【课件】水下机器人ROVppt
最新水下机器人ROV讲解学习
3.1.5 水下机器人关键技术 ①能源技术 ②精确定位技术 ③零可见度导航技术 ④材料技术 ⑤作业技术 ⑥声学技术 ⑦智能技术
⑧回收技术
3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 ②推进模式 ③动力供给 ④ 密封及耐压 ⑤ 防腐技术
3.3 水下机器人控制 3.3.1 控制基本类型
遥控型水下机器人 自治型水下机器人 监控型水下机器人
3.3.2 控制方法 底层控制
高层控制
3·3·3 控制系统结构及发展
有缆水下机器人和无绳水下机器人的控制技术既有相同之处， 也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角 度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同。
有缆水下机器人 (ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分:
水上控制设备
AUV的控制问题涉及到许多方面
如机器视觉、环境建模、决策规划、回 避障碍、路径规划、故障诊断、坐标变 换、动力学计算、多变量控制、导航、 通讯、多传感器信息融合以及包容上述
内容的计算机体系结构等
AUV可分为预 编程型和智能型
预编程型是指AUV在完成使 命的过程中完全执行预定的程序， 在机器人下水前，操作人员根据 使命需求，采用专门的语言编制 使命程序，并将使命程序下装到
到吊放钢缆的作用，
e.皑装主缆
在运动载体上安装摄像机、成像声纳，构成载 体的基本系统。在需要作业时，可再加装1--2
水下机械手和多种水下作业工具。
f.观察作业设备
g. 控制间
内放控制台及供电设备，简单维修设备等。它是水 下载体的驾驶、监视、操作、指挥中心。
a. 潜水器
b.中继器
水
下
c.吊放系统
机
器 人
水下机器人
水下机器人水下机器人- 简介ROV，即水下机器人（Remote Operated Vehicle ）,有时为了区别于地面和空中的ROV（Remote Control Vehicles），又将海洋中所用的ROV称为Remotely Operated Underwater Vehicle。
系统组成包括：动力推进器、遥控电子通讯装置、黑白或彩色摄像头、摄像俯仰云台、用户外围传感器接口、实时在线显示单元、导航定位装置、自动舵手导航单元、辅助照明灯和凯夫拉零浮力拖缆等单元部件。
功能多种多样，不同类型的ROV用于执行不同的任务，被广泛应用于军队、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等各个领域。
水下机器人，也称无人遥控潜水器，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。
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。
目前，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，其中有缆避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。
水下机器人 - 历史发展水下机器人1934年,美国研制出下潜934米的载人潜水器；1953年又研制出无人有缆遥控潜水器；其后的发展大致经历了三个阶段；第一阶段从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作，先后研制出20多艘潜水器，其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。
