CN113212706B - 一种水下探测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下探测机器人，包括机器人主体，所述机器人主体的两侧分别具有机械腿，所述机器人主体上设置有用于投放定位浮标的机械手，所述机器人主体上设置有用于驱动所述机械腿以及所述机械手运动的驱动系统；所述机器人主体上设置有信号连接的探测系统、水下控制系统；所述探测系统用于对水下爆炸物进行精确搜索和定位，并与所述水下控制系统进行实时数据传输，所述水下控制系统信号连接有水上控制系统。可以在水下连续区域进行自主探测作业，同时可以通过远程遥控的方式开展水下探测作业活动。

Description

一种水下探测机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其涉及一种水下探测机器人。

背景技术

水下爆炸物在战时和平时都给军事和民事带来了极大的危害，据禁止使用地雷国际组织(ICBL) 的最新统计，目前世界上有80多个国家都不同程度地受到了水下爆炸物的危害，我国就属于受水下爆炸物影响较大的国家，据资料记载，在我国水域内还存在数以万计的水下爆炸物，对国防建设和国民经济造成的相当大的损失。

同时，在未来高技术条件下的海战中，敌方也会在重点海域布放大量水下爆炸武器给我军登陆作战带来威胁和困难。特别是沉底水雷，它是现代海战中反舰反潜的有力武器，它具有隐蔽性好、威胁时间长、布放简便、抗扫能力强、用途广泛等特点。如瑞典的GM1-100罗肯水雷，它外壳采用特殊材料制作，具有较强的隐蔽性，能够适应海底的地形地貌，普通的猎雷声纳对其难以识别，爆炸威力巨大。近年来虽然我军排雷技术和装备都取得了长足的进步，但对于在复杂海域环境和恶劣海况条件下的探雷手段还需进一步加强。

所以，针对水下爆炸物的探测研究具有紧迫的现实意义，如何高效的探测范围和探测精度是我军面临的重要课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种水下探测机器人，可以在水下连续区域进行自主探测作业，同时可以通过远程遥控的方式开展水下探测作业活动。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

本发明提供了水下探测机器人，包括机器人主体，所述机器人主体的两侧分别具有机械腿，所述机器人主体上设置有用于投放定位浮标的机械手，所述机器人主体上设置有用于驱动所述机械腿以及所述机械手运动的驱动系统；

所述机器人主体上设置有信号连接的探测系统、水下控制系统；

所述探测系统用于对水下爆炸物进行精确搜索和定位，并与所述水下控制系统进行实时数据传输，所述水下控制系统信号连接有水上控制系统。

进一步地，所述机器人主体的两侧分别具有三条机械腿，其中所述机器人主体左侧的前腿、后腿及右侧的中腿组成第一组腿，其余三条腿组成第二组腿，所述第一组腿和第二组腿交替上下动作。

进一步地，所述机械腿包括转动臂、摆臂、落地臂，所述转动臂一端水平可转动设置在所述机器人主体的侧壁，所述摆臂的一端与所述转动臂的另一端转动相连，所述落地臂的一端与所述摆臂的另一端转动相连。

进一步地，所述探测系统包括设置于所述机器人主体前端的3D成像声纳，及设置于所述机器人主体后端的电磁力仪。

进一步地，所述机械手选用气动机械手或液压机械手或电动机械手。

进一步地，所述机械手的数量设置为两个，且两个所述机械手设置于所述机器人主体的前端。

进一步地，所述水下控制系统与水上控制系统之间通过脐带缆信号连接。

进一步地，所述机器人主体还具有观察系统，所述观察系统用于将水下作业的情况与水上控制系统进行实时数据传输。

进一步地，所述观察系统包括设置于所述机器人主体上的水下摄像机和水下照明设备。

进一步地，所述水下摄像机包括设置于所述机器人主体顶端的360°可旋转摄像机以及设置于所述机器人主体前端的机械手摄像机。

本发明的有益效果如下：

可以在水下连续区域进行自主探测作业，同时可以通过远程遥控的方式开展水下探测作业活动。

附图说明

图1为根据本发明实施例提供的水下探测机器人的结构示意图；

图2为图1从另一角度观察的结构示意图；

图3为根据本发明实施例提供的水下探测机器人的分解示意图；

图4为根据本发明实施例提供的水下探测机器人中舵机输出转角与脉冲宽度的关系示意图。

具体实施方式

1.系统总体设计

如图1、图2、图3所示，一种水下探测机器人，包括机器人主体10、机械手20、驱动系统、探测系统、观察系统、定位系统、控制系统。

在机器人主体10的两侧分别具有机械腿30，机械腿30包括转动臂31、摆臂32、落地臂33，转动臂31一端水平可转动设置在机器人主体10的侧壁，摆臂32的一端与转动臂31的另一端转动相连，落地臂33的一端与摆臂32的另一端转动相连。

