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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 探路者號(hào)水下作業(yè)機(jī)器人
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品是一個(gè)多功能的AUV，即無(wú)纜化水下作業(yè)機(jī)器人。采用自主研制的水下推進(jìn)器作為動(dòng)力裝置，實(shí)現(xiàn)多自由度靈活運(yùn)動(dòng)。具有水下探測(cè)，識(shí)別，定位，跟蹤，作業(yè)等功能。 本機(jī)器人應(yīng)用范圍非常廣泛，如海洋輸油管道檢查；跨江、跨河管道檢查；船體檢修；船底探查；碼頭及碼頭樁基、橋梁、大壩水下部分檢查；航道排障、港口作業(yè)；水下考古、水下沉船考察等一系列應(yīng)用。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)目研究的目的在于研制一套自主式水下航行器（Autonomous underwater vehicle）,可以執(zhí)行多種水下任務(wù)，例如海底資源探測(cè)、沉船打撈、水下地形探測(cè)、水下管線維護(hù)等，而且可以通過(guò)地面站對(duì)水下機(jī)器人的多種參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控，尤其是可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水下環(huán)境的視頻畫(huà)面。 此水下機(jī)器人可以廣泛應(yīng)用于水下環(huán)境探測(cè)，管道檢修，艦船維護(hù)，礦產(chǎn)探測(cè)等，通過(guò)機(jī)器人可以把水下采集的信息進(jìn)行存儲(chǔ)、分析以及上傳。通過(guò)預(yù)先設(shè)定的航路可以讓機(jī)器人自主完成任務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。這樣可以使得水下作業(yè)的效率大大提高，增加收益。 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 1基于水動(dòng)力模型的流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 水下機(jī)器人根據(jù)使用目的和技術(shù)要求的不同，其外形尺寸、結(jié)構(gòu)形式有很大差異。形體的選擇要考慮以下原則和要求： （1）阻力小、航行性能好； （2）足夠的強(qiáng)度； （3）便于總體布置； （4）良好的工藝性。 我們對(duì)潛器的總體結(jié)構(gòu)外形采用流線型設(shè)計(jì)，潛器的運(yùn)動(dòng)控制方式為水動(dòng)力定位形式，通過(guò)控制側(cè)推電機(jī)來(lái)控制潛器的橫向或方向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)垂直電機(jī)來(lái)控制潛器的潛浮，利用主推電機(jī)來(lái)控制前進(jìn)后退，這種形式的潛器在小范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)有著很好的靈活性，對(duì)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也比較容易找到控制規(guī)律。潛器的主體外形之所以選用流線型設(shè)計(jì)就是使它能夠有很好的方向性，潛器的正面投影面積最小，這樣可以提高運(yùn)動(dòng)空間。通過(guò)一代原理驗(yàn)證機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，這種設(shè)計(jì)能夠保證潛器的良好工作。 2自主/遙控復(fù)合操作方式 當(dāng)潛器處于單任務(wù)模式時(shí)，可以通過(guò)上位機(jī)為潛器進(jìn)行路徑規(guī)劃，潛器采用預(yù)編程模式執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)潛器處于多任務(wù)模式下，可以通過(guò)浮漂利用IEEE 802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與控制站進(jìn)行通信，操作人員能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遙操作對(duì)潛器運(yùn)行進(jìn)行干預(yù)。 3無(wú)人勘察、作業(yè)一體化設(shè)計(jì) 目前根據(jù)功能設(shè)計(jì)將AUV分為調(diào)查型和作業(yè)型兩種。調(diào)查型又稱為信息型，是指能夠完成攝影、錄像、海洋要素測(cè)量、海底地形勘測(cè)等任務(wù)的AUV。目前世界上絕大多數(shù)AUV都屬于這一類型。作業(yè)型是指帶有機(jī)械手等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠完成海底作業(yè)等任務(wù)的AUV,這類AUV目前還處于研制階段。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的無(wú)人水下航行器配備眾多傳感器接口和4自由度機(jī)械手，能夠同時(shí)完成探測(cè)和作業(yè)任務(wù)，大大節(jié)約了人力物力。 