基本信息
- 項目名稱：
- 基于水聲遙控的超小型無纜水下機器人驗證機
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品旨在研制一種利用水聲遙控方式控制的水下機器人驗證機，該技術(shù)涉及到多學(xué)科領(lǐng)域。水聲遙控系統(tǒng)采用性能優(yōu)異的水聲信道編碼技術(shù)，使得水聲遙控可靠性得到顯著提高。通過所建立的動力分配數(shù)學(xué)模型，控制8個推進器電機的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度。在人工操控條件下控制驗證機的姿態(tài)和運動，使載體更加適應(yīng)機器人水下作業(yè)。
- 詳細介紹：
- 在海上石油開采、海洋礦藏資源調(diào)查、海底地形地貌測量、海上救撈作業(yè)、海底管道和電纜的敷設(shè)與檢查、海上軍事作戰(zhàn)等領(lǐng)域中，水下機器人是一不可替代的有效工具。ROV和AUV是兩種最為基本的水下機器人類型。盡管水下機器人從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)60多年了，彼此平行發(fā)展而不能很好的相互借鑒、相互補充。造成這種平行發(fā)展的基本原因就在于水下與水面之間的通信技術(shù)。ROV是高可靠性的有纜傳輸，AUV完全自主。如果AUV能夠與水面控制中心能夠通信的話，無疑會提高AUV的性能。本作品的基本目的就在于尋求一種可靠性高的水聲通信方法使AUV與水面控制中心能夠建立起數(shù)據(jù)的通信。至少在AUV在巡航期間或作業(yè)期間出現(xiàn)異常，例如AUV對海洋環(huán)境的變化不適應(yīng)而導(dǎo)致的異常，水面控制中心能夠及時掌握AUV的當前狀態(tài)并控制或調(diào)整AUV進入正常的工作狀態(tài)；如果AUV具有這樣的通信能力，通過水聲遙控可以輔助AUV更好的應(yīng)對千變?nèi)f化的海洋環(huán)境而有效的完成預(yù)定任務(wù)。除應(yīng)用于軍事目的AUV需要隱蔽之外，其余AUV配有水聲通信不但可以提高其性能，開可以縮短AUV的研制周期、降低AUV研制或工程化應(yīng)用成本。 為了更好的驗證水聲遙控技術(shù)的可靠性，我們將制作一個小型水下機器人動力平臺，通過水聲遙控的方式控制它的航行。8軸推進器動力系統(tǒng)與推進器動密封問題都是在動力平臺制作過程中所遇到問題而引發(fā)的聯(lián)想。 創(chuàng)新點: (1)采用具有良好的抗噪聲、抗多途性能的調(diào)頻信號水聲信道編碼技術(shù)，并可以使用簡單、可靠的解碼系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字信號處理。驗證機利用該信道編碼技術(shù)實現(xiàn)水面與水下的半雙工通信。下行信道傳輸遙控指令，上行信道傳輸驗證機狀態(tài)信息。 (2)隨水下深度增加推進器旋轉(zhuǎn)軸徑向密封壓力增加的動密封技術(shù)，且機械結(jié)構(gòu)簡單，降低了成本，提高了密封材料使用壽命。 (3)8軸推進器動力系統(tǒng)在水下作業(yè)機器人中的應(yīng)用而使得驗證機姿態(tài)可以靈活改變，降低對作業(yè)機械手臂的性能要求。結(jié)合良好人機交互的控制模式，提高水下機器人作業(yè)效率。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 目的：在海上石油開采、海洋礦藏資源調(diào)查等領(lǐng)域中，水下機器人能大幅度提高作業(yè)效率。