机器人主体10，主要用以承载各种装置和仪器设备等，其外形和结构的优劣将直接决定水下机器人总体性能，所以本装备选用以钛合金和不锈钢等材料作为主要制造材料，这样可以保证最大程度的发挥各种装置和仪器的技术性能，便于使用、存放和维护。同时采用6条机械腿来作为水下行走机构，这样的设计不但可以提高装备的稳定性，还有效的增加的水下机器人的爬坡和越障能力，可实现在复杂水域及恶劣海况条件下，对水下爆炸物的探测和定位作业。

机械手20，可以完成多种水下作业，提高水下爆炸物探测机器人的作业效率和扩大应用领域。本装备拟采用两只机械手结构，主副机械手均采用7功能，布置在机器人主体结构的前端，保证水下爆炸物机器人能够在恶劣环境中进行安全作业。此外，还根据作业任务的不同，配置水下大流速清障设备和水下液压剪等作业工具。

驱动系统，本装备主要驱动依靠水下液压马达驱动，其具有体积小、重量轻、马力大、操控性好等优点，能够平稳均匀的传递给各个机构，有效减小动力消耗。利用水下螺旋桨进行机器人的升降运动，着底之后使用机械腿进行移动。

探测系统，本装备主要选择3D成像声纳40和电磁力仪50等多重探测装备对水下爆炸物进行精确搜索和定位。电磁力仪器拟定型号为海洋铯光泵磁力仪，该仪器具有可靠性好，探测精度高等优点。

观察系统，其中包括有水下摄像机60和水下照明设备70两部分，可以将水下作业的情况与母船进行实时数据传输，便于操作人员进行指令的下达和操作。

定位系统，采用声学多普勒流速剖面仪(ADCP)作为其主要定位手段，其主要利用“多普勒效应”测量流动水和声脉冲的速度和方向。可集成在机器人主体结构内部，定位精度较高。此外采用定位浮标设计，当探测到目标未爆物时，机器人在爆炸物附近，利用机械手将定位浮标底座插入河底，启动气瓶开关，定位浮标将迅速充气借助浮力向上运动，同时连着荧光信号线，对爆炸物进行定位，为水面排弹人员提供位置信息。

控制系统，主要分为水上控制系统、水下控制系统和脐带缆等部分。水上通过监视和操作水下爆炸物探测机器人的水下作业，并向水下载体提供所需的动力，水下控制系统主要是执行水面的命令，产生需要的运动，以完成给定的作业使命。

2.目标功能设计

具有较强的爬坡能力，能在复杂的水下环境中行走，也具备较强的抗流能力，能迎着水流前进；

可以在水下连续区域进行自主探测作业，同时可以通过远程遥控的方式开展水下探测作业活动。能实现水下爆炸武器的无人化探测作业。探测到爆炸物后对爆炸物进行识别清洗冲刷，确定爆炸物危险系数，设下定位浮标后发送位置信息给母船，完成后对其它区域进行探测；

模块化设计，能够进行水下样本取样分析，从而实现地形探测。

3.性能指标设计

4.外形结构材料

ROV的外形结构材料的选型对于整体性能的影响也非常大，选用属性优良的材料不但可以减轻整体的重量，更能够提高ROV的机动性和灵活性，所以在选择结构材料时，应尽量选择具有较高比强度和比刚度的材料。耐压壳体的材料有金属与非金属两类，目前较为常用的材料有高强度的铝合金、钢、钛合金、丙烯酸塑料和玻璃等。通常对材料的比强度、比刚度、可设计性、可装配性、可生产性及经济性的比较来选用。

高强度的铝合金已经在中小型水下机器人的框架和浮力筒方面得到广泛应用，这主要是因为铝合金的比重比较小，相同外形尺寸下能提供比较大的浮力，增加水下机器人的负载能力，而且铝合金也具有一定的抗腐蚀能力，譬如铝合金6061T6。而是铝合金的缺点就是焊接性比较差，而且当筒体直径比较大时，加工手段比较单一，相应的坯料也难以获得，成本较高。

