ROV水动力特性试验研究
ROV在水下工程检测中的应用初探
ROV在水下工程检测中的应用初探作者：林七贞林汉斌来源：《中国水运》2015年第02期摘要：水下机器人全称为水下遥控运载器，（英译：Remotely Operated Vehicle以下简称：ROV）是一种高科技仪器设备的集成体，文章将介绍ROV的现状与特点，对ROV在水下工程检测中的应用前景进行了探讨，提出在水下探摸检测工作中引进ROV的建议。
关键词：ROV 工程检测应急搜寻前言ROV主要分为两种基本类型，即有缆遥控式ROV和无缆自治式ROV。
有缆遥控式ROV 是由工作母船上工作人员通过ROV的脐带提供动力和控制信号。
无缆自治式ROV自备动力电源，按照预先编制的程序自主航行。
同时ROV也向甲板传回各种讯息，将各种传感器水下采集到的数据信息和影像图像在控制台上显示。
ROV可搭载水下摄像和声呐设备，在潜水员不便下水时替代潜水员进行水下摄像和河床扫测，可通过机械手进行简单的作业。
能从事海洋测量、军事侦测、水利水电、渔业水产、核电设施、救助打捞、应急搜寻等工作。
目前国内外对于ROV的开发和研制相当重视，已有多种款式投入运用，并且不断进行技术更新和升级，近十年来，国外的海洋工程设备供应商也逐渐将各种型号的ROV投放到中国市场，本文选取通用观察型ROV（无人遥控有缆式）作为模版进行评估。
ROV的性能及特点ROV一般为开放式框架结构，铝合金或玻璃纤维板，亚克力管材，标配4个磁力联轴式推进器，可定向巡航或定深巡航，工作水深可达百米级，能自主或半自主航行，实现直航、回旋、潜浮方式，可在浮游与爬行模块之间自由切换。
首部装有可旋转式黑白或彩色摄像变焦镜头或相机，远景和近景自由切换，强光LED灯源或卤素灯。
内置压力传感器、姿态传感器、磁罗经、速率陀螺仪和高度计等。
电力供应、光纤通信采用脐带传输方式，具有承载能力强，传输速度快，抗电磁干扰等。
可选择性搭载GPS定位系统、液压机械臂，多波束图像声呐、扫描声呐、超短基线等。
ROV综述
无人有缆遥控水下机器人ROV（Remote OperatedVehicles）研究综述摘要：无人有缆水下机器人ROV，是一种工作于水下的极限作业机器人，是海洋开发和水下作业的重要工具。
本文简要回顾了无人有缆遥控水下机器人ROV的发展历史，概述了各国在ROV领域的研究成果，以及ROV在各个行业的应用和发展趋势。
关键词：无人有缆，机器人，ROV一、引言21世纪是人类向海洋进军的世纪。
深海作为人类尚未开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国的重要战略目标，也是近几年国际上竞争的焦点之一。
水下机器人作为一种高技术手段在海洋开发和利用领域的重要性不亚于宇宙火箭在探索宇宙空间中的作用。
本文将对无人有缆遥控水下机器人ROV研究开发现状和发展趋势作一综述。
二、简介无人遥控潜水器（Remote Operated Vehicles,ROV），也称水下机器人。
一种工作于水下的极限作业机器人，能潜入水中代替人完成某些操作,又称潜水器。
水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。
它的工作方式是由水面母船上的工作人员，通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，通过水下电视、声呐等专用设备进行观察，还能通过机械手，进行水下作业。
无人遥控潜水器主要有，有缆遥控潜水器和无缆遥控潜水器两种，其中有缆遥控潜水器又分为水中自航式、拖航式和能在海底结构物上爬行式三种。
无人遥控潜水器的发展非常迅速，从1953年第一艘无人遥控潜水器问世，到1974年的20年里，全世界共研制了20艘。
特别是l974年以后，由于海洋油气业的迅速发展，无人遥控潜水器也得到飞速发展。
到1981年，无人遥控潜水器发展到了400余艘，其中90％以上是直接，或间接为海洋石油开采业服务的。