第二阶段1975至1985年是遥控潜水器大发展时期，海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长，载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。
8水下机器人ROV接口
水下生产系统的水下机器人ROV接口
水下生产系统的水下机器人ROV接口一旦选择好接口，在建造期间把接口装配到水下设备上时，宜进行简单的检验或出厂验收试验（FAT）。
试验记录除了能证实现场设备是合适的以外，还能为监测设备安装后以及整个工作寿命内的性能提供基础资料。
同时，记录的某些方面是关注维修本身的，其他的一些方面（比如操作时间）可为以后操作时，对不同类型的接口和工具选择（比如机械手或ROV工具或潜水员）进行比较。
水下潜器
ROV的控制技术 —— ROV的组成
(2)脐带缆管理系统与收放机构:绞车+排缆器+（中继器）
绞车
自动排缆器
ROV的控制技术
(2)脐带缆管理系统与收放机构:绞车+排缆器+（中继器）
水平运动推力器推力：
HT
X Y
N
HT1 HT2 HT3 HT4
1 1 0 0
KH
0
0
1
1
r1 r1 r3 r4
B
HT
uu12HHTT
uu34HHTT
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Wj,water
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1 2
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Cw
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A
v j,rel
v j,rel
脐带缆在水中的微元
ROV的控制技术 —— 受力与建模
I yq (I x I z )rp m zG u wq vr xG w pv uq M I z r (I y I z ) pq m xG v ur pw yG u qw vr N
主控电脑 手动控制手柄 监视器/控制界面
水下机器人ROV
3.4.2 典型有缆遥控水下机器人介绍
(1) 海人一号
“海人一号”是我国自主研究的第一台水下机器人，由中科院沈阳 自动化所与上海交通大学等单位于1980年开始研制，为我国水下机 器人的起步和发展奠定了基础。图3-8是 "海人一号"有缆遥控水下 机器人的照片。
(2)RECON-IV-SIA
1985年沈阳自动化研究所与美国PERRY公司合作并引迸生产技 术，生产了RECON-IV-SIA中型水下机器人。RECON-TV-SIA是一 个典型的有缆遥控水下机器人实用化产品，它已在我国多项海洋石 油、水下工程等项目中应用。
（6）破碎锤 破碎锤属于旋转运动型水下工具，具有直线冲击的性能。破碎 锤通过装在旋转马达上的凸轮去顶起带有负载锤头的弹簧，然后再 放松，这样能量就集中在每一次冲击之中。因破碎机构靠一凸轮操 纵，液压马达只能顺时针转动，为防止液压马达反转，液压回路申 装有止回阀。驱动破碎锤的动力执行元件与冲击扳手使用的相同。
(2) 控制系统 有缆遥控水下机器人的控制系统通常由水面控制、水下控 制、信息采集、信号传输、执行机构控制等儿个部分组成。 (3) 传感器 a· 监视系统 主要指用于水下机器人水下 搜索和水下观察的设备，一般包括有水下 摄像机、云台及照明、成像声纳、声学和 磁学定位系统等。
b· 监控系统 主要指介人水下机器人 运动控制和保障系统正常运行所需 要的传感设备，一般包括有深度计、 高度计、方向罗盘、温度、压力、 电压电流等。
(5)中继器系统
中继器 (TMS)是有缆遥控水下机器人系统的重要设备之一。为 保持水下机器人本体在水下具有良好的动作灵活性、运动平稳性和 可操作控制性，在本体与吊放系统之间设置中继器。中继器直接由 皑装主缆吊放，在中继器与潜水器之间由具有中性浮力的系缆连接， 这样既消除皑装主缆、母船的升沉、纵倾和横摇等对它的影响，也 减少了本体推进系统所需功率，充分地发挥其本身的最大效率。