另外一种使用比较广泛的材料属高强度不锈钢，它的主要优点就是材料容易获取，成本相对优廉。在筒体尺寸较大时，加工手段比较可行而且焊接性能好。但是它的主要缺点就是比重比较大，密度差不多为铝的三倍，影响浮力的提供，需要取设计附加的机构来实现壁厚的减薄。

还有一种材料就是钛合金，它具有良好的机械性能，比较好的耐海水腐蚀性和无磁性。但是它的缺点就是成本比较高，加工手段复杂等，这两个因素大大的限制了它的适用范围。

综合上面几方面的因素，结合本次观测机器人的100米的极限水深，确定设计整体结构采用了流线型造型，机器人外形尺寸为1.2m×2m×1.5m(长、宽、高)。

5.耐压壳受力分析

薄壳基础理论，当计算耐压壳体时，应确保壳体强度及形状的稳定性。我们可以考虑应用壳体理论来进行计算。在弹性力学中所谓“壳体”是指由两个曲面所包住的物体，一般用δ表示两曲面之间的距离，平分厚度的曲面为中曲面。

壳体理论中假定材料是各向同性的，并且服从虎克定律，而其中各点的位移较其厚度小得多。通常，将(其中R为中面曲率半径)的壳体称为薄壳，而把不满足上述不等式的壳体看作厚壳。

本ROV选用圆柱形耐压壳体，其优点是，制造、安装方便，结构轻便，容积大，结构的稳性较高。按照上述的条件，本耐压壳体可以视为薄壳。

在薄壳中曲面，把曲率线作为坐标曲线α和β。α，β的切向单位矢e₁，e₂和曲面的法向单位矢m，以相邻的两条曲率线α和两条曲率线β，从薄壳中曲面内取出微分面素，设面元素载荷为 q，其在e₁，e₂，m方向的投影分别是q₁，q2，q₃。

以α为法线的截面上，沿中曲面为单位宽度的面积上的内力是：

同理，在以β为法线的截面上，内力为：

得三个平衡方程：

薄壳的几何方程：

薄壳的物理方程：

6.机械手种类

机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动装置。机械手是ROV水下作业系统的核心部分，它对提高ROV的作业效率和扩大应用领域发挥着极其重要的作用。一般来说，机械手的作业范围、动力性能和控制灵巧性等因素决定了整个水下作业系统的性能。

按照机械手的驱动源来划分，机械手主要可以分为气动机械手、液压机械手和电动机械手三类。

(1)电气机械手。它依靠压缩空气来驱动，作业时压缩的空气做功后直接在水中排放，气泡伴随着产生，噪音较大。受到水压的作用，在大深度区域内海水易进入气动元件影响使用寿命，所以维护保养较为频繁。由于作业耗能较多，电气机械手的体积和重量都比较大，但效率相比其他两种机械手要低，一般仅适用于水深50米内的区域。

(2)液压机械手。它以矿物油的压力能作为动力，它单位重量的输出功率大、输出平稳，因此体积小、重量轻。使用时能均匀调速，调速范围较大，不需要减速装置，因而造价较低、维护保养也较为方便。可以通过电磁阀实现自动控制，与环境相容性好，已广泛应用于中浅深度作业。但在大深度海况条件下，易出现漏油的现象，这不但会污染环境，更造成了机械元件的损坏，大大降低了机械手的可靠性与使用寿命。

(3)电动机械手。它依靠电力来驱动，响应速度快、内部的直流电机运行平稳，但如果配备的小型电机转速较高，需要减速器、离合器、制动器等配套设备，这样会造成整个机械手体积较大，重量较重。电动机械手运行平稳故障率较低，但价格相对高昂。在所有动力机械手中其实际能耗率最低，控制精度最高，但要求电动机对海水完全密封，对电缆的绝缘有一定的要求。

7.机械手的布置

通常机械手的布置采用拟人的方法将机械手布置在ROV的前部，靠近观察设备，能够给ROV的作业带来一定的便捷性，但这样布置对机械手的遇到偶然性碰撞的保护程度不高，同时浮游状态机械手的运动下容易对ROV的运动姿态造成一定的干扰，所以在整体设计的时候就需要对机械手施加保护措施，不工作的时候应该缩回到安全位置，并对机械手运动产生的扰动进行补偿。

一般作业型ROV的前端都装有两个机械手，分工合作，一般其配置方式为：右舷机械手多为作业型机械手，也被称为主机械手，较为灵活，作业精度高，自由度相对较多，一般5～7个，控制系统多采用主从式电液伺服控制。