1988年，无人遥控潜水器又得到长足发展，猛增到958艘，比1981年增加了110％。
这个时期增加的潜水器多数为有缆遥控潜水器，大约为800艘上下，其中420余艘是直接为海上池气开采用的。
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究
结论
深海采矿系统水动力技术是实现深海矿产资源开采的关键技术之一，目前已 经取得了一定的研究成果。然而，仍存在诸多不足和挑战，例如设备的效率、稳 定性、智能化和环保等方面还有很大的提升空间。未来，需要进一步深入研究各 种水动力技术的原理和应用，发展新型的水动力技术和设备，以满足深海采矿的 需求，同时注重环保和可持续性发展。
5、深海极端环境适应性：针对深海极端环境，研究更具适应性的材料和技 术，提高ROV的可靠性和稳定性。
随着深海探测技术的不断发展，我们相信深海作业型ROV水动力试验及运动 控制技术将在未来发挥更加重要的作用，为人类深入了解和探索深海世界提供强 有力的支持。
参考内容
引言
随着人类对矿产资源的需求不断增加，深海采矿作为一种新型的矿产资源开 采方式，逐渐受到人们的。深海采矿具有广阔的发展前景，但同时也面临着诸多 技术挑战，其中水动力技术就是关键之一。本次演示将对深海采矿系统水动力技 术的现状和未来发展趋势进行综述。
结论与展望
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术是保障ROV在深海环境中可靠、高 效作业的关键。本次演示对这两项技术进行了全面探讨，总结了各自的发展历程 和实际应用情况。随着科技的不断进步，未来对这两项技术的研究将更加深入， 应用将更加广泛。
在未来的研究中，以下几个方面值得：
1、水动力性能优化：进一步深入研究ROV的水动力性能规律，探索更高效的 优化方法和策略，提高ROV的性能和作业效率；
3.大数据分析水动力技术
大数据分析在深海采矿中具有重要作用，可以提供全面的数据支持，帮助人 们更好地了解深海矿产资源的分布和开采状况。水动力技术是影响大数据分析的 重要因素之一，涉及到数据采集、传输和处理等方面。目前，大数据分析水动力 技术的研究主要集中在数据压缩、数据传输协议和数据处理算法等方面，以提高 数据采集、传输和处理的效率和质量。
ROV型深海采矿扬矿系统的动力学分析
ROV型深海采矿扬矿系统的动力学分析
深海矿产资源开发技术的的发展对经济社会发展和国家资源安全保障具有重要作用。
鉴于目前在研的深海采矿系统存在的技术难点,提出了一种新型的ROV型深海采矿系统。
论文主要以1000m ROV型深海采矿海试系统为研究对象,利用有限元方法和ANSYS Workbench软件,综合考虑扬矿系统(提升硬管和输送软管)所承受的各种复杂载荷(如重力、浮力、波浪力、海流力等)进行了流固耦合效应的分析,研究了不同因素(如内流速度、内流密度、外流速度等)对提升硬管以及输送软管所产生的不同影响。
论文的主要研究内容如下:(1)研究确定1000m ROV型深海采矿的总体结构以及扬矿系统各个部件的参数和深海作业时的环境
参数。
(2)研究确定扬矿系统所受的外载荷,应用Morison方程计算采矿系统扬矿管线所受到的波浪力以及海流力,并对扬矿系统的各个部件进行了详细的受力分析。
(3)根据流固耦合原理以及运用ANSYS Workbench解决单向和双向流固耦合的分析流程,建立了关于提升硬管和内部流体、外部海流的不同三维流固耦合有限元模型,进行了流固耦合分析。
并得到了不同海况,内流密度、内流速度,外流速度以及拖航速度等因素对提升硬管的顶端最大应力以及最大横向偏移所产生的不同影响。
(4)推导输送软管与内部流体以及外部海流作用下的流固耦合动力学方程,建立关于输送软管与内部流体、外部海流的不同三维流固耦合有限元模型,进行流固耦合的分析,并得到内流速度,内流密度以及外流速度等因素对输送软管的最大主应力、最大侧向位移与最大横向位移所产生的不同影响。
