CN114899769B - 一种水下强电智能连接导向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下强电智能连接导向系统，包括：远距离定位系统、中距离定位系统和近距离导向定位平台；中距离定位系统包括ROV水下机器人；近距离导向定位平台，包括移动端和固定端，移动端与ROV水下机器人固定连接，固定端与水下的待接电缆固定连接，移动端远离ROV水下机器人的一侧固定设有移动接头，固定端远离待接电缆的一端固定设有与移动接头配合的固定接头；ROV水下机器人通过远距离定位系统和中距离定位系统，使ROV水下机器人朝着固定端的方向移动，并带动移动端移动至固定端的位置处，使移动接头与固定接头对接卡紧。

Description

一种水下强电智能连接导向系统

技术领域

本发明涉及可燃冰开采的电缆连接技术领域，尤指一种水下强电智能连接导向系统。

背景技术

我国当前石油需求快速增加，南海和东海有广阔的海域，隐藏着丰富的油气资源，初步估计南海的地质石油储量可达230亿～300亿吨，而在开发深水油气时，水下强电智能连接系统是水下油气生产系统的关键设备，其应用前景十分广阔；尤其是在水下可燃冰开采时，需要将开采船上的高压电缆与水下的可燃冰作业设备的待接电缆进行对接，从而实现对可燃冰的开采；但是由于水底环境恶劣导致电缆接口的定位较为困难，同时在对接过程中，对接精度需要达到20μm，否则会损坏插针与密封装置，造成事故发生；而现有技术的水下强电智能连接系统对接精度达不到要求，与实现工况要求相差甚远，无法投入使用。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种水下强电智能连接导向系统，以解决现有技术中的水下强电智能连接系统的对接精度达不到要求，无法投入使用的问题。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：一种水下强电智能连接导向系统，包括：远距离定位系统、与所述远距离定位系统信号连接的中距离定位系统、以及近距离导向定位平台；所述中距离定位系统包括ROV水下机器人和两个飞时异步发射器；所述近距离导向定位平台包括移动端和固定端，两个所述飞时异步发射器分别固定设置在移动端、固定端上，所述移动端与ROV水下机器人固定连接，所述固定端与水下的待接电缆固定连接，所述移动端远离ROV水下机器人的一侧固定设有移动接头，所述移动接头的中心固定设有用于连接高压电缆的第一电缆接口；所述固定端远离待接电缆的一端固定设有与移动接头配合的固定接头，所述固定接头的中心设有用于连接待接电缆的第二电缆接口；所述ROV水下机器人通过远距离定位系统和中距离定位系统，使ROV水下机器人朝着固定端的方向移动，并带动移动端移动至固定端的位置处，使移动接头与固定接头对接卡紧。

作为进一步的技术方案，所述移动接头和固定接头均呈圆柱形，所述移动接头远离ROV水下机器人的一端设有向外凸出的凸台，所述凸台设有两个，并且两个凸台对称设置在移动接头的端部，每个所述凸台的内部均对应设有卡块；所述固定接头的侧壁上设有两个向外凸出的安装槽，两个所述安装槽沿固定接头的圆周方向设置，并分别对称设置在固定接头的外壁上；所述ROV水下机器人带动移动端移动至固定端的位置处，使移动端的第一电缆接口与对应的固定端的第二电缆接口对接，并通过动力部转动固定接头，使固定接头上的安装槽滑设至对应卡块的外部，使卡块与安装槽卡紧。

作为进一步的技术方案，所述固定接头靠近待接电缆的一侧固定设有基座，所述基座固定套设在固定接头的外侧，所述动力部设于基座的一侧，所述动力部包括伺服电机、同步齿形带和两个同步带轮，其中一个所述同步带轮固定套设在基座的外侧，所述伺服电机设置在基座的一侧，另一个所述同步带轮固定套设在伺服电机的电机轴上，所述同步齿形带的两端分别套设在两个同步带轮上。

作为进一步的技术方案，所述固定接头的外壁上沿其圆周方向设有两个向外凸出的侧台，两个侧台沿固定接头的中心对称设置在固定接头的侧壁上，两个所述安装槽分别设置在两个侧台上，并且两个所述安装槽的两端均贯穿所对应的侧台的两端。

