Study on the Key Technologies of Deep-Sea Rover Underwater Vehicle

在二十世纪70年代以来，有缆遥控水下机器人（Remotely Operated Vehicles, ROV）以其海底强机动性、强作业能力的特点，被广泛应用于海洋石油天然气开发和海洋科考领域。然而，近年来随着人们对深海领域的不断探索与开发，使得ROV的深海应用逐渐受到其传统有缆作业模式的制约，包括海况条件制约、成本和技术制约以及无法完成长时间的坐底作业任务等。驻留式ROV（Resident ROV）概念的提出在一定程度上突破了传统ROV受海况条件、作业时长的限制，然而，相对传统的ROV系统，驻留式ROV的遥控回坞方式、依靠推进器悬停定位或坐底作业的模式并没有改变，不具备在复杂地形条件下爬行和定点长时作业的能力。本文借鉴太空探测漫游者机器人与太空着陆器联合作业的理念，提出一种基于深海着陆器作业的新型有缆水下漫游者机器人概念，即深海漫游者机器人（Deep-sea Rover ROV，简称R-ROV）。R-ROV具备浮游和履带爬行两种模式，综合了传统ROV机动性强和履带式爬行机器人地面适应性强的优点，克服了传统ROV和驻留式ROV无法应对长时复杂底质环境下精细探测作业的缺点，并仅基于引导声纳作为定位传感器使R-ROV具备了100 m范围内的自主回坞能力。作业时，R-ROV以一种新型的深海探测装备——深海多位点着陆器“鹿岭”号作为海底基站，规避了传统ROV需要布放回收系统实时支持的限制，降低了母船的要求，并拓展了各自的探测和作业能力，构成了一种新型的深海装备和“断线区域”探测作业模式。本文结合国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项课题“漫游者潜水器技术研究（编号：2017YFC0306402）”的需求，针对R-ROV基于深海着陆器作业时在深海底质环境下的运动适应性和导航回坞若干关键问题进行深入研究，主要包括以下内容：1、R-ROV爬行模式运动机理与参数优化研究。采用椭圆原理设计了基于可伸缩摆臂的自张紧履带构型，分析了R-ROV爬行运动机理，并从目标约束和地面行走适应性角度推导了多目标优化数学模型。根据遗传算法、组合赋权求解后的设计参数，开展了R-ROV多体动力学仿真，证明了R-ROV爬行模式对沟壑和台阶典型障碍具有较强的通过性，此外还对双摆臂姿态对R-ROV形走过程中履带沉陷量和行驶阻力的影响进行了仿真验证。2、R-ROV爬行模式转向动力学建模与分析。基于履带剪切应力-剪切位移关系建立了包含履带滑移参数、水阻力以及浮力影响的R-ROV海底松软地面下稳态转向动力学模型，从理论上获得了R-ROV在海底松软地面爬行时的转向阻力矩、履带牵引力以及履带的打滑率预报；影响R-ROV转向性能的参数主要包括地面土壤条件、转向半径和前进速度等，给出了R-ROV转向运动的限定条件。通过动力学仿真实验得到的数据与理论计算结果具有较高的一致性。3、 基于声学引导的自主回坞技术研究。面向R-ROV基站式近距离自主回坞的需求，区别于传统AUV采用远距离辅以声学、近距离光学的双定位引导源自主回坞方案，本文采用回坞引导声纳作为单一引导源和低成本惯性传感器，构建了一套具有自适应容错能力的高性价比R-ROV组合导航系统。为解决回坞引导声纳数据包含野值、短暂偏置以及非连续等问题，本文提出了一种基于新息修正的改进Sage-Husa 自适应平方根容积卡尔曼滤波算法，仿真验证了该算法的优越性。基于变深度视距制导回坞控制策略，采用研制的浮游模式R-ROV作为试验平台成功开展了多组自主回坞功能试验，验证了本文基于单一声学引导自主回坞技术的有效性。4、基于双神经网络辅助的无缝导航方法。在前文提出的自适应容错滤波器的基础上，运用长短期记忆网络（Long Short-Term Memory，LSTM）构建了一种引入自学习能力的双神经网络辅助优化卡尔曼滤波器，解决声学野值、短暂偏置等故障的同时，可以有效解决R-ROV航行时遇到的长时间（60 s）声学定位数据中断导致导航定位发散的问题。通过引入深度神经网络来学习惯性传感器、滤波器内部增益和R-ROV位置增量之间的模型，以补偿定位信息失锁时惯性系统的误差；同时，增加了一个深度学习网络进行最后的估计误差补偿。本文所提算法体现了对卡尔曼滤波器内部和外部的双重优化，最后基于R-ROV的外场试验数据进行了多组对比分析，证明了所提方法的优越性。5、平台搭建与试验研究。根据R-ROV的运动实现机理，在本文搭建的模块化浮游模式R-ROV平台基础上，搭建了爬行模式R-ROV试验平台。在海上试验中，针对R-ROV系统建模、仿真分析的结果进行了验证。最后介绍了在中国南海“海马”冷泉区域和“深海勇士”号载人潜水器联合科考作业的情况。相关数据和应用成果表明，本文提出并研制的深海漫游者机器人系统具有广阔的应用前景

Ballast throwing mechanism capable of being used in underwater environment

本实用新型属于水下机器人领域，具体地说是一种可用于水下环境的抛载机构，包括依次密封连接的水密接插件、接插件固定端盖、电机舱体、电机安装盘、舱体端盖、舱体、固定板及锁紧杆、滚子从动件和位于电机舱体内的电机，电机容置在电机舱体内、并安装在电机安装盘上；电机驱动轴及滚子从动件均位于舱体端盖与舱体形成的空间内，电机驱动轴与电机相连、由电机驱动旋转，进而带动滚子从动件往复摆动；锁紧杆的一端与滚子从动件相连，另一端为自由端，锁紧杆随滚子从动件通过电机驱动轴带动往复摆动，通过自由端与固定板之间的锁紧或张开实现抛载。本实用新型具有结构紧凑、负载能力强、故障率低、可全海深作业等优点