左舷机械手主要作为定位型机械手，也被称为副机械手，较为简单，但臂力强大，能可靠实施潜器悬浮作业的定位功能，并可兼顾部分作业任务，其自由度一般较少，3～5个即可，控制系统可采用简单的开关控制方式。

这种配置，一方面是因为潜水器在水下处于一种悬浮状态，在作业时候很难做到潜水器不发生漂移，因此其中的一只机械手可以作为主要的作业机械手手，另一只手只起到稳定潜水器的作用，可以用来平衡主作业手在工作时产生的作用反力；另一方面，如果作业的物体尺寸过大、过重等，或者需要机械手同时进行不同的作业要求等情况，可以利用多个机械手联合协同作业或者同时进行不同的作业等。

ROV机械手要求重量轻、装载体积小、运动范围大，并要求具有很强的抗腐蚀能力。根据性能指标选择安装两条机械手，右舷为7自由度的主机械手，主要是负责水下作业，左舷为4自由度的副机械手，主要是负责定位和辅助作业。两条机械手采用电机驱动，由于目前机械手产品比较成熟了，可选范围较大，所以本ROV机械手主要采取外购的方式，但在安装的过程中注意与整个ROV的兼容性，并且对控制也需加以研究。在后续的研究中，可以根据水下作业需求设计出适合专用机械手。

除此之外，由于机械手的功能有限，并不能完全满足水下探测的要求，水下作业时可以搭配内含多种机具的工具包，可扩大机械手的作业能力和效率。常见的专用水下作业工具大致有：清洗刷、砂轮锯、冲击钻、剪切器、夹持器、冲击扳手等。具体用途见下：

工具名称	用途
		清洗刷	水下结构物清洗
砂轮锯	水下切割和打磨
		水下钻具	钻眼、攻丝
剪切器	钢缆切割
		夹持器	沉物打捞
破碎锤	岩石破碎
		冲击扳手	螺栓拧紧和松开

8.水动力分析

正确预测水下机器人运动时所受的外力(矩)，特别是所受流体动力，是仿真计算的基础。这些外力(矩)大致可以分为：,是水动力；是推力及推力矩；是静力，包括水下机器人的重力W和浮力 B；是环境扰动引起的干扰力及其力矩。

水动力是因为水下机器人的运动而引发运动的水对其的反作用力。若将水下机器人视为固定，则其所受水动力与艇体形状、来流加速度大小、来流速度大小及来流方向均有密切关系。对于在给定流场(无限深、广、静水)中的确定形状的水下机器人而言，此时水动力只取决于水下机器人的运动情况，可写为：

水动力大致可以分为两大类，即惯性类水动力和粘性类水动力。

根据单刚体运动动量定理和动量矩定理，在随体坐标系内，水下机器人运动方程式可以表达如下：

其中，m是水下机器人质量；J是转动惯量；水下机器人重心在随体坐标内的坐标R_G＝(x_G,y_G,z_G)^T；坐标原点的线速度U＝(u,v,w)^T，u称为纵向速度、v称为横向速度、w称为垂直速度；坐标原点的角速度Ω＝(p,q,r)^T，p称为横滚角速度、q称为纵倾角速度、r称为转轴角速度；水下机器人所受外力F＝(X,Y,Z)^T，X称为纵向力、Y称为倾向力、Z称为垂直力；外力矩 M＝(K,M,N)^T,K称为纵向力矩、Y称为侧向力矩、Z称为垂向力矩。

经展开整理，可以得到如下运动的动量和动量矩定理

考虑到随体坐标系与惯性坐标系间的坐标转换，在惯性坐标系内，可以得到运动关系式：

其中，水下机器人原点在惯性坐标系内的坐标为水下机器人运动姿态由随动坐标系相对与惯性坐标系的夹角(φ,θ,ψ)^T来表示，Φ为横倾角，θ为纵倾角，Ψ为轴向角，且都遵循右手螺旋法则。

通过预报分析得到了水下机器人的操纵性水动力系数，进而建立完整的六自由度空间运动数学模型。经整理可得如下方程式：

纵向运动方程：

横向运动方程：

垂向运动方程：

横滚运动方程：

俯仰运动方程：

艏运动方程：

作用在水下机器人的水动力矢量F在随动坐标系XYZ上的三个分量分别为纵向力Axial force、侧向力Lateral force、垂向力Normal force，作用力F对坐标原点的力矩矢量在随动坐标系XYZ 上的三个分量分别为横滚力矩Rolling moment、纵倾力矩Pitchingmoment、转艏力矩Yawing moment。对水下机器人模型进行简化，得到如下：