作为进一步的技术方案，每个所述安装槽内部的其中一侧的侧壁上均设有斜坡，所述斜坡沿安装槽的长度方向设置，每个所述安装槽中的斜坡分别与对应的卡块卡紧。

作为进一步的技术方案，所述固定接头中心的第二电缆接口与固定接头之间通过滚珠轴承连接。

作为进一步的技术方案，所述移动端还包括顶架，所述移动端通过顶架与ROV水下机器人固定连接，所述顶架远离ROV水下机器人的一侧与移动接头滑动连接，所述顶架的一侧设有第一微调螺栓，所述第一微调螺栓的轴向与移动接头的滑动方向平行，所述第一微调螺栓的一端与顶架螺纹连接，另一端与移动接头的侧壁面接触。

作为进一步的技术方案，所述固定端还包括底座，所述底座的中心与基座转动连接，并且所述底座的中心与第二电缆接口相连通，与固定端连接的待接电缆从底座远离基座的一端伸入，并连接至第二电缆接口；所述底座的侧壁上设有第二微调螺栓，所述第二微调螺栓与第一微调螺栓的轴向相互垂直，所述第二微调螺栓的一端穿过底座的侧壁，并伸入底座中心与底座中心的待接电缆的侧壁面接触。

作为进一步的技术方案，所述远距离定位系统包括超短基线定位系统。

作为进一步的技术方案，所述ROV水下机器人上设有水下激光传感器和三轴磁罗盘，所述ROV水下机器人的内部设有捷联惯导系统；所述水下激光传感器固定设置在ROV水下机器人的机械手臂的前端；所述三轴磁罗盘固定设置在ROV水下机器人的前端。

本发明的有益效果为：

1.本发明利用远距离定位系统、中距离定位系统为近距离导向定位平台导航并推动其移动，使其最终完成高压电缆与待接电缆的对接，其中近距离导向定位平台的结构设计可实现在深海洋流环境影响下的电缆对接功能，其主要通过设计移动接头以及与移动接头相配合的固定接头，并利用ROV水下机器人推动移动接头与固定接头面接触，然后利用动力部带动固定接头转动，即可实现移动接头与固定接头的对接，从而使高压电缆与待接电缆一次连接成功，操作简单快捷；并且本发明中还设有第一微调螺栓和第二微调螺栓，通过第一微调螺栓可以使移动接头产生轻微的位移，从而对高压电缆进行微调，通过第二微调螺栓可以对待接电缆进行微调，从而使两段电缆的对接面能够准确对接，保证对接精度。

2.其次本发明将远距离定位系统、中距离定位系统和近距离导向定位平台三段不同的导向方法相结合，通过远距离定位系统定位和导航，并利用近距离定位系统测量固定端与移动端之间的距离，通过两者的结合很大程度改善ROV水下机器人的定位精度，从而促进近距离导向定位平台实现高压电缆与待接电缆的准确对接。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明中近距离导向定位平台的对接示意图；

图2为本发明整体示意图；

图3为本发明中移动端的正面示意图；

图4为本发明中移动端的侧面示意图；

图5为本发明中固定端的正面示意图；

图6为本发明中固定端的侧面示意图；

图7为本发明中移动端与固定端对接状态的细节图；

图8为本发明中固定接头中安装槽的细节图。

附图标记说明

1、移动端；2、固定端；3、移动接头；4、固定接头；5、凸台；6、卡块；7、安装槽；8、基座；9、伺服电机；10、同步齿形带；11、同步带轮；12、侧台；13、斜坡；14、滚珠轴承；15、第一微调螺栓；16、第二微调螺栓；17、底座；18、第一电缆接口；19、第二电缆接口；20、开采船；21、ROV水下机器人；22、高压电缆；23、待接电缆；24、深海区；25、浅海区；26、可燃冰作业设备；27、可燃冰；28、顶架；29、固定座；30、侧板；31、滑轨。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来5实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1-图8所示，本发明提出了一种水下强电智能连接导向系统，包括：远距离定位系统、与远距离定位系统信号连接的中距离定位系统、以及近距离导向定位平台；远距离定位系统包括超短基线定位系统；中距离定位系统包括ROV水下机器人21和两个飞时异步发射器，ROV水下机器人21上设有水下激光传感器和三轴磁罗盘，ROV水下机器人21的内部设有捷联惯导系统，水下激光传感器与和ROV水下机器人21自身的位姿传感器配合使用；近距离导向定位平台，包括移动端1和固定端2，两个飞时异步发射器分别固定设置在移动端1、固定端2上，移动端1与ROV水下机器人21固定连接，固定端2与水下的待接电缆23固定连接，移动端1远离ROV水下机器人21的一侧固定设有移动接头3，移动接头3的中心固定设有用于连接高压电缆22的第一电缆接口18；固定端2远离待接电缆23的一端固定设有与移动接头3配合的固定接头4，固定接头4的中心设有用于连接待接电缆23的第二电缆接口19；ROV水下机器人21通过远距离定位系统进行定位和导航，以及通过中距离定位系统测量移动端1与固定端2之间的距离，使ROV水下机器人21朝着固定端2的方向移动，并带动移动端1移动至固定端2的位置处，使移动接头3与固定接头4对接卡紧。

