电液伺服控制组件包括液压站、电液伺服阀10、安全阀A11、安全阀B12、电磁换向阀C13，电磁换向阀D 14和计算机控制模块。液压站输出恒定压力的油源，包括油箱1、出油过滤器2和回油过滤器8、电机3、定量泵4、单向阀5、溢流阀7等，分别通过进油管路6和回油管路9与电液伺服阀10的进油口和回油口相连。电液伺服阀10采用喷嘴挡板式，具有无死区、频宽高和动态响应快的特点。电液伺服阀10的两个工作油口分别与主动缸16的有杆腔F和无杆腔E相连，同时在两个工作油口连接有杆腔E和无杆腔F的油路之间跨接有安全阀A11和安全阀B12，以防止油路压力过高时损坏液压密封件，安全阀A11通过电磁换向阀A13与油箱1相连，安全阀B12通过电磁换向阀B14与油箱1相连。半主动升沉补偿系统可在被动升沉补偿模式和半主动升沉补偿模式之间切换，当切换至被动升沉补偿模式时，电磁换向阀C13和电磁换向阀B14均开启，主动缸16有杆腔E和无杆腔F液压油直接与油箱1连通；当切换至半主动升沉补偿模式时，电磁换向阀C13和电磁换向阀B14均关闭，主动缸16有杆腔E和无杆腔F液压油由电液伺服阀10进行调节。计算机控制模块包括活塞运动传感器31、母船运动传感器32、A/D转换器28、控制器29、D/A转换器30和线缆等。母船运动传感器32采用惯性测量单元IMU，安装在母船15甲板尾端位置，输出母船15的六自由度运动信号H1。活塞运动传感器31采用磁致伸缩位移传感器，内置于被动缸19或主动缸16的活塞杆内，输出活塞的绝对位移信号H2。A/D转换器28采集到母船运动和活塞位移信号H1、H2后，交由控制器29处理和分析，控制器29通过D/A转换器30将控制信号分别下达至电液伺服阀10和电磁换向阀13，14的信号接口，调节电液伺服阀10的开度和电磁换向阀13，14的换向。水下铠缆单元中的铠缆24缠绕滑轮组3或5圈后，经导向轮22和A形架23后没入水中，铠缆24末端与中继器25相连，中继器25通过中性浮力系缆26与水下机器人27相连。水下机器人27从母船15释放时结合在中继器25的底部，待下放至工作水深时，水下机器人27脱离中继器25，在中继器25周围进行水下作业。
本发明的一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统具有两种基本工作模式：被动升沉补偿模式和半主动升沉补偿模式。当工作模式置为被动升沉补偿模式时，电液伺服控制组件不需要启动，只需被动升沉补偿单元动作，此时电磁换向阀C13和电磁换向阀B14均为开启状态，以便主动缸16不至于发生堵死现象。初始时被动缸19活塞处于中位附近，当母船15上升时，由于水下铠缆单元具有较大惯性，作用在被动缸19活塞杆上的外载荷增加，迫使活塞杆回缩和压缩蓄能器20内气体，同时释放铠缆24；当母船15下降时，同样由于水下铠缆单元的大惯性，作用在被动缸19活塞杆上的外载荷减少，蓄能器20内气体膨胀对外做功，气压降低时体积增大，推动被动缸19活塞杆外伸，同时回收铠缆24。通过在母船15上升时释放铠缆24和下降时回收铠缆24，使铠缆入水初始点基本不动，从而降低对水下铠缆单元的扰动，进一步降低铠缆张力波动和水下中继器的振荡幅度。
当工作模式转为半主动升沉补偿模式时，电液伺服控制组件需要启动，被动升沉补偿单元和主动升沉补偿单元同时动作，此时电磁换向阀C13和电磁换向阀B14均为关闭状态，主动缸16有杆腔E和无杆腔F油压和流量由电液伺服阀10根据补偿要求而不断调节。初始时被动缸19活塞处于中位附近，当母船15上升时，由于水下铠缆单元具有较大惯性，作用在被动缸19活塞杆上的外载荷增加，迫使活塞杆回缩和压缩蓄能器20内气体，同时电液伺服系统控制主动缸16无杆腔进油和有杆腔回油，克服粘性摩擦力等动态载荷，进一步使被动缸19活塞杆回缩，从而释放更多铠缆24；当母船15下降时，同样由于水下铠缆单元的大惯性，作用在被动缸19活塞杆上的外载荷减少，蓄能器20内气体膨胀对外做功，气压降低时体积增大，推动被动缸19活塞杆外伸，同时电液伺服系统控制主动缸16有杆腔进油和无杆腔回油，克服粘性摩擦力等动态载荷，进一步使被动缸19活塞杆回缩，从而回收更多铠缆24。通过在母船上升时释放铠缆24和下降时回收铠缆24，从而降低铠缆24张力波动和水下中继器25的振荡幅度H3。以上过程可周而复始地循环，以实现连续升沉补偿。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统，其特征在于，包括：母船，以及搭载于母船上的被动升沉补偿单元、主动升沉补偿单元、滑轮组和水下铠缆单元；