水下机器人
③海洋科学考察 海洋科学考察主要包括水文地质考察 (记录海底 地形、绘制海底地图、选择土样和岩石样本等)、海洋生物考察 (测 定海底生物形态，采集生物样本等)、海洋物理考察 (测定地球磁场， 考察石油、天然气、矿物资源，考察海底火山活动情况等 ) 、海洋 光学考察等等。 ④水下考古 确定水下文物位置和性质，采集文物样本，清理考 古现场，打捞文物等。
CURV2
CURV3Βιβλιοθήκη (2) 军用无 缆水下机器人
AUV可用来辅助军用潜艇，作为它的体外传感器， 为它护航和警戒，以及为它引开敌方攻击充当假目标。 在反潜方面， AUV可担任海上反潜警戒，也可当作反潜 舰艇进行训练的靶艇。另外，在水雷战和反水雷方面以 及其他许多特种作业中，AUV都可以大显身手。 典型的AUV有美国海军研究生院的Phoenix AUV和性能 更优越的Aries AUV，这两个机器人的研发主要是为了 研究智能控制、规划和导航功能。麻省理工大学 Odyssey II是一种主要用于海冰检测和标图的机器人。 美国的C.S.Droper实验室则在仿生AUV方面有巨大的突 破，代表产品是仿黄鳍金枪鱼机器人VCUUV
(3) 民用水下机器人
由于近年来人们对海洋考察和开发的增多，水下机器人得到广 泛的应用，其申ROV大量地被使用在各种水下作业中，AUV大范 围、大深度的作业设备近期在深海资源勘探和科学考察上得到了快 速地发展。由于造价和人员风险的原因，载人潜水器相对发展放缓。 目前水下机器人主要应用领域包括水下工程、海洋石油、打捞救生 和海洋科学考察等各方面。 ① 水下工程 a. 水下检查 :查明管道、水下工程、电缆铺设的情况及其位置， 检查百油钻井平台和井口的锈蚀及损坏的程度，检查水库大坝及闸 门的裂缝、损坏情况等。 b. 水下监视:监视和辅助潜水员进行水下作业、救助打捞和石油 钻井平台的水下作业等。
水下机器人发展现状ROV
⽔下机器⼈发展现状ROV多功能⽔下脐带缆夹检测车综述1⽔下机器⼈是⼀种可以在⽔下运⾏并能够独⽴完成特定功能的机械设备，通常可以分为载⼈⽔下机器⼈（Human Occupied Vehicle ，简称HOV ），遥控机器⼈（Remotely Operated Vehicle ，简称ROV ）和⾃治⽆⼈⽔下机器⼈（Autonomous Underwater Vehicle ，简称AUV ）三类。
AUV 在⽔下通过各类传感器测量信号，经过机载CPU 进⾏处理决策，独⽴完成各种操作，例如进⾏⽔下机动航⾏，动⼒定位，信息采集，⽔下探测等。
通常这种机器⼈依靠⽔声通讯技术与岸基和船基进⾏联络，或者浮出⽔⾯，撑起⽆线电天线，与陆基和卫星进⾏通讯。
AUV 的能源完全依靠⾃⾝提供，往往⾃⾝携带可充电电池、燃料电池、闭式柴油机等。
该类设备优点是活动范围可以不受空间限制，并且没有脐带缆，不会发⽣脐带缆与⽔下结构物缠绕问题，但是⽔下的续航能⼒和负载能⼒受到⾃⾝能源的强烈制约，只能完成⼀些短程和轻载的⼯作，⽽⾃⾝的CPU 处理能⼒⼜很⼤程度上限制了AUV 所能从事⼯作的复杂程度。
典型的AUV 有美国海军研究⽣院的Phoenix AUV和性能更优越的Aries AUV，这两个机器⼈的研发主要是为了研究智能控制、规划和导航功能。
⿇省理⼯⼤学Odyssey II是⼀种主要⽤于海冰检测和标图的机器⼈。
美国新罕布什尔⾃主⽔下系统研究所与俄罗斯远东科学院⽔下技术研究所联合开发的太阳能⾃主⽔下AUV 正在尝试克服AUV 的远程续航缺陷。
美国的C.S.Droper 实验室则在仿⽣AUV ⽅⾯有巨⼤的突破，代表产品是仿黄鳍⾦枪鱼机器⼈VCUUV 。
加拿⼤在1994年冰层电缆铺设⽅⾯率先采⽤AUV 技术，研制出Theseus AUV，该机器⼈配备了⼀块70kWh 铝氧燃料电池，续航能⼒达到36⼩时。