进一步的，移动接头3和固定接头4均呈圆柱形，移动接头3远离ROV水下机器人21的一端设有向外凸出的凸台5，凸台5设有两个，并且两个凸台5对称设置在移动接头3的端部，每个凸台5的内部均对应设有卡块6；固定接头4的侧壁上设有两个向外凸出的安装槽7，两个安装槽7沿固定接头4的圆周方向设置，并分别对称设置在固定接头4的外壁上；ROV水下机器人21带动移动端1移动至固定端2的位置处，使移动端1的第一电缆接口18与对应的固定端2的第二电缆接口19对接，并通过动力部转动固定接头4，使固定接头4上的安装槽7滑设至对应卡块6的外部，使卡块6与安装槽7卡紧。

固定接头4靠近待接电缆23的一侧固定设有基座8，基座8固定套设在固定接头4的外侧，动力部设于基座8的一侧，动力部包括伺服电机9、同步齿形带10和两个同步带轮11，其中一个同步带轮11固定套设在基座8的外侧，伺服电机9设置在基座8的一侧，另一个同步带轮11固定套设在伺服电机9自身的电机轴上，同步齿形带10的两端分别套设在两个同步带轮11上。

固定接头4的外壁上沿其圆周方向设有两个向外凸出的侧台12，两个侧台12以固定接头4的中心对称设置在固定接头4的侧壁上，两个安装槽7分别设置在两个侧台12上，并且两个安装槽7的两端均贯穿所对应的侧台12的两端；每个安装槽7内部的其中一侧的侧壁上均设有斜坡13，斜坡13沿安装槽7的长度方向设置，每个安装槽7中的斜坡13分别与对应的卡块6卡紧。

在具体应用时，首先ROV水下机器人21将移动端1移动至固定端2的位置处，并推动移动端1，使移动端1的移动接头3与固定端2的固定接头4对接，使移动接头3上的第一电缆接口18与固定接头4上的第二电缆接口19面接触，并使移动接头3上的卡块6对应套设在固定接头4的外部，且使卡块6位于对应的安装槽7的一端，然后启动伺服电机9，伺服电机9带动固定在其上方的同步带轮11转动，该同步带轮11通过同步齿形带10带动另一同步带轮11转动，该另一同步带轮11带动基座8转动，而基座8带动固定接头4同步转动，使得固定接头4上的安装槽7全部滑设在卡块6的外部，如图1所示；而每个安装槽7的内部的其中一侧的侧壁上均设有斜坡13，如图8所示，其中斜坡13沿安装槽7的长度方向设置，从而使得安装槽7的宽度越来越窄，其中移动接头3与固定接头4刚对接时，卡块6位于对应的安装槽7中槽宽较宽的一端，然后通过固定接头4的转动，使得安装槽7逐渐全部滑设在卡块6的外部，并且随着安装槽7的转动，安装槽7的宽度越来越小，从而使安装槽7逐渐与对应的卡台6卡紧，进一步保证了移动端1与固定端2的对接卡紧。

固定接头4中心的第二电缆接口19与固定接头4之间通过滚珠轴承14连接，可支持待接电缆23与固定接头4之间的相对转动，避免固定接头4在转动时，待接电缆23产生扭绕。

其中移动端1还包括顶架28，移动端1通过顶架28与ROV水下机器人21固定连接，顶架28远离ROV水下机器人21的一侧设有固定座29，固定座29的两侧均设有滑轨31，固定座29通过其两侧滑轨31与顶架28滑动连接，其中固定座29固定套设在移动接头3的外部；其中顶架28的底部设有第一微调螺栓15，第一微调螺栓15的轴向与固定座29以及移动接头3的滑动方向平行，其中顶架28的底部设有侧板30，第一微调螺栓15的一端与侧板30螺纹连接，另一端与移动接头3的侧壁面接触。