纵向力

侧向力

垂向力

横滚力矩

纵倾力矩

转艏力矩

外力为附加质量力、粘性阻尼力、推进力和恢复力的总和,其他作用在水下直升机的力和力矩同样的作为外力。

因此运动模型如下：

垂直面

Surge equation:

Heave equation

Pitch equation

/>

水平面

Sway equation

Roll equation

Yaw equation

Yaw equation

在运动坐标系中的流速为：

对左右对称的中性水下运载器，再由于左右对称性，

9.六足驱动装置分析

六足机器人的直行方式选择三角步态，将机器人的左侧前腿、左侧后腿及右侧中腿分为A组，其余三腿分为B组，三三交替上下动作。

首先，机器人六条腿都着地，而后A组腿抬起，向前摆动，重心向前移动半个步长。然后A 组腿着地，B组腿抬起，向前摆动，重心再向前移动半个步长.最后B组腿着地完成一个运动周期，如此循环往复使移动。

建立运动学模型：建立运动学模型基于D-H法，先建立机器人腿部坐标系，然后确定各连杆参数和关节变量。

列出机器人腿部坐标系的3个变换矩阵:

0 1

T＝Rot

Z(θ1)Trans(a1，0，0)RotX(α1) (1)

1 2

T＝Rot

Z(θ2)Trans(a2，0，0) (2)

2 3

T＝Rot

Z(θ4)Trans(a3，0，0) (3)

将(1)～(3)式相乘得到末端执行器即腿部末端坐标系在0坐标系下的位姿矩阵:

0 3

T＝0

1T1 2T2 3T (4)

通过计算得到运动学正解:腿部末端点的位置关于关节转角的表达式

x＝a

1cos(θ1)+a2cos(θ1)cos(θ2)+a3cos(θ1)cos(θ2+θ3) (5)

y＝a1sin(θ1)+a2sin(θ1)cos(θ2)+a3sin(θ1)cos(θ2+θ3) (6)

z＝a

1sin(θ2)+a2sin(θ2)cos(θ3)+a3cos(θ2)sin(θ3) (7)

通过求逆解得到关节转角关于腿部末端点位置坐标的表达式，并考虑到sin、cos和tanθ

在计算中排除了如腿部末端点位于躯体边缘正下方在实际运动中不可能出现的情况，因此未考虑x＝0的情况.直行时足端的轨迹规划采用抛物线进行直行轨迹参数设定。

考虑机器人腿部及躯体的长度，参数设定如下:s＝40mm，h＝50mm，H＝100mm，v1y＝v2y ＝v＝200mm/s，v1z＝v2z＝0mm/sτ1＝1sτ2＝1sT＝τ1+τ2其中:s为直线段长度(躯体前进距离)(mm)，h为弧线高度(腿部摆动高度)(mm)，H为直线段轨迹距y轴的距离(mm)， v为直线段速度(躯体前进速度)(mm/s)，v1、v2为弧线段与直线段接合处的速度(mm/s)，τ1为直线段持续时间(s)，τ2为弧线段持续时间(s)，T为一个周期的时间(s)，由一个周期的运动将由3段轨迹构成:t→(0，0.5)为直线段t→(0.5，1.5)为弧线段t→(1.5，2) 为直线段，连杆参数和关节变量Tab.1Link parameters连杆关节变量。

(1)直线段的轨迹规划

由轨迹分析可知，设在支撑相时X(t)＝150，Z(t)＝-100.由于直线段设为匀速直线运动，可得:t→(0，0.5)，Y(t)＝200t，t→(1.5，2)，Y(t)＝-100+200(t-1. 5)在摆动相时X(t)＝200.(2)弧线段的轨迹规划弧线段的轨迹规划根据轨迹参数确定约束条件: 起点坐标Y(0.5)＝100，起始速度Y'(0.5)＝200，中间点坐标Y(1)＝0；终点坐标Y(1. 5)＝-100，终止速度Y'(1.5)＝100.建立四次多项式运动曲线，根据约束条件求解多项式系数，确定Y和Z方向参数方程为:t→(0.5，1.5)Y(t)＝1 000(-0.4+2t-2.4t2+0.8t3)(12)Z(t)＝1 000(0.8-4.8t+8.8t2-6.4t3+1.6t4)

