用于水下安保的ROV总体结构设计*

金碧霞，方 勇

(中国船舶重工集团第七一○研究所,湖北 宜昌 443003)

用于水下安保的ROV总体结构设计*

金碧霞，方 勇

(中国船舶重工集团第七一○研究所,湖北 宜昌 443003)

针对水域安全问题,介绍了一种用于安保的某ROV总体结构的设计。外形为流线型加外围框架结构,电气连接采用穿舱电缆压缆密封。探测识别设备可随内置于艏部的一个云台进行俯仰动作以全方位地观察目别。用两个水平方向布置的主推进器和两个倾斜方向布置的辅助推进器来实现ROV水下空间运动。试验表明该ROV具有良好的操纵性和平台稳定性，其总体结构可为ROV的高效运行提供有效的硬件基础。

安保;ROV;总体结构

0 前 言

随着世界安全形势的恶化，水域安全也越来越成为人们关注的一个安保焦点。笔者根据“公安局水底搜索扫描ROV识别系统采购项目”的要求，设计出一个能够用于公安部门搜寻水下证据、水下重点区域防护的 “安保用ROV(Remotely Operated Vehicle，缆控水下机器人)” 。该机器人主要用于涉案水下现场调查，水下刑事证物的搜索、观察、记录、定位及辅助打捞工作，水下反走私侦察取证，水下障碍物、威胁物清除，水下重点区域的安保防护等。

设计的用于安保警用的ROV主要技术指标要求如下：①最大工作深度：100 m；②航行体静水中最大水平速度：不小于4 kn，垂直速度：不小于0.5 kn；③顶流能力： 3 kn。

1 警用ROV结构设计

水下机器人外形结构设计所涉及的因素很多，主要包括以下几个方面：水下机器人整体结构的选择、防水耐压壳体的设计、动力的布置、各部件的水密封工作、重心和浮心的计算及机器人整体平衡的考虑等[2]。

1．1 形体确定

水下机器人的形体的选择要考虑以下原则和要求[3]：①阻力小，航行性能好；②足够的强度；③便于总体布置；④良好的工艺性。

水下机器人形体结构通常有框架式和流线型两种，框架式结构在水中运行时产生的阻力较大，但对于机器人的总体布置比较方便，加挂和换装载体上的设备仪器容易，流线型结构可以减小水流阻力.除低能耗。

警用ROV采用流线型外形加外围框架结构，由艏部半球形迎流段、舯部圆柱形平行段、艉部圆锥形去流段组成流线型外形,可减小警用ROV行进阻力和动力消耗。在水下载体底部安装外围框架可以起到围护、支承和保护机器人的作用，同时可以加挂设备仪器，最大限度地扩展警用ROV的作业能力。警用ROV的外形示意图如图1所示。

图1 警用ROV的外形示意图

1.2 主体结构设计

警用ROV艏部为玻璃钢材料制作的非水密轻质壳体，舯部和艉部为玻璃钢预埋铝合金法兰的水密耐压壳体。舯部耐压壳体装载电子功能模块及传感器设备以保证它们在水下安全可靠地工作，同时耐压壳体也是ROV水下航行的主要浮力提供者。因此必须要有可靠的密封。采用O型圈密封，螺钉连接。艏部、舯部、艉部由端板、预埋法兰1、预埋法兰2、预埋法兰3、螺钉连接成一个整体。各功能模块的信号及能源传输可以通过电气接口来实现的，在端板上安装有电缆密封座，采用压缆密封方式来实现电气连接。经过在实际水环境中的实验证明，这样的电气连接接口即使在水中并承受一定的水压也能保证模块间信号与能源安全正常的传输。其密封及接口示意图如图2所示。

图2 警用ROV密封及接口示意图1.艏部壳体 2.端板 3.预埋法兰1 4.舯部壳体 5.吊环 6.预埋法兰2 7.预埋法兰3 8.艏部壳体 9.光电连接器 10.压缆密封座

探测识别设备布置在警用ROV的艏部，其艏部采用“整体开放、局部密闭”的设计思路。即艏部不进行密封处理，采用玻璃钢材料制作轻质壳体结构，探测识别设备(声纳、照明灯、摄像机)按功能模块分别独自密封，固定在云台上，可随云台在俯仰机构的带动下在-90°～45°的较宽的纵截面(垂直面)角度内进行，从而能全方位地观察识别目标。在云台外设计有球冠形导流罩以降低水流阻力，球冠形导流罩可随云台进行俯仰动作。为减小悬停观察时俯仰动作对ROV姿态稳定性的干扰，云台设计为零浮力,并且俯仰中心与其浮心重合。