一种深海工具换装电动对接机构

本发明属于水下机器人领域，具体地说是一种深海工具换装电动对接机构，电动直线缸为多个，沿对接固定件的圆周方向均布，电动直线缸的缸体铰接于对接固定件上，电动直线缸的推杆铰接有卡爪；卡爪的一端铰接于对接固定件上，另一端为卡紧端，对接固定件的对接端沿圆周方向均匀开设有与卡爪数量相同、一一对应的卡爪运动方孔，电动直线缸的推杆驱动卡爪在卡爪运动方孔中转动；工具安装盘在对接时由对接固定件的对接端插入，工具安装盘上沿圆周方向均匀开设有与卡爪数量相同、一一对应的卡爪卡紧槽，卡爪的卡紧端在电动直线缸推杆的驱动下转至对应的卡爪卡紧槽内，进而锁紧工具安装盘。本发明具有结构紧凑、故障率低、可深海工作等优点

Ballast throwing mechanism capable of being used in underwater environment

本实用新型属于水下机器人领域，具体地说是一种可用于水下环境的抛载机构，包括依次密封连接的水密接插件、接插件固定端盖、电机舱体、电机安装盘、舱体端盖、舱体、固定板及锁紧杆、滚子从动件和位于电机舱体内的电机，电机容置在电机舱体内、并安装在电机安装盘上；电机驱动轴及滚子从动件均位于舱体端盖与舱体形成的空间内，电机驱动轴与电机相连、由电机驱动旋转，进而带动滚子从动件往复摆动；锁紧杆的一端与滚子从动件相连，另一端为自由端，锁紧杆随滚子从动件通过电机驱动轴带动往复摆动，通过自由端与固定板之间的锁紧或张开实现抛载。本实用新型具有结构紧凑、负载能力强、故障率低、可全海深作业等优点

Load rejection mechanism capable of being used in underwater environment

本发明属于水下机器人领域，具体地说是一种可用于水下环境的抛载机构，包括依次密封连接的水密接插件、接插件固定端盖、电机舱体、电机安装盘、舱体端盖、舱体、固定板及锁紧杆、滚子从动件和位于电机舱体内的电机，电机容置在电机舱体内、并安装在电机安装盘上；电机驱动轴及滚子从动件均位于舱体端盖与舱体形成的空间内，电机驱动轴与电机相连、由电机驱动旋转，进而带动滚子从动件往复摆动；锁紧杆的一端与滚子从动件相连，另一端为自由端，锁紧杆随滚子从动件通过电机驱动轴带动往复摆动，通过自由端与固定板之间的锁紧或张开实现抛载。本发明具有结构紧凑、负载能力强、故障率低、可全海深作业等优点

Dynamic Modeling and Simulation Analysis of Underwater Manipulator with Large Arms

面向水下环境大范围精细作业需求,对水下大臂展机械手系统进行动力学建模和关节驱动力矩求解分析。首先,基于D-H理论对水下大臂展机械手进行正、逆运动学分析,求解各连杆速度与加速度;然后,构建水下大臂展机械手的动力学模型,使用莫里森公式和D-H理论完善动力学模型中的水动力项,采用拉格朗日法求解整机的净浮力、惯性力、离心力、科氏力与末端负载力项,得出各关节所需驱动力矩和关节角、环境水流速度以及末端负载之间的函数关系;最后,针对具体作业场景,得出环境水流速度、目标负载转运下机械手各关节所需驱动力矩,为水下大臂展机械手设计提供理论支撑。</p

一种通用型水下机器人供电系统绝缘检测装置

本实用新型涉及水下机器人直流供电系统绝缘检测技术，具体说是一种通用型水下机器人供电系统绝缘检测装置。通用型绝缘检测装置包括接地电流检测电路、滤波限幅电路、差分放大电路、隔离放大电路、差分转单端信号电路、有源低通滤波电路、直流转换隔离电源和线性稳压电路。所述绝缘检测装置输入端为直流供电系统负极和水下机器人外壳框架，输出端为0至2.5V模拟量信可连接水下机器人控制系统AI。本实用新型可以在水下机器人密封干舱和充油高压湿舱中使用，有效提高水下机器人在深海未知工作环境下的可靠性和安全性。小型化和模块化的设计有效地减小了绝缘检测装置的体积和重量、降低了功耗、提高了检测精度，可适用于ROV、ARV、AUV等不同类型的水下机器人使用

一种水下腿履复合爬行底盘及应用其的水下机器人

本发明公开了一种水下腿履复合爬行底盘及应用其的水下机器人，涉及水下移动设备技术领域，解决了现有的水下机器人遇到障碍物时一般需要转向后绕开，由于其无法快速地跨过该障碍物，因此其缺乏在水中快速躲避障碍并保持快速行驶能力的问题，其技术方案要点是，包括：主架体、行驶机构、具有折叠状态和展开状态的折叠机构，其中折叠机构包括：第一转动装置、第一连杆、第二转动装置、第二连杆；第一连杆与第一转动装置传动连接；第二连杆与第二转动装置传动连接，第一连杆与第二连杆转动连接，本发明提供了一种新的水下快速移动的具体实施方式，其带可折叠式收纳功能、具有良好躲避障碍物能力、良好通过性、自由度高、结构简单、便于生产制造的优点