(2)基于MATLAB的六足步行机器人的运动学仿真分析

本文中MATLAB的数学仿真模型是基于运动学逆解和轨迹规划的基础上建立的，根据各个逆运动学方程及参数曲线，编写基于MATLAB的Simulink文件，将足端轨迹带入，得到对应的关节曲线。

10.探测系统

基于多重探测技术手段的探测系统研究。

由于受到水深、大地磁场等条件影响，用于地下探测的装备仪器不能完全适用于探测水下爆炸物，所以本项目拟采用一种基于多重探测技术手段的探测系统，通过比对不同类别的探测装备技术手段等，分析并选取适应我国水域特征的水下爆炸物探测装备集成探测系统。拟采用采用基于3D 成像声纳和电磁力仪等技术手段的探测系统。3D成像声纳主要用于完成对海底三维成像，通过对海底三维成像分析，既可以完成对水下爆炸物探测和定位，然而海底三维成像数据量大，需要采用有效的数据处理算法对海底三维成像数据进行处理分析，从而提取有效的数据，进而完成水下爆炸物的识别。电磁力仪适合于探测和定位各种尺寸的铁磁性目标，可以直接定位金属类水下爆炸物，然而由于水下环境复杂，水底中存在很多金属垃圾，这些都会对水下爆炸物的探测造成干扰，所以需要结合3D成像声纳和电磁力仪的数据，共同完成水下爆炸物的探测，研究基于多探测设备的探测系统，提高探测效率和成功率。有效地保证了水下爆炸物探测机器人的战场适应性。

11.控制系统

ROV控制系统大体上可以分为三部分：水上控制系统、安装于机器人主体上的水下控制系统和连接这两部分的主缆、系缆和中继器。水上控制系统的功能是监视和操作机器人主体，并向机器人主体提供所需的动力；水下控制系统的功能则是执行水面的命令，产生需要的运动，以完成给定的作业使命。主缆、系缆和中继器的主要用途是传递信息和输送动力。

(1)控制系统选择

在设计ROV控制系统时，有两种出发点，一种是尽可能地将控制系统所需要的设备放在水面控制台上，只把无法放在水面控制台上的设备留在ROV的载体上，如将推进器、液压系统及传感器等留在水下载体中，将其余设备放在水面控制台上。这样做的好处是水下设备少，水下载体故障率低。由于多数控制设备放在水面控制台上，所以便于维护和修理，同时可减小水下载体的体积和重量，对减轻吊放系统、绞车和中继器系统的负荷有利。其缺点是由于每台设备的引线都必须直接通过电缆引到水面控制台，增加了对脐带电缆芯线数量的要求，芯线数量的增加导致电缆直径变大，这增加了脐带电缆的重量和水下运动阻力。另一种出发点与上述做法相反，将与控制水下载体有关的设备放到水下载体上，采用集中采集和数据通讯方式与水面连接，除了动力需要占用的脐带电缆芯线以外，另外用一组或两组芯线进行水上和水下设备之间的信息交换。其优点是避免了将大量的水下设备直接连接到水面，从而大大地减少了脐带电缆的芯数，减小了脐带电缆的直径。这种方案的缺点是水下设备多，水下载体重量增加，而且，这种方案对于调试、维护和修理是不利的。

由于我们设计的ROV要求简单、下潜深度也不大，所以选择第一种方案。按照功能可以大体将 ROV控制系统分成7个子系统，它们是：

(1)航行控制子系统：

(2)导航定位子系统；

(3)信息采集及交换子系统；

(4)观察子系统：

(5)作业设备控制子系统；

(6)水面支持设备控制千系统；

(7)脐带电缆及动力系统。

11.驱动系统设计

对ROV的控制要求是，当ROV做非操作性浮游运动时要求速度快，以便节省时间尽快到达目标。而当ROV接近工作对象时，要求驱动机构能平滑调速，特别是能实现速度微调。根据这一要求，有三种驱动方案可供选择，即：直流电机驱动、交流变频驱动和液压驱动。直流电机驱动方案是较理想的驱动方案，易于实现平滑调速，控制简便，经济调速范围较宽，在中小型ROV中被广泛采用。交流变频调速方案的浸水承压性能比直流方案好，可以满足调速范围宽的要求，结构简单、易维护等优点。但由于需要三相供电，比起直流驱动方案增加了一根供电线。液压驱动方案在大型ROV的控制系统中得到了广泛应用。由于我们要设计的ROV要承载一定的负荷进行水下作业任务，所以驱动系统采用伺服阀控制液压马达方案，选择快速响应的恒压变量泵作为液压系统的液压源。