固定端2还包括底座17，底座17的中心与基座8转动连接，并且底座17的中心与第二电缆接口19相连通，与固定端2连接的待接电缆23从底座17远离基座8的一端伸入，并连接至第二电缆接口19；底座17的侧壁上设有第二微调螺栓16，第二微调螺栓16与第一微调螺栓15的轴向相互垂直，第二微调螺栓16的一端穿过底座17的侧壁，并伸入底座17中心与底座17中心的待接电缆23的侧壁面接触。

待固定端2与移动端1卡紧之后，接着通过图7中双箭头所示的方向（即移动接头3的滑动方向）旋入或拧出移动端1上的第一微调螺栓15，可推动固定座29沿滑轨31方向轻微滑动，进行微调，以此使移动接头3的第一电缆接口18产生轻微位移，从而达到微调高压电缆22位置的目的；并通过图1中双箭头所示方向，旋入或拧出固定端2上的第二微调螺栓16，使第二微调螺栓16伸入底座17中心的一端紧推或放松待接电缆23的侧壁，从而对待接电缆23进行微调，通过两次微调使待接电缆23与高压电缆22对准；而第一微调螺栓15和第二微调螺栓16的轴向方向相垂直，故可精准将第一电缆接口18和第二电缆接口19微调到精确位置，完成全部对接过程。

其中ROV水下机器人21在移动端1移动至固定端2的过程中，主要由远距离定位系统和近距离定位系统来进行定位及导航，具体的，需要将远距离定位系统中的超短基线定位系统对应安装在开采船20、移动端1和固定端2上，并将开采船20上的高压电缆22接至移动接头3中的第一电缆接口18中，将移动端1固定在ROV水下机器人21上；然后将固定端2与水下的待接电缆23连接，随后将ROV水下机器人21以及移动端1放入水中，利用ROV水下机器人21带动移动端1移动；其中首先通过超短基线定位系统，利用固定端2、移动端1及开采船20本身发射的三个脉冲，获得开采船20相对移动端1、固定端2的距离、方位角和纵倾角，同时采用与距离相关的接收增益和声源级调整实现移动端1从起始位置开始到与固定端2对接时的远距离定位和导航，使ROV水下机器人21能够带动移动端1朝着固定端2的位置移动；同时可为开采船20导航，使开采船20靠近固定端2。其中超短基线定位系统为现有技术中的超短基线定位技术。

其次采用中距离定位系统，利用安装在移动端1和固定端2的两个飞时异步发射器之间发送和接收的激光飞行时间来计算测量移动端1和固定端2之间的距离；其中ROV水下机器人21配备水下激光传感器，因此不存在散射问题，且激光受入射角的影响也非常小，在一般的物体表面上，即使入射角接近90°时激光仍能够按入射方向返回，因此可以得到十分精确的数据。但是水下激光传感器的测量数据会受到自身温度变化导致漂移与激光雷达相近频率成分的光源干扰、混合像素干扰以及放射性障碍物表面导致的测量误差、障碍物遮挡造成的扫描盲区等；为克服水下激光传感器在某些特定环境下所测数据存在的不足，将水下激光雷达与ROV水下机器人21自身的位姿传感器组合使用，同时配备型号为HMR3000的三轴磁罗盘，可测量ROV水下机器人21的艏向角、纵倾角和横倾角，并且数据更新频率为十几赫兹，测量精度为0.1度。而为了避免三轴磁罗盘容易受铁磁性物体和电机电磁场的干扰，因此可以将三轴磁罗盘自身的压力筒安装在的ROV水下机器人21的前端，从而将外部干扰的影响降到最低。

另外ROV水下机器人21内部设有型号为IMU5200的捷联惯导系统，可测量ROV水下机器人21的三轴姿态角（或角速率）以及加速度，其中IMU5200的捷联惯导系统为现有技术，其包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪，加速度计可检测ROV水下机器人21在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，可测量ROV水下机器人21在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出其空间姿态。本发明中的ROV水下机器人21利用水下激光雷达、位姿传感器以及捷联惯导系统之间的互补性，并利用现有技术中的信息融合技术，可以很大程度改善ROV水下机器人21的定位精度。

ROV水下机器人21在水下作业时，水下激光传感器固定在ROV水下机器人21自身的机械手臂的前端，通过控制ROV水下机器人21自身的PC控制器下发指令使水下激光雷达自身的发射器不断发射水下激光雷达脉冲，激光脉冲由水下激光雷达自身的发射光学系统射出时，水下激光雷达自身的时钟计数器便得到起始信号开始计数，激光射到被测的固定端2而发生反射，然后由水下激光雷达自身的光学系统接收后对时钟计数器发出终止信号，并最终提取时钟计数器的计数值，PC控制器提取相关数据信息，计算得出被测的固定端2的方位距离，并处理三轴磁罗盘与捷联惯导系统不断上传ROV水下机器人21的位姿信息，从而实时判断强电连接目标（即固定端2的）的距离与方位。