4推進(jìn)系統(tǒng)創(chuàng)新 推進(jìn)系統(tǒng)采用的是我們自行研制的加涵道的HR120C型水下推進(jìn)器及同軸反轉(zhuǎn)推進(jìn)器。推進(jìn)器經(jīng)過(guò)打壓試驗(yàn)，可在1500米水深以下正常工作（未進(jìn)行破壞性試驗(yàn)），自制螺旋槳，涵道密封裝置等，可以降低機(jī)器人的整體成本，同時(shí)提供可靠的動(dòng)力支持。該套系統(tǒng)采用一個(gè)水平推進(jìn)作為主推電機(jī)為機(jī)器人提供動(dòng)力。橫推電機(jī)應(yīng)用前后布置的形式來(lái)控制機(jī)器人的平移及轉(zhuǎn)向。垂推電機(jī)也采用兩臺(tái)HR120C可控制機(jī)器人在水中的沉浮及俯仰姿態(tài)，可以保證機(jī)器人良好的動(dòng)力特性并且可以大大地降低成本。 5雙攝像頭多線程目標(biāo)監(jiān)控 AUV頭部裝有兩臺(tái)CMOS數(shù)字?jǐn)z像頭。一方面，在多任務(wù)模式下，一臺(tái)攝像頭可以用來(lái)采集水底圖像，另一臺(tái)攝像頭用來(lái)監(jiān)測(cè)AUV航向前方的目標(biāo)物。在進(jìn)行石油管道檢修時(shí)，一方面能夠按照水底引導(dǎo)物運(yùn)動(dòng)，另一方面能夠?qū)崟r(shí)采集前視攝像頭圖像，進(jìn)行輸油管道勘察。另一方面，兩臺(tái)攝像頭能夠組成雙目定位系統(tǒng)，在淺海、江河運(yùn)行時(shí)能夠不依靠慣性器件進(jìn)行視覺(jué)導(dǎo)航、航跡規(guī)劃、局局部繪圖等任務(wù)。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的和基本思路： 此作品設(shè)計(jì)制作一個(gè)AUV（自動(dòng)水下潛器），用來(lái)完成一些水下人工難以或無(wú)法完成的任務(wù)，提高工作效率，減少潛水員的使用，減少生命財(cái)產(chǎn)損失。例如應(yīng)用于水下管道檢修，礦產(chǎn)資源探測(cè)，水庫(kù)檢修，水下搜救以及一些軍事方面的應(yīng)用。 機(jī)器人主體采用流線型設(shè)計(jì)，多推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)多自由度靈活運(yùn)動(dòng)，前置攝像頭進(jìn)行信息采集與圖像識(shí)別，三軸姿態(tài)傳感器用于機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整，嵌入式之星處理器及ARM9進(jìn)行相關(guān)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體功能。 創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵： 1、應(yīng)用自主研制的水下推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)多自由度水下靈活運(yùn)動(dòng)。 2、基于水動(dòng)力模型的流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3、整合任務(wù)設(shè)定，自主航行，自主探測(cè)，自主定位，信息收集，水下作業(yè)等功能于一體 4、自主/遙控復(fù)合操作方式 5、雙攝像頭多線程目標(biāo)監(jiān)控 主要技術(shù)指標(biāo)： 機(jī)器人規(guī)格：長(zhǎng)1200mm寬：400mm高：500mm 最大測(cè)試航速：3.2m/s 最大下潛速度：0.4m/s 最大上升速度：0.6m/s 最大測(cè)試下潛深度：150m左右（有機(jī)玻璃結(jié)構(gòu)未做破壞性試驗(yàn)） 1000m左右（合金結(jié)構(gòu)在國(guó)家級(jí)打壓池測(cè)試，未做破壞性試驗(yàn)） 圖像采集：50度廣角鏡頭，70度俯仰搖頭，可視距離2m以上 自動(dòng)水下定深：精度0.01m 航向偏差：最大±1° 水聽(tīng)器定位誤差：小于±3° 自重：10KG 整機(jī)功率：430W 最大測(cè)試?yán)m(xù)航時(shí)間：1.2小時(shí)（單組電池）
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 國(guó)內(nèi)相關(guān)成果： 中國(guó)863計(jì)劃支持的重大高科技項(xiàng)目CR-01 6000米自治水下機(jī)器人，由中俄聯(lián)合研制。該機(jī)器人經(jīng)過(guò)了三年時(shí)間的研制，后又經(jīng)過(guò)一年的工程化改進(jìn)，使之成為一臺(tái)可靠性較高的實(shí)用樣機(jī)。1995年8月，CR-01 6000米無(wú)纜自治水下機(jī)器人研制成功，使中國(guó)機(jī)器人的總體技術(shù)水平躋身于世界先進(jìn)行列，成為世界上擁有潛深6000米自治水下機(jī)器人的少數(shù)國(guó)家之一。 此機(jī)器人為大型軍事領(lǐng)域機(jī)器人，我校參與其相關(guān)研制，但此次的機(jī)器人我們?cè)O(shè)計(jì)主要是針對(duì)民用方面。 國(guó)外相關(guān)成果： 在2007年月底，美國(guó)國(guó)家航空航天局資助的全自動(dòng)水下機(jī)器人成功地在世界上最深的水下洞穴進(jìn)行了探測(cè)。這一項(xiàng)目將是未來(lái)探測(cè)木星衛(wèi)星木衛(wèi)二的序曲，科學(xué)家們認(rèn)為木衛(wèi)二上有液態(tài)水形成的海洋。深井熱量探測(cè)器（DEPTHX）是一個(gè)重約3300磅的計(jì)算機(jī)化的潛水器，它能夠自行做出決定。 國(guó)外的相關(guān)研究技術(shù)較我國(guó)先進(jìn)，因此我們的研究可以進(jìn)一步促進(jìn)國(guó)內(nèi)水下機(jī)器人技術(shù)的研究與應(yīng)用，在民用方面該機(jī)器人具有很好的市場(chǎng)前景與經(jīng)濟(jì)效益