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究
深海作业型ROV水动力试验及运动控制技术研究一、本文概述本文旨在深入探讨深海作业型ROV（遥控无人潜水器）的水动力试验及其运动控制技术的相关研究。
随着海洋资源的日益重要和深海探索的逐步深入，ROV作为深海作业的重要工具，其性能的优化和运动控制的精确性对深海探测、海底资源开发和海洋环境保护等领域具有重大意义。
本文将首先概述ROV的基本原理和分类，重点介绍深海作业型ROV的特点和应用领域。
随后，本文将详细分析ROV水动力试验的重要性，探讨如何通过水动力试验来优化ROV的设计，提高其性能。
在此基础上，本文将深入研究ROV的运动控制技术，包括路径规划、姿态控制、避障等关键技术，并探讨如何提高ROV在复杂海洋环境下的自主作业能力。
本文还将总结现有的ROV水动力试验和运动控制技术的研究进展，分析当前存在的问题和挑战，并在此基础上提出新的研究思路和方法。
通过本文的研究，旨在为深海作业型ROV的设计和优化提供理论支持和实践指导，推动ROV技术在深海作业领域的广泛应用和发展。
二、水动力试验技术水动力试验技术是评估深海作业型ROV性能的关键环节，涉及到ROV在各种海洋环境下的稳定性和操控性。
ROV的水动力特性，包括其阻力、升力、侧力和力矩等，直接决定了其在深海作业中的表现。
通过水动力试验，我们可以深入了解ROV的动态行为，优化其设计，提高其在复杂海洋环境中的作业效率。
水动力试验主要包括模型试验和实船试验。
模型试验是在特定的水池或水槽中进行的，可以模拟不同海洋环境，如流速、流向、波浪等，对ROV模型进行动态测试。
这种方法具有成本低、周期短、可重复性强等优点，是ROV水动力性能研究的重要手段。
由于模型试验的缩尺效应和相似性准则的限制，其结果往往不能完全反映实船在实际海洋环境中的性能。
实船试验则是在真实的海洋环境中进行的，可以直接获取ROV在实际工作状态下的水动力性能数据。
虽然实船试验的成本高、周期长，且受到海洋环境的不确定性和安全性的限制，但其结果具有更高的可靠性和实用性。
ROV
（ １ ． 海洋石油工程股份有 限公 司，天津 ３ ０ ０ ４ ６ １ ；２ ． 哈尔滨工程大学船舶学院 ，黑龙江 哈尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ） 摘 要 ：基 于水 下环境复杂和作业难度大等特点 ，为 了实现水下 ＲＯ Ｖ作业培训 ，建 立了 Ｒ Ｏ Ｖ作业视景仿真 系统 的关键 技 术方 法，进行 了 Ｒ Ｏ Ｖ 和脐 带缆的受力分析 ，讨论 了 Ｒ ＯＶ － 缆 系统运 动数 学模 型的建立方法和 求解方 法，重点分析 了 Ｒ Ｏ Ｖ操纵性能预报和运动仿真方法。 通过典型 工况下Ｒ ＯＶ直航运动和回转运动的仿真结果可看出。 脐 带缆主要 影响 Ｒ Ｏ Ｖ 的纵 向运动性能。因此 ， 在Ｖ ｅ ｇ ａ Ｐ ｒ ｉ ｍｅ 环境下进行 了 Ｒ Ｏ Ｖ作业培训的视景模型驱动、碰撞检 测、视 点切换和软件界 面开 发等工作 ，实现 了交互的 Ｒ ＯＶ水下作业仿 真 系统。 关键词 ：遥控式水下机 器人 ；柔性脐 带缆 ；海 洋工程 ；ＲＯＶ
（ ５ ）
、
脐带缆在 系统坐标 系中的坐标为 ：
Ｉ 『 ｄ ｘ ｌ ｄ ｓ ］ ｌ ａ ｙ ｌ ａ ｓ Ｉ ＝ （ １ ｄ ｚ ｌ ｄ ｓ Ｊ
『 ０ ］ ｌ １ ． ｌ ０ Ｊ
（ ６ ）
水下脐带 缆的首尾两端的边界条件是确定的 ，脐带缆 的稳 态 问题 可转化 为两点边值问题来求解 。脐带缆首端与母船速度 方 向一致 ，脐带缆尾端 由外力确定初始值 ，计算公式为 ： Ｉ Ｔ ｏ ｃ ｏ ｓ ￣ ｏ ｓ ｉ ｎ ＝一
图 １ 坐标 系示 意 图
｛ ｃ ｏ ｓ ￣ ｏ ｃ ｏ ｓ ０ ｏ ＝ 一 Ｆ ｙ ．
【 Ｔ ｏ ｓ ｉ ￣ ￣ ｏ ＝ 一