一个舵机内部包括了一个小型直流马达：一组变速齿轮组：一个可调电位计及一块电子控制板。其中，高转速的直流马达提供了原始动力，带动减速齿轮组，使之产生高扭力的输出。一个舵机是一个典型闭回路控制系统。

减速齿轮组由马达驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压回授给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生修正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，是齿轮组的输出位置与设定值相符，令修正脉冲趋近于0，从而达到使马达精确定位的目的。

舵机有一个三线的接口，分别接电源线、地线及控制线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源.电压通常介于4V～6V，一般取5V。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms。如图4所示，当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

12.ROV位总线集散控制系统方案研究

根据该ROV系统的组成和使命，采用位总线(Bitbus)集散控制系统(DCS)作为它的计算机控制系统。集散控制系统是以多个微处理机为基础利用现代网络技术、现代控制技术、图形显示技术和冗余技术等实现对分散控制对象的调节、监视管理的控制技术。其特点是以分散的控制适应分散的控制对象，以集中的监视和操作达到掌握全局的目的。系统具有较高的稳定性、可靠性和可扩展性。

总体来说，根据来控制6个电机的占空比和正反向来达到设定目标值。也就是分为两大部分，一是获取姿态和深度信息，二是分配电机速度(包括方向和大小)的控制策略。由深度信息可通过AD 转换直接获取，而姿态是根据加速度、角速度、磁感应强度间接获取数据来的，对于姿态解码的正确性和时效性直接决定控制策略的可靠性和效果。所以，对水下直升机控制，实质上就是归结为姿态解码和控制策略两大部分。

硬件上电，芯片做初始化，获取校正信息作为以后所读信息的参考零点。在以后运动中定时读取九轴信息，校正完后做初步处理，然后转成物理量，再对其做滤波处理，最后将获取的当前量和过去量计算水下直升机的姿态，并依此当前的姿态做水下直升机稳态的PID平衡控制。

13.部件选型设计

1.Blueprint Lab REACH ALPHA 5水下电动机械手

Bravo 5是一款5功能机械手，为服务提供商、研究人员和其他操作人员提供了新的紧凑的检查和干预机会，Bravo 5手臂被设计用来执行通常留给人类潜水员的任务，它的灵敏和反应能力为高级应用提供帮助，主要应用于水下机器人ROV平台，用户水下抓取作业等活动。

采用7自由度电动机械手，具有重量轻，功能全，能耗低的优势，能有效地完成海底障碍物的清障工作以及水下作业中的各项活动，能够对爆炸物的探测起到挖掘探索作用，并能完成设置定位浮标的作业。搭载：探头、刷子、钳子、四爪机械爪、标准机械爪、绳索切割器。

2.BlueView BV5000三维图像声呐

Teledyne BlueView的水下三维扫描声呐系统能通过声学方法把复杂的水下结构和海底三维细节图清晰地展现出来。此系统很像三维激光扫描仪，只不过它用高频声波来替代激光，这样保证了 BlueView的三维扫描仪即使在浑浊的环境下也能获取高分辨率的水下数据。通常可以和水下摄影系统配合使用。

3.纤维脐带缆

水下机器人脐带缆连接水下仪器装备与水面测控船的关键纽带，采用非金属材料对脐带缆进行加强，大大减小了脐带缆的体积和重量，提高了水下设备的运动能力、反应速度和机动性等，具有外径小、质量轻、抗干扰性好的特点，并且经反复弯转拉伸依旧保持良好的性能。

4.CS-3高精度铯光泵磁力仪

CS-3高精度铯光泵磁力仪是加拿大Scintrex公司推出的高精度铯光泵磁力测量仪器。使用稳定的Cs元素作为工作物质，采用严苛的工业标准生产。产品设计精巧，稳定性好，坚固耐用。高灵敏度，低噪声，连续读数，自动半球选择，宽工作电压，大的工作区域，很小的死区范围，转向差很小。

是航空磁力测量的最佳选择。也被用在计量标定和研究领域。

5.Bowtech水下LED照明灯系列

水下照明设备选用型号为Bowtech水下LED照明灯G系列，该产品尺寸为25.4x80.3mm，输入功率为24VDC,350mA，照度为1,600lumens，色温6,600K。

优点是光束角度85°可确保照明范围满足观察需要，铝合金外壳材质，水中重量100G轻便兼顾耐腐蚀与强度，寿命50,000h可确保长时间续航能力，另外可在水深300M处工作，符合设计需要。可在水温-10℃～+40℃的水里工作，因此受温度干扰较小。