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合同
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)演示，圖片，錄像，樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1、應(yīng)用嵌入式之星進(jìn)行圖像處理，ARM9進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，系統(tǒng)控制2個(gè)主推進(jìn)器，2個(gè)側(cè)推進(jìn)器，2個(gè)垂直推進(jìn)器，可以實(shí)現(xiàn)多自由度靈活運(yùn)動(dòng)，可以保障機(jī)器人在水下順利完成任務(wù)，提高效率。 2、應(yīng)用自主研制的防水電機(jī)作為推進(jìn)器，推進(jìn)器經(jīng)過(guò)打壓試驗(yàn)可在1500米水深以下正常工作（未進(jìn)行破壞性試驗(yàn)），自制螺旋槳，涵道密封裝置等，可以降低機(jī)器人的整體成本，同時(shí)提供可靠的動(dòng)力支持。 3、整機(jī)采用CAN總線通信，可靠穩(wěn)定。通信系統(tǒng)采用CAN總線通信形式。 適應(yīng)范圍： 1.軍事方面：用于軍事勘察，水下監(jiān)測(cè)，投放標(biāo)志物。 2.民用方面： 海洋輸油管道檢查；跨江、跨河管道檢查；船體檢修；船底探查；航道排障、港口作業(yè)；鉆井平臺(tái)水下結(jié)構(gòu)檢修；水下考古、水下沉船考察，水下清潔等。
同類課題研究水平概述
- 國(guó)內(nèi)外研究水平： 水下自動(dòng)機(jī)器人代表了未來(lái)水下機(jī)器人研究的方向當(dāng)前在各類水下機(jī)器人研究中，水下自動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)熱點(diǎn)，我們可以通過(guò)大量的國(guó)際會(huì)議了解到當(dāng)前國(guó)際上水下機(jī)器人研究發(fā)展的這種趨勢(shì)。 更深——向深海發(fā)展 地球上97%的海洋深度在6000 米以上，稱之為深海。研制6000 米的潛水器是許多國(guó)家的目標(biāo)。美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、中國(guó)等都擁有自己的6000 米級(jí)的AUV。盡管ROV和載人潛器也能達(dá)到這個(gè)深度，但發(fā)展水下自動(dòng)機(jī)器人比其它潛器的造價(jià)要低得多，更經(jīng)濟(jì)。 更遠(yuǎn)——向遠(yuǎn)程發(fā)展 水下自動(dòng)機(jī)器人的分類方法有幾種，其中一種是按照航程的遠(yuǎn)近分為遠(yuǎn)程和近程兩類。所謂遠(yuǎn)程是指水下自動(dòng)機(jī)器人 一次補(bǔ)充能源連續(xù)航行超過(guò)100 海里以上，而小于100海里稱為近程。 遠(yuǎn)程水下自動(dòng)機(jī)器人涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括能源技術(shù)、遠(yuǎn)程導(dǎo)航技術(shù)和實(shí)時(shí)通信技術(shù)。因此，許多研究機(jī)構(gòu)都在開(kāi)展上述關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，以期獲得突破性的進(jìn)展。也只有在上述關(guān)鍵技術(shù)解決后，才能保證遠(yuǎn)程AUV 計(jì)劃的實(shí)施。 功能更強(qiáng)大——向作業(yè)型及智能化方向發(fā)展 現(xiàn)階段的水下自動(dòng)機(jī)器人只能用于觀察和測(cè)量，沒(méi)有作業(yè)能力，而且智能水平也不高。將來(lái)的水下自動(dòng)機(jī)器人將引入人的智能，更多地依賴傳感器和人的智能。還要在水下自動(dòng)機(jī)器人上安裝水下機(jī)械手，使水下自動(dòng)機(jī)器人具有作業(yè)能力，這是一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)。 美國(guó)新近研究水下作業(yè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)吸收海水中熱量提供電力，從事人類難以達(dá)到的遠(yuǎn)距離，深海作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)探任務(wù)。 我國(guó)這方面的研究與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一段距離，民用方面的AUV非常少，多為小型ROV，即有纜水下機(jī)器人。我們?cè)O(shè)計(jì)制作的AUV具有機(jī)械手及相關(guān)水下作業(yè)設(shè)備，這也是一個(gè)突破點(diǎn)，為我國(guó)水下機(jī)器人的發(fā)展貢獻(xiàn)出一份力量。