警用ROV采用四个导管螺旋桨推动器,推进器由推进电机、电机控制器、螺旋桨、导流罩及安装附件等构成。推进电机选择永磁交流伺服电动机，它具有调速范围宽、启动迅速、机械特性和调节特性幅度好、动态和稳态性能更优异、可靠性高、可实现正反转迅速转换、精密调速等特点。电机控制器采用智能IPM模块构成驱动单元，可在四个象限运行，具有较好的动态相应特性和较高的功率体积比。为提高螺旋桨效率,在螺旋桨的外面罩有一个专门设计导流罩。并且在同样效率下,导管螺旋桨直径比普通螺旋桨小得多,这有利于缩小水下机器人的总体尺寸,便于操作[4]。

为保证警用ROV的水中运行平稳，艉部配置有三个成“Y”字形稳定翼板。

1.3 总体布置

总体布置对水下机器人的使用性能是非常重要的因素，其质量的优劣直接影响到水卜机器人的总体性能和使用[3]。但无论采用何种总体布置,水下机器人必须有一定的稳心高,即重心位于浮心的下方以保证水下机器人稳定运行,有一定的自平衡能力。根据各个单元模块的初始布局，计算系统的重心、浮力及浮心。依据项目设计要求，合理调整单元模块布置，逐步优化，最终达到系统总体布局合理，满足重心和浮心设计要求。一般按图3所示流程进行总体布置。设计的警用ROV总体布置图如图4所示。

图3 总体布置设计流程

图4 警用ROV总体布置图1.声纳 2.应答器 3.稳定翼板 4.空推进器 5.辅助推进器 6.外围框架 7.机械手 8.远光灯 9.近光灯 10.摄像机

水下机器人作业效率除了与机械手的性能有关外，还同机械手、电视摄像机、照明装置之间的相互位置有重要的关系[3]。总体布置上将机械手靠近观测设备,这样以便于操作员通过照明和摄像机观察机械手的动作，以提高以抓取目标的观测精度。并将机械手的轴线通过电视摄像机摄像管的光电阴极平面，以利于机械手运动的程序设计。

在推进器数量确定后进行推进器布局时,一般会依循以下原则[3]。

(1) 应尽可能的使三轴的合力交汇于一点,而且这点应尽可能的接近机器人的重心,防止有害的附加运动。

(2) 平移运动时理论上推进器的布置与机体坐标系保持平行可以取得最大的推进效率,但是这样的布局在机器人设备比较紧凑时影响到入流效果,所以推进器轴线应与机体坐标轴适当偏移一个小角度。

警用ROV主推进器采用双推力器平行布置的方式，这种结构采用两个螺旋桨输出推力和力矩,且螺旋桨即起到推进作用,又可起到转向作用[5]。主推进器沿水平方向布置于警用ROV后半部分，辅助推进器以一定角度倾斜布置在警用ROV浮心前方附近。

2 流体动力计算

警用ROV在设计时，应满足静水中最大水平速度、垂直速度以及顶流能力的要求。因此在设计主推进器时考虑机器人流中工作速度为4 kn，即在克服3kn流情况下还能够慢速机动。另外由于警用ROV工作点距母船不太远，因此可将ROV顶流最大工作阵位设定如下：距母船最大纵向距离为：B=30 m；距母船最大横向距离为：A=10 m；距母船最大工作深度为：H=20 m。

(1) 水平运动特性计算

水平运动时，ROV流体动力计算要同时考虑ROV本体及电缆的阻力。

① ROV本体阻力计算 根据初步确定的外形配置，警用ROV阻力特性按母型类比计算法，参考八五课题某潜航体的实际吹风试验结果，该潜航体的总阻力系数为Ct=0.44(以壳体最大横截面积为特征面积时)。考虑到警用ROV具有较多的框架及附体，因此其总阻力系数会有所增加，因此取警用ROV总阻力系数为Ct=0.7。

警用ROV主壳体直径初步取为D=0.28 m，则主壳体横截面积为：

警用ROV 4kn(2.058 m/s)时的阻力为：

Rt= 4.9ρV2·AxCt=4.9×102×2.0582×

0.061 6×0.7=91.3 (N)

警用ROV外形与母型较大的变化是垂推装置的配置，因此要单独计算它们的迎流阻力。将垂推装置看做一段迎流中的横向圆柱体，迎流面积大致为Ac=0.019 m2，其阻力系数按吹风试验结果为Cd=0.7，因此单个垂推装置在4 kn时的迎流阻力大致为：