被动升沉补偿单元用于补偿水下铠缆单元的静态载荷，包括被动缸(19)和气液蓄能器(20)，被动缸(19)包括无杆腔G和有杆腔J，无杆腔G与气液蓄能器(20)的充油端相连；
主动升沉补偿单元用于补偿水下铠缆单元的动态载荷，包括主动缸(16)及电液伺服控制组件；主动缸(16)包括无杆腔E和有杆腔F；电液伺服控制组件包括油箱(1)、控制器(29)、活塞运动传感器(31)、母船运动传感器(32)；主动缸(16)的无杆腔E和有杆腔F，分别通过油路与油箱(1)连接；活塞运动传感器(31)、母船运动传感器(32)分别连接控制器(29)，用于向控制器(29)上传活塞位移信号和母船升沉信号；控制器(29)用于控制无杆腔E和有杆腔F与油箱(1)之间的油路通断，从而启动和关闭主动升沉补偿，以进行半主动升降补偿状态和被动升降补偿状态的切换，以及，用于根据活塞运动传感器(31)、母船运动传感器(32)上传的位移信号来控制无杆腔E和有杆腔F的油液流量和压力；
滑轮组包括连接块(17)、动滑轮(18)、定滑轮(21)，动滑轮(18)安装在连接块(17)上；主动缸(16)的活塞杆和被动缸(19)的活塞杆同轴且相向设置，并通过连接块(17)连接，定滑轮(21)安装在与被动缸(19)的活塞杆相反的位置上；活塞运动传感器(31)安装在连接块(17)上，母船运动传感器(32)搭载在母船上；
水下铠缆单元包括铠缆(24)、中继器(25)、系缆(26)和水下机器人(27)；铠缆(24)绕在滑轮组上之后，末端从定滑轮(21)引出，在水中与中继器(25)相连，中继器(25)通过系缆(26)与水下机器人(27)相连。
2.根据权利要求1所述的一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统，其特征在于：被动缸(19)、主动缸(16)均为单作用缸，被动缸(19)的有杆腔J也通过油路与油箱(1)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统，其特征在于：连接块(17)轴线与动滑轮(18)轴线相交且垂直。
4.根据权利要求3所述的一种有缆水下机器人半主动升沉补偿系统，其特征在于：电液伺服控制组件包括液压站、电液伺服阀(10)、安全阀A(11)、安全阀B(12)、电磁换向阀C(13)、电磁换向阀D(14)、计算机控制模块；
液压站包括油箱(1)、出油过滤器(2)、电机(3)、定量泵(4)、单向阀(5)、溢流阀(7)和回油过滤器(8)，油箱(1)分别通过进油管路(6)和回油管路(9)与电液伺服阀(10)的进油口和回油口相连；电液伺服阀(10)的两个工作油口分别一一对应与主动缸(16)的有杆腔E和无杆腔F相连，在两个工作油口连接有杆腔E和无杆腔F的油路之间跨接有安全阀A(11)和安全阀B(12)，安全阀A(11)通过电磁换向阀A(13)与油箱(1)相连，安全阀B(12)通过电磁换向阀B(14)与油箱(1)相连；
电液伺服阀(10)的进油口通过进油管路(6)顺次连接单向阀(5)、定量泵(4)、出油过滤器(2)、油箱(1)；电液伺服阀(10)的出油口通过出油管路(9)顺次连接回油过滤器(8)、油箱(1)；溢流阀(7)的进油端连接在电液伺服阀(10)的进油口和单向阀(5)之间的进油管路(6)上，溢流阀(7)的出油端连接在出油过滤器(2)和回油过滤器(8)之间的回油管路(9)上；
计算机控制模块包括活塞运动传感器(31)、母船运动传感器(32)、A/D转换器(28)、控制器(29)、D/A转换器(30)；活塞运动传感器(31)、母船运动传感器(32)连接A/D转换器(28)的输入端，A/D转换器(28)的输出端连接控制器(29)的输入端，控制器(29)的输出端连接D/A转换器(30)的输入端，D/A转换器(30)的输出端分别连接电液伺服阀(10)、电磁换向阀A(13)和电磁换向阀B(14)的信号接口；
A/D转换器(28)将活塞运动传感器(31)和母船运动传感器(32)采集的活塞位移信号和母船升沉信号转换格式后上传给控制器(29)进行处理和分析，控制器(29)用于将活塞位移信号和母船升沉信号转换成升沉补偿控制信号，并通过D/A转换器(30)将控制信号下达至电液伺服阀(10)、电磁换向阀A(13)和电磁换向阀B(14)的信号接口，从而进行半主动升降补偿状态和被动升降补偿状态的切换，以及控制无杆腔E和有杆腔F的油液流量和压力。
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