后来该机器⼈的能源装置不断升级，到1997年完成第⼆代电池试验，续航能⼒较第⼀代显著提⾼。
《水下机器人ROV》PPT课件
3.4.2 典型有缆遥控水下机器人介绍
(1) 海人一号
“海人一号”是我国自主研究的第一台水下机器人，由中科院沈阳 自动化所与上海交通大学等单位于1980年开始研制，为我国水下机 器人的起步和发展奠定了基础。图3-8是 "海人一号"有缆遥控水下 机器人的照片。
(2)RECON-IV-SIA
1985年沈阳自动化研究所与美国PERRY公司合作并引迸生产技 术，生产了RECON-IV-SIA中型水下机器人。RECON-TV-SIA是一 个典型的有缆遥控水下机器人实用化产品，它已在我国多项海洋石 油、水下工程等项目中应用。
到吊放钢缆的作用，
e.皑装主缆
在运动载体上安装摄像机、成像声纳，构成载 体的基本系统。在需要作业时，可再加装1--2
水下机械手和多种水下作业工具。
f.观察作业设备
g. 控制间
内放控制台及供电设备，简单维修设备等。它是水 下载体的驾驶、监视、操作、指挥中心。
a. 潜水器
b.中继器
水
下
c.吊放系统
机
器 人
时将与中继器联锁在一起。
用以投放、回收中和脐带电缆的储存。
用于潜水器和中继器之间机械软连接及能源馈送和信息 传输。系缆套穿浮力材料以使其在水中为零浮力，从而
减小水流阻力对本体的干扰。
d. 系缆
在吊放架与中继器之间完成机械软连接、能源输送、 信息传输的作用。它是钢丝皑装结构，以便同时起
d. 系缆
本 体
e.皑装主缆
f.观察作业设备
g. 控制间
(2) 控制系统
有缆遥控水下机器人的控制系统通常由水面控制、水下控 制、信息采集、信号传输、执行机构控制等儿个部分组成。
(3) 传感器
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3.1.1 概述
水下机器人是一种可在水下移动、具有视觉和感知系统、通过 遥控或自主操作方式、使用机械手或其他工具代替或辅助人去 完成水下作业任务的装置。
水下机器人具有四个基本特点。
(1)可移动性 (2)能够感知机器人的外部和内部环境特性 (3)拥有完成使命所需的执行机构 (4)能自主地或在人的参与下完成水下作业 3.1.2 水下机器人分类及用途
制系统、电缆等构成
目前，随着计算机技术在ROV中的广泛应用，人们将采 用更新型技术，如多媒体技术、临场感技术以及虚拟现实技术， 更形象化地实现对ROV的控制。
任何事物总是一分为二的，ROV的脐带电缆是一个不利因 素，它约束了ROV的活动范围，增加了水面设备的成本，在复 杂环境中尤其迸入复杂结构内部将危害着ROV的安全，因而解 脱这种束缚是各国水下机器人专家追求的目标，这就是自治水 下机器人AUV技术得以发展的理由。
3.3.2 控制方法 底层控制 高层控制
3·3·3 控制系统结构及发展
有缆水下机器人和无绳水下机器人的控制技术既有相同之处， 也有不同之处，但两者的控制机理是相同的。从控制系统结构的角 度来看，它们的底层控制相同，只是高层控制有所不同。
有缆水下机器人 (ROV)控制系统的设备大体上可以分为三部分:
3.1.5 水下机器人关键技术
①能源技术
②精确定位技术
③零可见度导航技术
④材料技术
⑤作业技术
⑥声学技术
⑦智能技术
⑧回收技术
3.2 水下机器人结构 ①载体结构特点 ②推进模式 ③动力供给 ④ 密封及耐压 ⑤ 防腐技术
3.3 水下机器人控制 3.3.1 控制基本类型
遥控型水下机器人 自治型水下机器人 监控型水下机器人
电压电流等。
(4)动力及通讯 传输系统
a·动力系统 为水下机器人水 上设备 (水面控制单元、控制 间、维修间、水面设备)和水 下设备 (中继器、水下机器人 本体)提供动力分配及保护措
施，所有电气设备都需满足 船用电气设备的规范要求。
b·通讯系统 为水下机器人系统 的各个工作站点 (控制间、水面 设备、船长室)提供有线或无线
到吊放钢缆的作用，
e.皑装主缆