Rc= 4.9ρV2·AcCd=4.9×102×2.0582×0.019×

0.7=28.15 (N)

因此，在4 kn时ROV本体的总阻力为：

R=Rt+2×Rc=91.3+2×28.15=147.6 (N)

② 电缆阻力计算 对于6 mm直径电缆，在上述假设条件下有一个经验回归公式可作近似计算。根据前面设定的ROV顶流最大工作阵位，ROV距母船最大纵向距离为B=30 m；距母船最大横向距离A=10 m；距母船最大工作深度：H=20 m，V=4 kn。代入公式进行计算，可得最小电缆长度为：

0.002 5B)]}+B

0.002 5×30)]}+30=76 (m)

此时ROV的最小电缆阻力为：

Btan [φLMIN(1-0.002 5B)]}+0.01B×

(0.514 4V)2=67.1 (N)

③ 系统总阻力计算

考虑最大顶流工作能力时系统的总阻力：

R=147.6+67.1=214.7 (N)

④ 功率计算

4 kn顶流下克服此阻力R所需的ROV有效功率PE为：

PE=0.5144·V·R

=0.514 4×4×214.7=442 (W)

根据经验分析和计算，电机出轴功率与航行体有效功率之间大致有下述关系：

PM=1.58PE=1.58×442=698 (W)

采用两个水平推进装置，则单个电机的出轴功率为:

(2) 垂向运动特性计算

① 垂向阻力的计算

垂直速度要求：不小于0.5 kn,将ROV的垂向运动看成是一段长度为1.65 m，直径D=0.28 m圆柱体，其中心轴与流向垂直。根据母型壳体吹风试验结果，其阻力系数为Cx=0.78,考虑到ROV还有一些附体，因此取其阻力系数为Cx=0.9，其垂向的迎流特征面积为S=LD=1.65×0.28=0.462 m2。故0.5 kn速度下ROV的垂向阻力为：

Rc= 4.9ρV2·S·Cx=4.9×102×(0.5×0.514 4)2

×0.462×0.9=13.7(N)

② 功率的计算

0.5 kn垂向运动克服此阻力Rc所需的ROV有效功率为：

PE=0.5144×V×R

=0.5144×0.5×13.7=3.5 (W)

从计算结果来看，因于速度很低，因此ROV在此速度下所需的有效功率非常低。0.5 kn时的进速系数为:

式中：n为垂推螺旋桨的转速(相当于N=1 800 r/min),D=0.1 m为螺旋桨直径。查相应图谱此状态下的螺旋桨效率为0.2左右。

因此电机出轴功率与航行体有效功率之间大致有下述关系：

PE=ηHη0ηRηTPM

=1×0.2×1.0×0.95PM=0.19PM

故垂直布置时电机出轴功率为：

如果采用两个主推装置，则单个电机的所需的出轴功率为：

从上面的计算来看，0.5 kn垂向运动对推进器功率的需求是非常低的，基本上都可以忽略不计。

3 设计难点分析

3.1 总体结构的小型化

警用ROV不仅限于在珠江流域宽阔水域工作，还需在湖泊、河道、池塘水库等狭窄空间使用，并要求能从各种支持平台上布放。因此要求其具有体积小、质量轻、操作简便、灵活机动等特点。为此对主体结构采用了模块化的设计思路，依据有关机械、电气、软件的标准接口和数据格式的要求，分模块进行总体布局和结构优化的设计和建造。并对警用ROV内部控制器、信号传输装置、推进系统、能源系统、传感器模块等组部件的小型化设计及总体优化配置实现其结构的小型化。警用ROV主体结构由艏部半球形迎流段、舯部圆柱形平行段、艉部圆锥形去流段三个模块舱段组成，艏部为探测识别舱段，舯部为控制舱段。在初步确定的总体布置基础上，设计航行体壳体(包括主体和附体)的具体机械结构，通过软件分析及仿真进行优化设计。结构设计的基本流程如图5所示。

图5 警用ROV主体结构设计基本流程示意图

3.2 航行体线形优化设计及水动力分析和仿真

警用ROV航行体线形、流体动力特性分析、仿真、螺旋桨及导管的设计关系到整个航行体的航速，稳定性、可操作性等，是航行体设计的重要组成部分。在给定的技术指标条件下，设计出阻力小，稳定性高的潜航体外形和合理的流体动力布局以及衡重参数，使航行体具有良好的航行性能以实现低阻力、高效率的空间运动。警用ROV主体结构由艏部半球形迎流段、舯部圆柱形平行段、艉部圆锥形去流段组成流线型外形,可减小警用ROV行进阻力和动力消耗。主推进器采用双推力器平行布置的方式，这种结构采用两个螺旋桨输出推力和力矩,而且螺旋桨即起到推进作用,又可以起到转向作用[5]。