（ ７ ）
ROV支持船与水下机器人的协同作业技术研究
ROV支持船与水下机器人的协同作业技术研究引言近年来，随着海洋资源的逐渐开发和深海科研的发展，ROV（Remotely Operated Vehicle）支持船与水下机器人的协同作业技术研究成为了海洋领域中的热点问题。
ROV支持船与水下机器人的有效协同作业，对于提高水下作业的效率、降低作业风险、推进深海科学研究具有重要意义。
本文将从ROV技术、水下机器人技术以及它们的协同作业技术等方面展开论述，以期为相关领域的研究者提供一定的参考。
1. ROV技术的概述ROV是一种通过遥控操作来进行水下作业的机器人。
它通常由携带传感器和工具的机械臂、高清摄像头、电缆通信系统等部件组成。
作为重要的水下设备，ROV可以在人类无法到达或存在危险的深海环境中执行各种任务，如海洋资源探测、水下工程施工等。
同时，ROV的操作人员可以通过遥控操作来实现对ROV的控制，以确保人身安全。
2. 水下机器人技术的发展水下机器人技术的发展经历了几个重要阶段。
早期水下机器人主要是基于有线控制的ROV，其操作受限于电缆长度和操纵能力。
随着技术的进步，无线控制系统和纯自主水下机器人逐渐出现，如AUV（Autonomous Underwater Vehicle）和ASV（Autonomous Surface Vehicle）等。
这些自主机器人具有更高的自主性和灵活性，可以在水下环境中进行自主控制和决策。
3. ROV支持船与水下机器人的协同作业技术ROV支持船与水下机器人的协同作业技术研究主要包括以下几个方面：3.1. 数据传输与通信技术ROV支持船与水下机器人之间的数据传输与通信是协同作业的基础。
有效的数据传输和实时通信可以保证操作人员能够准确了解水下环境并迅速做出反应。
目前，水下无线通信技术正在不断发展，例如声纳通信、激光通信等，这些技术可以提供更高的数据传输速率和更远的通信距离。
3.2. 地图构建与路径规划技术在水下作业任务中，准确的地图构建和路径规划对于协同作业至关重要。
ROV七功能机械手水动力学分析
ROV七功能机械手水动力学分析作者：尹汉军等来源：《中国科技纵横》2015年第19期【摘要】在ROV作业的过程中机械手起到非常重要的作用，所有的作业都需要机械手完成，为了保证机械手的作业能力，建立了以D-H法为基础的ROV七功能机械手数学模型，通过运用Kane法对ROV七功能机械手进行了动力学分析，推导出具有外载荷的动力学方程，并通过运用Morison方程对ROV七功能机械手的水动力学进行了研究，并应用计算流体力学软件Fluent仿真计算了拖拽力系数。
与Matlab机器人工具箱计算的结果进行了对比，从而验证了动力学模型的准确性，最后对ROV七功能机械手进行水动力学解算。
【关键词】七功能机械手水动力学运动学 FOTRAN【Abstract】Manipulator plays an essential and important role in ROV's operation， and almost covers the entire subsea exploration procedure. A numerical model of 7-functional manipulator is built based on D-H formula， and using Kane method analysis its dynamics to derive kinetic equation with external loads. Morison equation was also used on this manipulator's hydrodynamics， and drag coefficients were calculated by using Fluent software. The results were compared to calculations results using Matlab toolbox robots， and the comparison verified the accuracy of the dynamic model. The hydrodynamic forces of the seven function ROV manipulator were solved at last.