盡管ROV和AUV水下機器人已有多年，但彼此處于平行發(fā)展態(tài)勢。造成這種不能相互配合的根本原因在于水下通信技術(shù)發(fā)展緩慢，不能滿足水聲遙控以及通信的需要。因此，本作品的核心目的在于尋求一種解碼率高、虛警率低的水聲通信方法，使AUV與水面控制中心建立高可靠的數(shù)據(jù)通信機制。基本思路：1、設(shè)計并實現(xiàn)既適合水聲信道傳輸又具有數(shù)據(jù)解碼簡單、可靠性高的水聲遙控指令信道編碼技術(shù)。2、設(shè)計制作具有靈活運動姿態(tài)的水下機器人動力平臺，從而降低對作業(yè)機械手的性能要求。3、獨立于主體密封殼體的水下推進器結(jié)構(gòu)設(shè)計。使其不但具有可靠的動密封性能，同時提高其耐腐蝕性以便延長推進器的使用壽命。創(chuàng)新點：1、采用調(diào)頻信號水聲信道編碼技術(shù)，提高可靠性的同時降低后期解碼系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度。2、隨潛器下潛深度的增加，推進器旋轉(zhuǎn)軸徑向密封壓力隨之增加的動密封技術(shù)，提高動密封性能的同時簡化機械結(jié)構(gòu)，從而降低制作成本。3、8軸推進器的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使得潛器姿態(tài)靈活改變。技術(shù)關(guān)鍵：1、水聲遙控的高可靠性；2、水下動密封技術(shù)；3、水下機器人任意姿態(tài)的實現(xiàn)；4、系統(tǒng)高可靠性；主要技術(shù)指標：1、整機尺寸：1000*530*530（長*寬*高,mm），重量45kg，續(xù)航時間2小時。2、水聲遙控：頻段：28kHz~32kHz；多途信道水池條件下漏報概率小于千分之一；虛警概率：小于千分之一；遙控距離200米；指令編碼數(shù)量512個；3、最大工作水深100米。
科學(xué)性、先進性
- 本原理樣機具有以下特點和進步： 一、運用經(jīng)典理論，提高了低信噪比與嚴重多途條件下遙控編碼指令在水聲信道中的檢測能力。 二、本樣機采用的耐壓能力自適應(yīng)水下密封技術(shù)不但可以提高密封材料的使用壽命同時還可以提高水密性能。 三、目前框架結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在ROV中,在無纜水下機器人中采用基于框架結(jié)構(gòu)的8軸六自由度動力系統(tǒng)，使得水下驗證機能夠靈活的改變姿態(tài)，可以適應(yīng)水下作業(yè)對載體靈活性的需要。 四、參考文獻： [1] 蔣新松，封錫盛，王棣棠. 水下機器人[M]. 沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000. [2] 鐘先友，譚躍剛. 水下機器人動密封技術(shù)[J]. 機械工程師， 2006，第1期. [3] 惠俊英，生雪莉. 水下聲信道[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2007. [4] 鄒士新，程剛，陳立強. 水聲遙控時頻域聯(lián)合編碼研究[J]. 探測與控制學(xué)報，2005，第2期 [5] 陽兵兵. 觀測型水下機器人結(jié)構(gòu)機器慣性導(dǎo)航方法研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2008.