以上说明内容仅为本发明较佳实施例，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，包括：远距离定位系统、与所述远距离定位系统信号连接的中距离定位系统、以及近距离导向定位平台；所述中距离定位系统包括ROV水下机器人和两个飞时异步发射器；所述近距离导向定位平台包括移动端和固定端，两个所述飞时异步发射器分别固定设置在移动端、固定端上，所述移动端与ROV水下机器人固定连接，所述固定端与水下的待接电缆固定连接，所述移动端远离ROV水下机器人的一侧固定设有移动接头，所述移动接头的中心固定设有用于连接高压电缆的第一电缆接口；所述移动端还包括顶架，所述移动端通过顶架与ROV水下机器人固定连接，所述顶架远离ROV水下机器人的一侧与移动接头滑动连接，所述顶架的一侧设有第一微调螺栓，所述第一微调螺栓的轴向与移动接头的滑动方向平行，所述第一微调螺栓的一端与顶架螺纹连接，另一端与移动接头的侧壁面接触；所述固定端远离待接电缆的一端固定设有与移动接头配合的固定接头，所述固定接头的中心设有用于连接待接电缆的第二电缆接口；所述ROV水下机器人通过远距离定位系统和中距离定位系统，使ROV水下机器人朝着固定端的方向移动，并带动移动端移动至固定端的位置处，使移动接头与固定接头对接卡紧。

2.根据权利要求1所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，所述移动接头和固定接头均呈圆柱形，所述移动接头远离ROV水下机器人的一端设有向外凸出的凸台，所述凸台设有两个，并且两个凸台对称设置在移动接头的端部，每个所述凸台的内部均对应设有卡块；所述固定接头的侧壁上设有两个向外凸出的安装槽，两个所述安装槽沿固定接头的圆周方向设置，并分别对称设置在固定接头的外壁上；所述ROV水下机器人带动移动端移动至固定端的位置处，使移动端的第一电缆接口与对应的固定端的第二电缆接口对接，并通过动力部转动固定接头，使固定接头上的安装槽滑设至对应卡块的外部，使卡块与安装槽卡紧。

3.根据权利要求2所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，所述固定接头靠近待接电缆的一侧固定设有基座，所述基座固定套设在固定接头的外侧，所述动力部设于基座的一侧，所述动力部包括伺服电机、同步齿形带和两个同步带轮，其中一个所述同步带轮固定套设在基座的外侧，所述伺服电机设置在基座的一侧，另一个所述同步带轮固定套设在伺服电机的电机轴上，所述同步齿形带的两端分别套设在两个同步带轮上。

4.根据权利要求2所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，所述固定接头的外壁上沿其圆周方向设有两个向外凸出的侧台，两个侧台沿固定接头的中心对称设置在固定接头的侧壁上，两个所述安装槽分别设置在两个侧台上，并且两个所述安装槽的两端均贯穿所对应的侧台的两端。

5.根据权利要求2所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，每个所述安装槽内部的其中一侧的侧壁上均设有斜坡，所述斜坡沿安装槽的长度方向设置，每个所述安装槽中的斜坡分别与对应的卡块卡紧。

6.根据权利要求1所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，所述固定接头中心的第二电缆接口与固定接头之间通过滚珠轴承连接。

7.根据权利要求3所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，所述固定端还包括底座，所述底座的中心与基座转动连接，并且所述底座的中心与第二电缆接口相连通，与固定端连接的待接电缆从底座远离基座的一端伸入，并连接至第二电缆接口；所述底座的侧壁上设有第二微调螺栓，所述第二微调螺栓与第一微调螺栓的轴向相互垂直，所述第二微调螺栓的一端穿过底座的侧壁，并伸入底座中心与底座中心的待接电缆的侧壁面接触。

8.根据权利要求1所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，所述远距离定位系统包括超短基线定位系统。

9.根据权利要求1所述的一种水下强电智能连接导向系统，其特征在于，所述ROV水下机器人上设有水下激光传感器和三轴磁罗盘，所述ROV水下机器人的内部设有捷联惯导系统；所述水下激光传感器固定设置在ROV水下机器人的机械手臂的前端；所述三轴磁罗盘固定设置在ROV水下机器人的前端。

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