【Key words】Seven Function Manipulator， Hydrodynamic， Kinematics， FORTRAN近些年来随着海洋资源的开发和海洋科学研究的日益深入，水下机器人-机械手系统是水下作业的一个重要组成部分，除了用于水下的观测勘察作业外，水下机器人-机械手还被用于完成采集样本；水下设施的建造和维护；铺设水下管道和维修等相对繁琐的一些工作。
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ROV水动力特性试验研究
作者：钟朝廷张印桐张永祥徐诗婧
来源：《科技与创新》2015年第17期
摘要：通过研究开架式ROV水动力特性，分析了开架式ROV特殊的几何外型和作业特点，讨论了研究的必要性，通过1∶4的拘束模型试验测得了一套无因次水动力系数，并得到了五自由度ROV运动方程。
该试验对校正ROV水动力模型、提高仿真精准度起到了至关重要的作用。
关键词：ROV；水动力系数；拘束模试验；试验数据
中图分类号：U661.43 文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2015.17.013
ROV（Remotely Operated Vehicle）即遥控式无人潜水器，因其水下作业时间长，并且能够在深海和复杂危险的工作环境中完成高强度、高负荷的作业任务，所以，被广泛应用于海洋资源开发、水下工程、海底调查和打捞作业等领域。
当前，安全性和稳定性对ROV实际作业十分重要，ROV水动力特性和运动控制策略是ROV研发过程中的2大关键技术，而ROV运动控制策略又依赖于其本身的水动力特性。
因此，在研究ROV水动力特性时，要建立适用于ROV的运动数学模型，从而得到一套较为完备、准确的水动力系数。
当前，绝大多数ROV的运动仿真都是基于美国海军泰勒水池（DTNSRDC）发表的“模拟潜艇的标准运动方程”进行的，并适当简化。
然而，该方程中的黏性水动力项是基于等速直航状态下进行泰勒展开，再根据潜艇的几何特性（左右对称、前后不对称、上下近似对称）和实验结果简化水动力项得到的。
因为ROV几何外形具有左右对称、前后近似对称、上下不对称和框架式结构的特点，所以，可判定其与潜艇有很大的差别；因为ROV布置有多个推进器，作业时能够进行前后、左右、上下、原地回转等灵活运动，这与潜艇以纵向直航为主要运动特点也有很大的差异。
由此可知，用潜艇标准运动方程不能很好地描述ROV的运动特性。
Fossen假设ROV前后、左右、上下对称，提出了一种简化的、用于ROV的运动数学模型。
这种ROV运动数学模型简单明了、水动力系数少，获取比较方便，而且考虑到ROV灵活多变的运动特性，特别是在低速作业的情况下，它能较好地模拟ROV运动，所以，近年来被不少学者运用。
但是，这种数学模型忽略了ROV自身几何外形上前后、上下的不对称性，因此，还是与实际运动状况有一定的差异。
到目前为止，仍然缺少1套经过大量试验验证、被广泛认可的ROV水动力模型。
ROV水动力模型的主要研究方法有CFD 仿真计算、系统辨识（SI）和拘束模型试验。
由于ROV外型复杂、附体较多，并且流体力学理论、计算方法和设备还不够完善，所以，CFD 仿真计算受到了一定的限制。
因为系统辨识（SI）主要依赖ROV实际航行过程中传感器测得的数据，而鉴于传感器的精度等问题，测得的结果一般误差比较大，所以，这种方法多用于水动力模型的
修正。
目前，模型试验仍然是研究ROV水动力模型最有效的手段。