设计出具有较高的推进效率的螺旋桨和对航行体在各种航行速度情况下进行功率计算，为电机和供电系统的选择提供参考依据也是其一项主要的设计任务。初步计算之后，在设计螺旋桨之前运用GAMBIT画出较精确的潜航体网格，然后利用相关软件进行流体动力特性分析仿真，为螺旋桨设计提供较精确的仿真数据。

3.3 总体布局和载体结构

没有一种全功能的机器人能完成所有的任务,所以需要依据水下机器人任务和工作需求,结合使用条件进行总体布局设计,对水下机器人总体结构、流体性能、动力控制、控制与通讯方式进行优化,提高有限空间的利用效率。其总体结构在满足压力、水密、负载和速度需求的前提下要实现低阻力、高效率的空间运动，另外在有限的空间中，需要多种传感器的配合，进行目标识别、环境探测和自主航行等任务。整个大系统整合了多种分系统，需要完善的系统集成设计和电磁兼容设计，才能确保控制与通讯信息流的通畅[6]。警用ROV探测识别设备布置在艏部的一个可进行俯仰动作的云台上，主推进器沿水平方向布置于警用ROV后半部分，辅助推进器以一定角度倾斜布置在警用ROV浮心前方附近。

3.4 艏部的总体布置

水下照明与水下摄像机的相对位置直接影响到水下机器人的观测效果。譬如，把光源放在摄像机的正前面照射被照物体时，就会把摄像机正前面的水中漂浮的悬浊物照得很亮，从而难以得到被照物体的像差，图像很难清晰。同时由于光在水中的衰减，要取得理想的观测效果，就要选择照明装置和摄像机相对观测区的最有利的位量，对镜头视场角和照明装置光通量出射角进行协调．以增强水下视距。因此在设计水下机器人时，应从水下机器人接近观测对象的能力，保持静止或准确移动的能力以及所选用摄像机的视距、视角、照明装置的照度、水质情况等因素加以全面考虑，以求得最佳配置[3]。由于设计的警用ROV为增加观测的视场角，观测设备安装在一个可进行俯仰动作的云台上。为减小其俯仰动作对警用ROV姿态平稳性的扰动，其整个俯仰部分在水中要具有零浮力，并且其俯仰中心在其浮心上。因此，在布置观测设备时要综合考虑警用ROV的观测效果和运动的平稳性，以求得最佳的匹配。

4 总 结

警用ROV在2010年七月在珠江水域进行了交付验收试验，试验结果表明警用ROV水下航速高，有良好的抗流工作能力, 可在3节以下水流中正常工作, 能进行深度保持、航向保持，有良好的操纵性和平台稳定性。其总体结构为水下机器人的高效运行提供了有效的硬件基础。

[1] 彭学伦.水下机器人的研究现状与发展趋势[J]. 机器人技术与应用,2004(4)： 43-47.

[2] 王 兵. 浦江水域监测机器人设计与研究[D].上海: 上海大学,2009.

[3] 蒋新松,封锡盛、王棣棠.水下机器人[M].沈阳:辽宁科学技术出版社, 2000.

[4] 张铭钧.水下机器人[M].北京:海洋出版社, 2000.

[5] 陈 勇.超小型潜水器结构设计及整机控制研究 [D].上海: 上海大学,2008.

[6] 徐玉如，李彭超.水下机器人发展趋势[J].自然杂志，2011(3)：125-132.

A General Structure Design of ROV for Security under Water

JIN Bi-xia， FANG Yong

(The710thResearchInstitute，ChinaShipbuildingIndustryCorp，YichangHubei443003，China)

According to the water safety problems, a design of a ROV for security is introduced. Shape is streamlined with peripheral frame structure, electrical connections are made by using penetrating cable sealing pressure. Detection and identification equipments have a greater range of observation by pitching motion. Four propellers realize ROV spatial movement under water. The experiment shows that the ROV has good maneuverability and stability of the platform, the overall structure can provide the hardware base for the efficient operation of ROV.

ROV; security; general structure

2014-02-10

金碧霞(1977-)，女，湖北天门人，工程师，研究方向：水下机器人 。

U674

A

1007-4414(2014)02-0141-04