6.Imenco水下摄像机

Lizard Shark是一款ROV用带云台彩色摄像机，并且内置LED照明灯。设备直径仅为90mm，相比其他同类设备更适用于1000m水深以内难以进入的狭窄区域。

设备可安装于电动/液压机械臂。内置的LED照明灯亮度可调。配备高质量10倍光学变焦镜头，镜头可通过巧妙集成的云台沿水平方向摇动并沿纵向调整角度。

7.象拔式定位浮标

象拔式自启动定位浮标由底座，气瓶，高强度荧光绳，浮标，以及信号定位装置组成。在水下工作时机器人利用机械手对定位浮标进行合理放置，插入河底，铅制底座利用自身重力以及摩擦力对探测点进行标记。而后机械手按下启动开关，气瓶内气体充入浮标内，浮标拖带绳子到达水面发送信号，水面上设备收到信号，完成定位。

12.应用前景

水下爆炸物探测机器人主要应用有以下几个方面：

目标物水下定位---电磁探测与3D成像声纳等仪器既能够最大程度的保证探测和定位的精度。六足机器人具有更强的机动性和爬坡能力，两个机械手的协作下具有优越的作业性能，每条腿采用两段式设计，可以独立旋转，旋转轴共面，即使遇到水浪，不需要做出任何机械调整仍能行走自如。运动敏捷，迅速通过浪区。当风浪太大时，它可以通过自身的振动将身体埋在泥沙中，增加了稳定性和隐蔽性。

救生----在许多激流的河道中，每年都会有淹溺事件的发生。而且在这种环境下救护人员很难对受难者进行水上救生，往往会造成救护人员与溺水人员共同溺水的亡人事件。采用水下机器人进行救生就可以避免此类事件的发生，而且也可以提高效率。因为该机器人有两个机械手，可以携带救生圈或一些漂浮设备。由于可以进行遥控操作就能快速进行救助，动作单一，便于实现自主控制。水下爆炸物的排除-----解决战争遗留的水下爆炸物，减少人员财产的损失。目前，在我国的边境水域以及一些湖泊海域仍有大量的爆炸物存在。随着年代累计，不断老化容易爆炸和泄露污染水质危害生命安全。若果采取人工作业，不仅危险系数不确定，而且效率低下，经济成本高，因此水下排爆机器人成为最好的选择，带技术不断完善后，还可以出口到国外某些地区，支持战后重建。

以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种水下探测机器人，其特征在于，包括机器人主体，所述机器人主体的两侧分别具有机械腿，所述机器人主体上设置有用于投放定位浮标的机械手，所述机器人主体上设置有用于驱动所述机械腿以及所述机械手运动的驱动系统；

所述机器人主体上设置有信号连接的探测系统、水下控制系统；

所述探测系统用于对水下爆炸物进行精确搜索和定位，并与所述水下控制系统进行实时数据传输，所述水下控制系统信号连接有水上控制系统；

所述探测系统包括设置于所述机器人主体前端的3D成像声纳，及设置于所述机器人主体后端的电磁力仪；

所述机器人主体还具有观察系统，所述观察系统用于将水下作业的情况与水上控制系统进行实时数据传输；

所述观察系统包括设置于所述机器人主体上的水下摄像机和水下照明设备；

所述水下摄像机包括设置于所述机器人主体顶端的360°可旋转摄像机以及设置于所述机器人主体前端的机械手摄像机。

2.根据权利要求1所述的一种水下探测机器人，其特征在于，所述机器人主体的两侧分别具有三条机械腿，其中所述机器人主体左侧的前腿、后腿及右侧的中腿组成第一组腿，其余三条腿组成第二组腿，所述第一组腿和第二组腿交替上下动作。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下探测机器人，其特征在于，所述机械腿包括转动臂、摆臂、落地臂，所述转动臂一端水平可转动设置在所述机器人主体的侧壁，所述摆臂的一端与所述转动臂的另一端转动相连，所述落地臂的一端与所述摆臂的另一端转动相连。

4.根据权利要求1所述的一种水下探测机器人，其特征在于，所述机械手选用气动机械手或液压机械手或电动机械手。

5.根据权利要求1或4所述的一种水下探测机器人，其特征在于，所述机械手的数量设置为两个，且两个所述机械手设置于所述机器人主体的前端。

6.根据权利要求1所述的一种水下探测机器人，其特征在于，所述水下控制系统与水上控制系统之间通过脐带缆信号连接。