因此，本文选用拘束模试验研究ROV水动力性能。
本文先介绍了所研究的ROV，然后介绍了ROV模型试验、试验装置和方案，之后介绍了试验数据处理方法，并给出了无因次水动力系数，最后作了相关总结。
1 ROV总体性能
以英国SMD公司生产的工作级Quantum为例，研究了这一类型的深水作业型开架式ROV。
如图1所示，Quantum是SMD公司成熟的水下机器人产品，它可以在高强度电流下稳定工作。
该ROV拥有强劲的动力，可以完成各种复杂的工作，主要技术参数如表1所示。
2 ROV水动力试验
2.1 ROV试验模型
根据 ROV 的本体结构和布置特征，建造了缩尺比为1∶4的试验模型，模型情况如图2所示。
该模型长0.875 m，宽0.5 m，高0.5 m，质量约为78 kg。
模型上部为浮力材料，下部桁架为铁质。
该模型只制作了 ROV 本体，并没有考虑缆线和机械手等部分。
2.2 试验装置和试验方案
ROV水动力试验分为2部分，一部分试验在哈尔滨工程大学循环水槽完成。
试验模型用2根连杆与平面运动机构（PMM）相连，以约束模型运动；另一部分试验在“风、浪、流海洋环境模拟水池”（大水池）（50 m×50 m×30 m）进行，模型通过连杆与XY航车相连，以约束模型运动。
循环水槽长17.3 m，宽6.0 m，高2.77 m；工作段长7.0 m，宽1.7 m，高1.5 m；最大流速为2.0 m/s；平面运动机构最大振幅为0.04 m；震荡周期为1～5 s；频率0.2～1 Hz；2根连杆跨距为0.40 m。
在试验过程中，水温为14 ℃，受试验装置的限制，并没有作横摇试验。
试验工况如表2所示。
3 试验数据处理和结果分析
为了方便描述ROV受力和运动，ROV运动坐标系如图3所示。
坐标系原点为ROV重心，u，v和w分别表示纵向、侧向和垂向方向的线速度，X，Y和Z代表相应方向的力。
此外，p，q和r表示横摇、俯仰和转艏角速度，K，M和N表示对应的力矩。
在试验过程中，水动力系数运用最小二乘法拟合得到。
为了将试验结果运用到ROV实体中，需将得到的水动力系数作无因次化处理，它不同于潜艇标准运动方程中以纵向直航运动为主运动，对水动力模型进行泰勒展开。
结合ROV的运动特性，以ROV静止状态进行水动力泰
勒展开。
因此，文中水动力无因次化方法也与潜艇标准运动方程不同，具体差异表现在一阶黏性水动力系数（）的无因次化方法上，具体表达式为：
式（1）（2）（3）中：为无因次一阶黏性水动力系数；FU为有因次一阶黏性水动力系数；ρ为流体密度；l为ROV特征长度，文中取为ROV长度；g为重力加速度。
试验获得的无因次水动力系数如表3所示。
表3 无因次水动力系数
4 五自由度ROV运动方程
受试验条件的限制没有作横摇试验。
但是，鉴于本文研究的开架式ROV自身结构的特点，其在运动过程中产生的横很小，因此，可以忽略ROV的横摇运动，将ROV的运动方程简化成五自由度运动方程，即：
式（4）（5）（6）（7）（8）中：XT，YT，ZT，MT，NT为ROV推进器推力（矩）；m为ROV质量；Iy，Iz为转动惯量；xB，yB，zB为ROV浮心坐标。
5 结论
简要探讨了ROV的水动力性能，由于ROV的运动特点不同于潜艇，它可以前后、左右、上下灵活运动，所以，区别于潜艇标准运动方程，以等速直航的平衡状态对水动力进行泰勒展开。
本文以ROV静止状态进行水动力泰勒展开，并利用拘束模型试验测定了水动力系数。
受试验条件的限制，没有作横摇试验。
但是，鉴于本文研究的开架式ROV自身结构的特点，在运动过程中产生的横摇很小，可以忽略ROV的横摇运动，将ROV的运动方程简化成五自由度运动。
同时，文中得到的ROV水动力模型并没有考虑缆线和机械手ROV单体的水动力特性，所以，今后要研究ROV与机械手和缆线整体的耦合运动特性。
参考文献
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〔编辑：白洁〕。