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年5月在某?！拔逅谋贝髮W(xué)生科技創(chuàng)新競賽中獲一等獎
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 一、使用說明：該系統(tǒng)使用方法簡單，只要將驗證機放入水中，然后通過雙飛行搖桿控制驗證機水下姿態(tài)和運動軌跡，通過水聲信道上傳狀態(tài)信息在上位機中顯示出來，而且具有危險警報功能。二、技術(shù)特點：ROV電纜易纏繞、作業(yè)范圍小，對于絕大多數(shù)AUV來講，最突出的弱點就是對包括海底地形、地貌、海流流速/流向等水下環(huán)境變化的適應(yīng)性。采用水聲遙控的水下機器人無電纜纏繞、作業(yè)范圍大。 三、適用范圍：安裝視頻設(shè)備替代部分ROV水下作業(yè)，結(jié)合AUV技術(shù)且在巡航與作業(yè)有效性方面的性能優(yōu)于AUV的USC（Under sound control-AUV技術(shù)替代AUV。 四、推廣前景：“十二五”規(guī)劃中我國大力發(fā)展海洋科技，可見市場前景廣闊。國外有纜的微型水下機器人售價一般在200萬左右，AUV售價更高，而且研發(fā)周期長。而本機整體全部為耐腐蝕，耐壓材料，作業(yè)深度200米，成本也可控制在80萬左右，價格上具有明顯的優(yōu)勢。進口同等作業(yè)深度的一般小型水下推進器價格在1.2萬元左右，而采用本方案，價格可以控制在5000元。
同類課題研究水平概述
- 超小型水下遙控潛器體積小、重量輕、自帶能源，可以進入大型遙控潛水器無法進入的區(qū)域?qū)嵤┳鳂I(yè)或進行水下觀察，還具有運輸方便、機動性好、運動靈活等特點，特別適用于配合載人潛水器工作，如對其將要進入的環(huán)境事先觀察，查找和排除潛在危險，或作為載人潛水器的拋載裝置，觸發(fā)拋載機構(gòu)等。目前世界各國都在大力發(fā)展自主知識產(chǎn)權(quán)的水下遙控潛器，因為其無論在經(jīng)濟領(lǐng)域，還是軍事領(lǐng)域都有其不可替代的作用。 美國早期的許多拖曳式潛器都是由一些研究機構(gòu)為進行海洋學(xué)研究而發(fā)展起來的，比如Scripps海洋學(xué)協(xié)會的物理實驗室和Woods Hole海洋水文研究所，它們多是由政府或海軍資助。隨著技術(shù)的進步，政府投資建造了商用潛器，并交給承包商來使用?，F(xiàn)在，美國很少有潛器系統(tǒng)直接由政府使用。在其他一些國家，尤其是俄羅斯，相當重視水下潛器技術(shù)的發(fā)展，在60年代末期，俄羅斯集中了相當一部分科研人員和專家開發(fā)海洋工程和研究海洋開發(fā)技術(shù)，多數(shù)潛器系統(tǒng)是由政府出資并直接使用的。一些文獻表明，俄羅斯從20世紀70年代就已經(jīng)開始了水下無纜遙控潛器的研究。加拿大遙控水下潛器的開發(fā)工作目前正在水面以下和表層兩條戰(zhàn)線展開，主要用于完成水文調(diào)查和軍事任務(wù)。無纜遙控潛器在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的引入是一不可避免的發(fā)展趨勢。自1969年以來，英國愛丁堡市赫利奧特瓦特大學(xué)一直在積極進行ROV的設(shè)計、制造和應(yīng)用，其研發(fā)的有纜潛器可在三維空間里提供自動定向、自動定深和自動導(dǎo)航，而英國的無纜遙控潛器正處于初試階段，研究工作的重點是無人無纜的控制和通信問題。 我國水下潛器的發(fā)展相對世界其他國家而言比較晚，上個世紀80年代國家人工智能專家組提出了研發(fā)ROV的建議，主要應(yīng)用領(lǐng)域是海底資源調(diào)查以及開采、海洋科學(xué)考察和研究、海洋石油開發(fā)和海洋工程、海洋救險和打撈等。在我國，ROV的發(fā)展在很大程度上由兩個因素決定，其一是特定的市場需求，其二是水下系統(tǒng)的技術(shù)改進。我校在水聲技術(shù)領(lǐng)域研究多年，致力于水聲通信和海洋探測等多個領(lǐng)域，但是由于缺乏適合的搭載設(shè)備，使得一些關(guān)鍵性實驗無法進行，本項目旨在設(shè)計實現(xiàn)一款結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠、控制靈活多樣的基于水聲遙控的微型無纜水下機器人驗證機，用以搭載各類通信、探測、打撈等設(shè)備，最終滿足海洋探測和開發(fā)的各類需要。