在运动载体上安装摄像机、成像声纳，构成载 体的基本系统。在需要作业时，可再加装1--2
水下机械手和多种水下作业工具。
f.观察作业设备
g. 控制间
内放控制台及供电设备，简单维修设备等。它是水 下载体的驾驶、监视、操作、指挥中心。
a. 潜水器
b.中继器
水下机器人本体
c.吊放系统 d. 系缆 e.皑装主缆
机器人上的控制计算机中
AUV可分为预 编程型和智能型
智能型AUV则具有在未知环境申建立环境模型、 根据模型重新决 策和规划的能力。这种机器人比
较复杂，是当前学术界研究的重点。
ROV控制
预编程型AUV控制
智能型AUV控制
3.4 有缆遥控水下机器人
3.4.1
系统组成
有缆遥控水下机器人通常由水下潜水器本体、 中继器、零浮力脐带缆、水上吊放系统、绞车系统、
的通讯联系。
(5)中继器系统
中继器 (TMS)是有缆遥控水下机器人系统的重要设备之一。为 保持水下机器人本体在水下具有良好的动作灵活性、运动平稳性和 可操作控制性，在本体与吊放系统之间设置中继器。中继器直接由 皑装主缆吊放，在中继器与潜水器 之 间由具有中性浮力的系缆连接， 这样既消除皑装主缆、母船的升沉、纵倾和横摇等对它的影响，也 减少了本体推进系统所需功率，充分地发挥其本身的最大效率。
常规的传感器包括：
成像声纳、罗盘、深度压力 传感器、高度计等。
水下计算机、驱动器、控制模块，
水下电子单元包括：
安装在常压的密封仓内。
动力、压力、温度、漏
系统监视所需要的传感元件包括:。
水等
b.中继器 c.吊放系统
为了能迅速、准确地将潜水器送到预定 工作水深和较快地收回到水面，同时为 了减弱母船摇摆及脐缆所受海流阻力给 潜水器运动和 作业带来的附加阻力、干 扰和影响，一般有缆遥控水下机器人配 置中继器。中继器内储存系缆，并装有 系缆驱动收放机构，潜水器非工作状态
AUV的控制问题涉及到许多方面
如机器视觉、环境建模 、决策规划、回 避障碍、路径规划、故障诊断、坐标变
换、动力学计算、多变量控制、导航、
通讯、多传感器信息融合以及包容上述 内容的计算机体系结构等
AUV可分为预 编程型和智能型
预编程型是指AUV在完成使 命的过程中完全执行预定的程序， 在机器人下水前，操作人员根据 使命需求，采用专门的语言编制 使命程序，并将使命程序下装到
f.观察作业设备 g. 控制间
(2) 控制系统
有缆遥控水下机器人的控制系统通常由水面控制、水下控
制、信息采集、信号传输、执行机构控制等儿个部分组成。
(3) 传感器
a·监视系统 主要指用于水下机器人水下
搜索和水下观察的设备，一般包括有水下
摄像机、云台及照明、成像声纳、声学和
磁学定位系统等。
b·监控系统 主要指介人水下机器人 运动控制和保障系统正常运行所需 要的传感设备，一般包括有深度计、 高度计、方向罗盘、温度、压力、
铠装脐带缆、控制系统和动力系统组成
(1)水下机器人本体
a. 潜水器
潜水器是携带观察和作业工具设备的运动载体。在开式框
架结构件上方的浮力块，保证潜水器全负荷时水中浮力基本为 零;
在水平、侧向和垂直方向都装有推进器，从而可实现三维
空间的运动。框架前部或必要的地方安置云台，在其上装有电
视摄像机操作水下载体，并向水下载体
提供所需的动力
水下控制设备
水下控制设备的功能则是执行水面 的命令，产生需要的运动以完成给
定的作业使命
脐带电缆
脐带电缆用来传递信息 和输送动力
ROV控制系统由
航行控制系统、导航定位系统、 信息采集系统、观察 系统、作业 设备控制系统、水面支持设备控
时将与中继器联锁在一起。
用以投放、回收中继器和潜水器。吊放系 统通常采用门形结构、液压驱动，并设有
消摆机构和脐带电缆的储存。
用于潜水器和中继器之间机械软连接及能源馈送和信息 传输。系缆套穿浮力材料以使其在水中为零浮力，从而
减小水流阻力对本体的干扰。
d. 系缆
在吊放架与中继器之间完成机械软连接、能源输送、 信息传输的作用。它是钢丝皑装结构，以便同时起